PCM / I2S / AC97/PDM概念理解

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IIS僅僅是PCM的一個分支,接口定義都是一樣的

它們有四組信號: 位時鐘信號,同步信號,數據輸入,數據輸出。     

PCM一般傳單聲道的聲音,也可以傳立體聲,採樣頻率一般爲8KHz。

IIS一般傳立體聲,比PCM多了一個線路。數據格式都爲PCM格式。左/右聲道的一個採樣點編碼一般爲16位(量化深度),兩個聲道加起來爲32位。

I2S只能傳2個聲道的數據,PCM一個復幀可以傳多達32路數據。

先補習一下下面的概念

一、時分複用(TDM)

時分多路複用適用於數字信號的傳輸。由於信道的位傳輸率超過每一路信號的數據傳輸率,因此可將信道按時間分成若干片段輪換地給多個信號使用。每一時間片由複用的一個信號單獨佔用,在規定的時間內,多個數字信號都可按要求傳輸到達,從而也實現了一條物理信道上傳輸多個數字信號。假設每個信號輸入的數據比特率是9. 6kbit / s ,信道線路的最大比特率爲76. 8 kbit / s ,則可傳輸8 路信號。在接收端,複雜的解碼器通過接收一些額外的信息來準確地區分出不同的數字信號。

PCM時分複用是利用各個信號的抽樣值在時間上互不相重疊來達到在同一信道中傳輸多路信號的一種方法。在一個TDM系統中,各信號在時域上分開的,而在頻域上是混疊在一起的。

(1)位&路:PCM一次取樣傳輸8位,即8位爲一路。

(2)路&幀:目前PCM傳輸推薦的有兩種標準:32路(A律)和24路(U律)。A律編碼主要用於30/32路一次羣系統,U律編碼主要用於24路一次羣系統。A律PCM用於歐洲和中國,U律PCM用於北美和日本。2路爲一幀。

(3)幀&復幀:32路爲一復幀或24路爲一復幀,即一復幀包含16幀或12幀。以32路(TS0~TS31)爲例,TS0路包含一些特殊的位組合,使接收端能夠將每一個時分複用幀(復幀)的位置確定出來,即幀同步;TS16路用於傳送話路信令。

若PCM時鐘頻率爲X,則傳輸一位用時t1=1/X,傳輸一路用時t2=8*t1,幀同步信號時間間隔爲32*t2(代表每兩個幀同步信號之間能傳32路)。通過測量採樣信號與幀同步信號之間的時間間隔就可以計算出該次採樣爲第幾路。

相比較FDM,TDM有以下兩個突出優點: 1.多路信號的復接和分路;2.信道的非線性會在FDM系統中產生交調失真和高次諧波,引起話間串擾,因此對信道的線性特性要求比較高,而TDM系統對信道非線性失真要求可以降低很多。

二、頻分多路複用(FDM)

三、縮寫釋義

CAS:隨路信令,語音和信令在同一路話路中傳送的信令

CCS:共路信令,語音和信令分開傳輸

ASLA - Advanced Sound Linux Architecture

OSS - 以前的Linux音頻體系結構,被ASLA取代併兼容

Codec - Coder/Decoder

I2S/PCM/AC97 - Codec與CPU間音頻的通信協議/接口/總線

DAI - Digital Audio Interface 其實就是I2S/PCM/AC97/PDM/TDM等,實現音頻數據在CPU和Codec間的通信

DAC - Digit to Analog Conversion

ADC - Analog to Digit Conversion

DSP - Digital Signal Processor

Mixer - 混音器,將來自不同通道的幾種音頻模擬信號混合成一種模擬信號

Mute - 消音,屏蔽信號通道

PCM - Pulse Code Modulation 一種從音頻模擬信號轉換成數字信號的技術,區別於PCM音頻通信協議

採樣頻率 - ADC的頻率,每秒採樣的次數,典型值如44.1KHZ

量化精度 - 比如24bit,就是將音頻模擬信號按照2的24次方進行等分

SSI - Serial Sound Interface

DAPM - Dynamic Audio Power Management

I2C總線 - 實現對Codec寄存器數據的讀寫

Codec - 音頻編解碼器Codec負責處理音頻信息,包括ADC,DAC,Mixer,DSP,輸入輸出以及音量控制等所有與音頻相關的功能。Codec與處理器之間通過I2C總線和數字音頻接口DAI進行通信。

1.PCM(脈衝編碼調製)
 (1) 時鐘脈衝 BCLK ;

 (2) 幀同步信號FS;

 (3)接收數據DR;

 (4)發送數據DX  。

在FS信號的上升沿,數據傳輸從MSB(Most Significant Bit)字開始,FS頻率等於採樣率。
FS信號之後開始數據字的傳輸,單個的數據位按順序進行傳輸,1個時鐘週期傳輸1個數據字。
發送MSB時,信號的等級首先降到最低,以避免在不同終端的接口使用不同的數據方案時造成MSB的丟失。

