By: Ailson Jack
Date: 2019.11.02
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這篇文章總結了I2S協議的一些知識點，作爲自己以後調試音頻的參考，當然了文章中的內容也參考了一些網友的總結。
一、數字音頻技術
1.聲音數字化概念及過程
現實生活中的聲音是通過一定介質傳播的連續的波，它可以由週期和振幅兩個重要指標描述。正常人可以聽到的聲音頻率範圍爲 20Hz~20KHz。現實存在的聲音是模擬量，這對聲音保存和長距離傳輸造成很大的困難，一般的做法是把模擬量轉成對應的數字量保存，在需要還原聲音的地方再把數字量的轉成模擬量輸出如下圖所示：
模擬量轉成數字量一般可以分爲三個過程，分別爲採樣、量化、編碼，如下圖所示。
用一個比源聲音頻率高的採樣信號去量化源聲音，記錄每個採樣點的值，最後如果把所有采樣點數值連接起來與源聲音曲線是互相吻合的，只是它不是連續的。在圖中，兩條藍色虛線距離就是採樣信號的週期，即對應一個採樣頻率(FS)，可以想象得到採樣頻率越高最後得到的結果就與源聲音越吻合，但此時採樣數據量越越大，一般使用 44.1KHz 採樣頻率即可得到高保真的聲音。每條藍色虛線長度決定着該時刻源聲音的量化值，該量化值有另外一個概念與之掛鉤，就是量化位數。量化位數表示每個採樣點用多少位表示數據範圍，常用有 16bit、 24bit 或 32bit，位數越高最後還原得到的音質越好，數據量也會越大。
2.聲音數字化三要素
採用頻率：每秒鐘抽取聲波幅度樣本的次數。採樣頻率越高，聲音質量越好，數據量也越大。常用的採樣頻率有11.025KHz，22.05KHz，44.1KHz，48KHz，96KHz等。
量化位數：每個採樣點用多少二進制位表示數據範圍。量化位數也叫採樣位數。量化位數越多，音質越好，數據量也越大。常用的採樣位數有8位，16位，24位，32位等。
聲道數：使用聲道的個數。立體聲比單聲道的表現力豐富，但是數據量翻倍。常用的聲道數有單聲道，立體聲（左聲道和右聲道）。
3.聲音數字化的數據量
聲音數字化後的數據量計算公式爲：
音頻數據量 = 採樣頻率(Hz) * 量化位數 * 聲道數 / 8，單位：字節/秒。
這裏舉個例子：對一個聲音信號進行數字化處理，採樣頻率爲44.1KHz，量化位數爲16位，那麼：
單聲道的音頻數據量爲：44100 * 16 * 1 / 8 = 88200 字節/秒；
立體聲的音頻數據量爲：44100 * 16 * 2 / 8 = 176400 字節/秒。
4.聲卡
聲卡是負責錄音、播音和聲音合成的一種多媒體板卡。其功能包括：
(1).錄製、編輯和回放數字音頻文件；
(2).控制和混合各聲源的音量；
(3).記錄和回放時進行壓縮和解壓縮；
(4).語音合成技術(朗讀文本)；
(5).具有MIDI接口(樂器數字接口)。
聲卡的芯片類型：
(1).CODEC芯片(依賴CPU，價格便宜)；
(2).數字信號處理器DSP(不依賴CPU)。
二、I2S總線協議
1.I2S總線概述
音響數據的採集、處理和傳輸是多媒體技術的重要組成部分。衆多的數字音頻系統已經進入消費市場，例如數字音頻錄音帶、數字聲音處理器。對於設備和生產廠家來說，標準化的信息傳輸結構可以提高系統的適應性。
I2S(Inter-IC Sound)總線, 又稱集成電路內置音頻總線，是飛利浦半導體公司(現爲恩智浦半導體公司)針對數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標準。該總線專門用於音頻設備之間的數據傳輸，廣泛應用於各種多媒體系統。它採用了沿獨立的導線傳輸時鐘與數據信號的設計，通過將數據和時鐘信號分離，避免了因時差誘發的失真，爲用戶節省了購買抵抗音頻抖動的專業設備的費用。
2.I2S信號線
I2S總線主要有3個信號線：
(1).串行時鐘SCK
串行時鐘SCK，也叫位時鐘BCLK，對應數字音頻的每一位數據，SCK都有1個脈衝。SCK的頻率 = 聲道數 * 採樣頻率 * 採樣位數。
(2).字段選擇信號WS
字段選擇信號WS，也叫LRCLK，用於切換左右聲道的數據。WS的頻率 = 採樣頻率。
字段選擇信號WS表明了正在被傳輸的聲道。I2S Philips標準WS信號的電平含義如下：
WS爲0，表示正在傳輸的是左聲道的數據；
WS爲1，表示正在傳輸的是右聲道的數據。
(3).串行數據SD
串行數據SD，就是用二進制補碼錶示的音頻數據。I2S串行數據在傳輸的時候，由高位(MSB)到低位(LSB)依次進行傳輸。
(4).主時鐘MCLK
一般還有MCLK，主時鐘。MCLK的頻率 = 128或者256或者512 * 採樣頻率。
對於系統而言，能夠產生SCK和WS的信號端就是主設備，用MASTER表示，簡單系統示意圖如下：
3.幾種常見的I2S數據格式
隨着技術的發展，在統一的I2S硬件接口下，出現了多種不同的I2S數據格式，可分爲左對齊(MSB)標準、右對齊(LSB)標準、I2S Philips 標準。
對於所有數據格式和通信標準而言，始終會先發送最高有效位(MSB 優先)。
發送端和接收端必須使用相同的數據格式，確保發送和接收的數據一致。(1).I2S Philips 標準
使用LRCLK信號來指示當前正在發送的數據所屬的聲道，爲0時表示左聲道數據。LRCLK信號從當前聲道數據的第一個位(MSB)之前的一個時鐘開始有效。LRCLK信號在BCLK的下降沿變化。發送方在時鐘信號BCLK的下降沿改變數據，接收方在時鐘信號BCLK的上升沿讀取數據。正如上文所說，LRCLK頻率等於採樣頻率Fs，一個LRCLK週期(1/Fs)包括髮送左聲道和右聲道數據。
對於這種標準I2S格式的信號，無論有多少位有效數據，數據的最高位總是出現在LRCLK變化（也就是一幀開始）後的第2個BCLK脈衝處。這就使得接收端與發送端的有效位數可以不同。如果接收端能處理的有效位數少於發送端，可以放棄數據幀中多餘的低位數據；如果接收端能處理的有效位數多於發送端，可以自行補足剩餘的位。這種同步機制使得數字音頻設備的互連更加方便，而且不會造成數據錯位。
I2S Philips 標準時序圖如下所示：
(2).左對齊(MSB)標準
在LRCLK發生翻轉的同時開始傳輸數據。該標準較少使用。注意此時LRCLK爲1時，傳輸的是左聲道數據，這剛好與I2S Philips標準相反。左對齊(MSB)標準時序圖如下所示：
(3).右對齊(LSB)標準
聲音數據LSB傳輸完成的同時，LRCLK完成第二次翻轉（剛好是LSB和LRCLK是右對齊的，所以稱爲右對齊標準）。注意此時LRCLK爲1時，傳輸的是左聲道數據，這剛好與I2S Philips標準相反。右對齊(LSB)標準時序圖如下所示：
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