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 2019-11-02T20:51:06.511000    |      驱动开发    |     AilsonJack    |     暂无评论    |     2337 views
这篇文章总结了I2S协议的一些知识点,作为自己以后调试音频的参考,当然了文章中的内容也参考了一些网友的总结。一、数字音频技术1.声音数字化概念及过程现实生活中的声音是通过一定介质传播的连续的波,它可以由周期和振幅两个重要指标描述。正常人可以听到的声音频率范围为 20Hz~20KHz。现实存在的声音是模拟量,这对声音保存和长距离传输造成很大的困难,一般的做法是把模拟量转成对应的数字量保存,在需要还原声音的地方再把数字量的转成模拟量输出如下图所示:模拟量转成数字量一般可以分为三个过程,分别为采样、量化、编码,如下图所示。用一个比源声音频率高的采样信号去量化源声音,记录每个采样点的值,最后如果把所有采样点数值连接起来与源声音曲线是互相吻合的,只是它不是连续的。在图中,两条蓝色虚线距离就是采样信号的周期,即对应一个采样频率(FS),可以想象得到采样频率越高最后得到的结果就与源声音越吻合,但此时采样数据量越越大,一般使用 44.1KHz 采样频率即可得到高保真的声音。每条蓝色虚线长度决定着该时刻源声音的量化值,该量化值有另外一个概念与之挂钩,就是量化位数。量化位数表示每个采样点用多少位表示数据范围,常用有 16bit、 24bit 或 32bit,位数越高最后还原得到的音质越好,数据量也会越大。2.声音数字化三要素采用频率:每秒钟抽取声波幅度样本的次数。采样频率越高,声音质量越好,数据量也越大。常用的采样频率有11.025KHz,22.05KHz,44.1KHz,48KHz,96KHz等。量化位数:每个采样点用多少二进制位表示数据范围。量化位数也叫采样位数。量化位数越多,音质越好,数据量也越大。常用的采样位数有8位,16位,24位,32位等。声道数:使用声道的个数。立体声比单声道的表现力丰富,但是数据量翻倍。常用的声道数有单声道,立体声(左声道和右声道)。3.声音数字化的数据量声音数字化后的数据量计算公式为:音频数据量 = 采样频率(Hz) * 量化位数 * 声道数 / 8,单位:字节/秒。这里举个例子:对一个声音信号进行数字化处理,采样频率为44.1KHz,量化位数为16位,那么:单声道的音频数据量为:44100 * 16 * 1 / 8 = 88200 字节/秒;立体声的音频数据量为:44100 * 16 * 2 / 8 = 176400 字节/秒。4.声卡声卡是负责录音、播音和声音合成的一种多媒体板卡。其功能包括:(1).录制、编辑和回放数字音频文件;(2).控制和混合各声源的音量;(3).记录和回放时进行压缩和解压缩;(4).语音合成技术(朗读文本);(5).具有MIDI接口(乐器数字接口)。声卡的芯片类型:(1).CODEC芯片(依赖CPU,价格便宜);(2).数字信号处理器DSP(不依赖CPU)。二、I2S总线协议1.I2S总线概述音响数据的采集、处理和传输是多媒体技术的重要组成部分。众多的数字音频系统已经进入消费市场,例如数字音频录音带、数字声音处理器。对于设备和生产厂家来说,标准化的信息传输结构可以提高系统的适应性。I2S(Inter-IC Sound)总线, 又称集成电路内置音频总线,是飞利浦半导体公司(现为恩智浦半导体公司)针对数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。该总线专门用于音频设备之间的数据传输,广泛应用于各种多媒体系统。它采用了沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计,通过将数据和时钟信号分离,避免了因时差诱发的失真,为用户节省了购买抵抗音频抖动的专业设备的费用。2.I2S信号线I2S总线主要有3个信号线:(1).串行时钟SCK串行时钟SCK,也叫位时钟BCLK,对应数字音频的每一位数据,SCK都有1个脉冲。SCK的频率 = 声道数 * 采样频率 * 采样位数。(2).字段选择信号WS字段选择信号WS,也叫LRCLK,用于切换左右声道的数据。WS的频率 = 采样频率。字段选择信号WS表明了正在被传输的声道。I2S Philips标准WS信号的电平含义如下:WS为0,表示正在传输的是左声道的数据;WS为1,表示正在传输的是右声道的数据。(3).串行数据SD串行数据SD,就是用二进制补码表示的音频数据。I2S串行数据在传输的时候,由高位(MSB)到低位(LSB)依次进行传输。(4).主时钟MCLK一般还有MCLK,主时钟。MCLK的频率 = 128或者256或者512 * 采样频率。对于系统而言,能够产生SCK和WS的信号端就是主设备,用MASTER表示,简单系统示意图如下:3.几种常见的I2S数据格式随着技术的发展,在统一的I2S硬件接口下,出现了多种不同的I2S数据格式,可分为左对齐(MSB)标准、右对齐(LSB)标准、I2S Philips 标准。对于所有数据格式和通信标准而言,始终会先发送最高有效位(MSB 优先)。发送端和接收端必须使用相同的数据格式,确保发送和接收的数据一致。(1).I2S Philips 标准使用LRCLK信号来指示当前正在发送的数据所属的声道,为0时表示左声道数据。LRCLK信号从当前声道数据的第一个位(MSB)之前的一个时钟开始有效。LRCLK信号在BCLK的下降沿变化。发送方在时钟信号BCLK的下降沿改变数据,接收方在时钟信号BCLK的上升沿读取数据。正如上文所说,LRCLK频率等于采样频率Fs,一个LRCLK周期(1/Fs)包括发送左声道和右声道数据。对于这种标准I2S格式的信号,无论有多少位有效数据,数据的最高位总是出现在LRCLK变化(也就是一帧开始)后的第2个BCLK脉冲处。这就使得接收端与发送端的有效位数可以不同。如果接收端能处理的有效位数少于发送端,可以放弃数据帧中多余的低位数据;如果接收端能处理的有效位数多于发送端,可以自行补足剩余的位。这种同步机制使得数字音频设备的互连更加方便,而且不会造成数据错位。I2S Philips 标准时序图如下所示:(2).左对齐(MSB)标准在LRCLK发生翻转的同时开始传输数据。该标准较少使用。注意此时LRCLK为1时,传输的是左声道数据,这刚好与I2S Philips标准相反。左对齐(MSB)标准时序图如下所示:(3).右对齐(LSB)标准声音数据LSB传输完成的同时,LRCLK完成第二次翻转(刚好是LSB和LRCLK是右对齐的,所以称为右对齐标准)。注意此时LRCLK为1时,传输的是左声道数据,这刚好与I2S Philips标准相反。右对齐(LSB)标准时序图如下所示:如果觉得文章写的不错,对你有帮助,欢迎点赞,关注博主哟!
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