PCM接口很容易實現,原則上能夠支持任何數據方案和任何採樣率,但需要每個音頻通道獲得一個獨立的數據隊列

2.I2S

IIS接口(Inter-IC Sound)在20世紀80年代首先被飛利浦用於消費音頻,並在一個稱爲LRCLK(Left/Right CLOCK)的信號機制中經過多路轉換,將兩路音頻信號變成單一的數據隊列:
(1) LRCLK爲低時,左聲道數據被傳輸
(2) LRCLK爲高時,右聲道數據被傳輸

與PCM相比,IIS更適合於立體聲系統。

對於多通道系統,在同樣的BCLK和LRCLK條件下,並行執行幾個數據隊列也是可能的。 
 (1)時分複用串行數據信號SDATA:用二進制補碼錶示的音頻數據,將兩路音頻信號變成單一的數據隊列。  
 (2)字段選擇信號 /幀時鐘信號LRCLK:低電平時傳左聲道數據,高電平時傳右聲道數據。
 (3)串行時鐘信號SCLK /位時鐘信號BCLK。

在I2S/PCM接口的ADC/DAC系統中,除了BCLK和FS(LRCLK)外,CODEC經常還需要控制器提供MCLK (Master Clock),這是由CODEC內部基於Delta-Sigma (ΔΣ)的架構設計要求使然。MCLK時鐘頻率一般爲256*FS,具體參考特定器件手冊。

3.AC97

 AC'97(Audio Codec 1997)是以Intel爲首的五個PC廠商Intel、Creative Labs、NS、Analog Device與Yamaha共同提出的規格標準。與PCM和IIS不同,AC'97不只是一種數據格式,用於音頻編碼的內部架構規格,它還具有控制功能。AC'97採用AC-Link與外部的編解碼器相連,AC-Link接口包括位時鐘(BITCLK)、同步信號校正(SYNC)和從編碼到處理器及從處理器中解碼(SDATDIN與SDATAOUT)的數據隊列。AC'97數據幀以SYNC脈衝開始,包括12個20位時間段(時間段爲標準中定義的不同的目的服務)及16位“tag”段,共計256個數據序列。例如,時間段“1”和“2”用於訪問編碼的控制寄存器,而時間段“3”和“4”分別負載左、右兩個音頻通道。“tag”段表示其他段中哪一個包含有效數據。把幀分成時間段使傳輸控制信號和音頻數據僅通過4根線到達9個音頻通道或轉換成其他數據流成爲可能。與具有分離控制接口的IIS方案相比,AC'97明顯減少了整體管腳數。一般來說,AC'97編解碼器採用TQFP48封裝。

4.PDM(脈衝密度調製)

是一種使用二進制數0,1表示模擬信號的調製方式。在PDM信號中,模擬信號的幅值使用輸出脈衝對應區域的密度表示。

在PDM輸出麥克風內部,可以發現一個小型ADC IC(調製器),其用於將MEMS傳感器輸出的模擬信號轉換爲PDM信號流。這種音頻轉換器技術所生成的信號,其低頻頻譜接近所需音頻信號,而高頻寄生部分的頻率在某個拐點頻率之上隨頻率上升快速升高,基本落在最終產品需要使用的音頻頻率範圍之外。

對於每一個採樣點,用1bit就可以記錄,也就是說,僅僅用表示“否”的“0”和表示“是”的“1”去記錄這一個採樣點的電平值。

DSD的編碼過程中,對信號進行量化的方式和PCM完全不一樣。具體原理如下:

(1)首先是Δ調製這個概念
試想一下,我們不像PCM那樣用一組規定的電平值去度量,而是隻使用一個固定的差值Δ去度量原始模擬信號。依然是隔一段時間間隔取一次樣,每次取樣得到的電平會拿來與上一次取樣的信號進行比較,如果其差值大於Δ,則輸出1(0),否則輸出爲0(1)。於是每個採樣點就能以1bit的形式來表示,而不是像PCM、I2S用8位、16位的量化深度去表示。

但是Δ調製有着一個缺點,就是隨着輸入模擬信號的頻率增高,信噪比SNR會急劇下降。我們可以通過減小Δ的值,並且增大采樣頻率,來控制量化噪聲(通過增大采樣頻率和減小Δ值來使確保採樣的電平差值不會過大)。

PDM的主體思想就是這樣,每一個採樣的值是上一個採樣的相對值,前後採樣點相互連繫密不可分。這種量化方式的思想因爲其連續性,更加接近自然中的聲音。

爲了克服Δ調製的缺陷,發展出了∑-Δ調製器(Sigma-Delta Modulator)
如圖,如果我們在信號的輸入端再加一個差分器,信號從差分器正相輸入,然後通過一個積分器,然後到Δ調製器(A/D),把Δ調製後的結果進行一次D/A轉換,並且延時輸入到差分器的反相端作爲反饋,這就是一個完整的∑-Δ調製器了(應該都知道∑是什麼意思)。

輸入信號被髮送到差分區,在差分塊中從中減去反饋信號。產生的信號被髮送到積分器,積分器的輸出作用於比較器。比較器將參考電壓與積分器的輸出進行比較,並相應地產生“0”或“1”。

反過來,DAC由ADC輸出的0和1去產生兩個可用參考電壓(最高電平或最低電平)。該參考電壓被反饋到差值區。這個差分放大器的反饋設計使得DAC的輸出平均值等於輸入信號。DAC的輸出是輸入信號的模擬表示,即調製器的輸出。

整體的量化方式思路還是和Δ調製類似,不過反饋迴路差分放大器的反相輸入端的電平爲整個信號的最大值(邏輯1對應的模擬電壓)或最小值(邏輯0對應的模擬電壓),即Δ調製輸出1,則反饋回Vmax,輸出0,則反饋回Vmin,兩者均爲固定值。

也就是說積分器積分的是輸入電平與最高或最低電平的差值,然後我們再對積分後結果進行一次Δ調製(這個過程可能不是那麼容易想通,把原信號當成是某函數f(x)的導數,然後我們對f(x)來進行Δ調製量化,這樣也許會更好理解一點)。

這樣一來,量化的對象就變成了當前信號電平和先前所有差值和的差值,量化電平不再會受頻率影響,最大量化範圍直接取決於電平值。反饋中加入的延時電路使得∑-Δ調製器有着噪聲整形的特徵,一階的∑-Δ調製器的噪聲整形效果不明顯,但是我們可以把多階∑-Δ調製器疊加到一起,使得噪聲整形效果達到一個較高水平。

這個噪聲整形的具體結果就是,量化噪聲總體量沒有變,但是不是平均分佈在所有頻段上,低頻段的量化噪聲會較少,而高頻的量化噪聲會較多.也就是說,量化噪聲被"推擠"到了高頻中.在音頻應用中,大部分量化噪聲被推擠到了遠超過20kHz的高頻,也就是人耳聽不到的頻段,利用一個低通濾波就可以很簡單地把這些噪聲給幹掉了。

PDM就是經過了以上的∑-Δ調製而得到的數字信號,如果把這一連串數字信號放在同一標尺上和原始信號相比,會發現數字"0"和"1"隨着信號電頻的增減成都而密度產生相應變化,所以稱爲是脈衝密度調製(Pulse Density Modulation)。

從實際工程設計的角度來看,典型PDM麥克風應有電源引腳、接地引腳,當然還需要時鐘輸入引腳、數據輸出引腳和通道選擇引腳。根據通道選擇引腳的狀態,麥克風的輸出在時鐘信號處於低電平或高電平狀態爲活躍狀態,在另一狀態下處於高阻抗。這種聰穎的設計意味着可以用一根話筒線多路複用兩個麥克風,這樣立體聲PDM接口僅需兩根線纜,即時鐘輸出線纜和一根同時支持兩個聲道的數據返回線。任何使用這種類型的數字麥克風接口的解決方案都會自動解複用出現在輸入數據線上的兩個信號。

在以PDM方式作爲模數轉換方法的應用接收端,需要用到抽取濾波器(Decimation Filter)將密密麻麻的0和1代表的密度分量轉換爲幅值分量。

PDM方式的邏輯相對複雜,但它只需要兩根信號線,即時鐘和數據。PDM在諸如手機和平板等對於空間限制嚴格的場合有着廣泛的應用前景。在數字麥克風領域,應用最廣的就是PDM接口,其次爲I2S接口。PDM格式的音頻信號可以在比如LCD屏這樣Noise干擾強的電路附近走線(等於沒說,這裏指數字信號抗干擾能力相比於模擬信號更強,同樣PCM也具有此優勢)。

                                                         PDM連接示意圖(2發送設備 + 1接收設備)

通過PDM接口方式,傳輸雙聲道數據只要用到兩根信號線。如圖21示意兩個PDM接口的發送設備與同一個接收設備的連接情況,比如Source 1、2分別作爲左右聲道的麥克風,通過這種方式可以將採集到的雙聲道數據傳送到接收設備。主設備(此例中作爲接收設備)爲兩個從設備提供時鐘,分別在時鐘的上升沿和下降沿觸發選擇Source 1/2作爲數據輸入。圖22爲Maxim的Class-D類型功放MAX98358對PDM接口時序的要求,可以看到它在PDM_CLK的上升沿採樣左聲道數據,在PDM_CLK下降沿採樣右聲道數據。

                                                                                        PDM時序框圖

基於PDM的架構不同於I2S和TDM之處在於,抽取濾波器(Decimation Filter)不在發送設備,而在接收設備內部。源端輸出是原始的高採樣率(oversample)調製數據,如Sigma-Delta調製器的輸出,而不是像I2S中那樣的抽取數據(An I2S output digital microphone includes the decimation filter, so its output is already at a standard audio sample rate that's easy to interface to and process.)。基於PDM接口的應用降低了發送設備的複雜性,由於作爲接收設備的CODEC內部集成抽取濾波器,因此係統整體複雜度大大降低。對於數字麥克風而言,通過使用面向CODEC或處理器製造的更精細硅工藝,而非傳統麥克風使用的工藝,可以實現更高效率的抽取濾波器。

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