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| 音頻接口設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享：從I2S到TDM，如何做好音頻系統(tǒng)的傳輸設(shè)計(jì) |
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| 文章來源：永阜康科技 更新時(shí)間：2024/10/31 14:49:00 |
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在音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，接口選擇與設(shè)計(jì)不僅決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，還對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有著至關(guān)重要的影響。從I2S到TDM，再到PDM，不同的音頻接口各有特點(diǎn)，適用于不同的場景。今天，我們將結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，深入解析這些接口的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助你在硬件開發(fā)中更好地優(yōu)化音頻傳輸。
一、常見音頻接口與使用場景
在數(shù)字音頻系統(tǒng)中，I2S、PCM（TDM）、PDM等接口是最常見的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于各類音頻設(shè)備。簡單來說：
- I2S 和 PCM（TDM）：傳輸?shù)氖?/span>PCM編碼格式的音頻數(shù)據(jù)，主要用于音頻編解碼器（CODEC）與主控制器之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸。
- PDM接口：傳輸PDM編碼格式的音頻數(shù)據(jù)，常用于數(shù)字麥克風(fēng)，尤其適合對(duì)空間有嚴(yán)格要求的設(shè)備，如手機(jī)和平板。
二、I2S接口：經(jīng)典且實(shí)用
2.1 I2S是什么？
I2S（Inter-IC Sound）接口是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間傳輸音頻數(shù)據(jù)而提出的標(biāo)準(zhǔn)。它主要用于主控芯片與音頻編解碼器之間的數(shù)據(jù)傳輸。在很多音頻產(chǎn)品中，I2S已經(jīng)成為標(biāo)配，比如耳機(jī)、藍(lán)牙音箱、數(shù)字音頻播放器等。
- CK（位時(shí)鐘，BCLK）：同步每一位音頻數(shù)據(jù)。對(duì)于立體聲雙聲道的音頻，SCK頻率 = 2 × 采樣率 × 采樣位數(shù)。
- WS（字段選擇信號(hào)，LRCK）：用于切換左右聲道。WS = 1表示左聲道，WS = 0表示右聲道。
- SD（串行數(shù)據(jù)信號(hào)）：傳輸實(shí)際的音頻數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)同時(shí)支持錄音和放音，則需兩根數(shù)據(jù)線，分別傳輸錄音（ADCDAT）和放音（DACDAT）數(shù)據(jù)。
有時(shí)還會(huì)引入一個(gè)MCLK（主時(shí)鐘）信號(hào)，通常為采樣率的256或384倍，用于更好地同步音頻編解碼器和主控芯片。
2.2 I2S的實(shí)際應(yīng)用
I2S廣泛應(yīng)用于小型音頻設(shè)備中，比如耳機(jī)、音箱等。我們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)藍(lán)牙音箱時(shí)，使用I2S接口將藍(lán)牙模塊與DAC相連，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的立體聲音頻傳輸。設(shè)計(jì)中，I2S接口不但簡潔，而且能確保音頻傳輸?shù)姆�(wěn)定性和同步性，尤其適合高保真音頻應(yīng)用。
2.3 I2S的時(shí)序格式
根據(jù)數(shù)據(jù)的對(duì)齊方式，I2S有兩種常見的時(shí)序格式：
- 左對(duì)齊（Left Justified）：MSB在LRCK邊沿后的第一個(gè)BCLK上升沿傳輸。
- 右對(duì)齊（Right Justified）：LSB緊跟LRCK上升沿傳輸，Sony音頻設(shè)備常用。
三、PCM（TDM）接口：高效的多通道傳輸
3.1 PCM接口是什么？
PCM（脈沖編碼調(diào)制）接口是另一種常見的音頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，類似于I2S，但它更適合語音數(shù)據(jù)的傳輸。PCM接口通常用于處理器與通信MODEM之間的雙向語音傳輸，比如手機(jī)打電話時(shí)的音頻數(shù)據(jù)。
3.2 PCM接口的組成
- PCM_CLK：數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)。
- PCM_SYNC：幀同步信號(hào)，用于指示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。
- PCM_OUT：發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。
3.3 TDM與PCM的關(guān)系
TDM（時(shí)分多路復(fù)用）是一種在PCM基礎(chǔ)上擴(kuò)展出的多通道傳輸技術(shù)。通過TDM，單條數(shù)據(jù)線可在不同時(shí)間片內(nèi)傳輸多個(gè)音頻通道的數(shù)據(jù)。TDM接口常用于需要高效傳輸多路音頻的系統(tǒng)，如混音器、汽車音響等。根據(jù)同步信號(hào)和數(shù)據(jù)的相對(duì)位置，TDM分為模式A和模式B：
- 模式A：數(shù)據(jù)在FSYNC有效后，BCLK的第二個(gè)上升沿有效。
- 模式B：數(shù)據(jù)在FSYNC有效后，BCLK的第一個(gè)上升沿有效。
四、PDM接口：麥克風(fēng)領(lǐng)域的主力
4.1 PDM接口是什么？
PDM（脈沖密度調(diào)制）接口通常用于麥克風(fēng)錄音，它的信號(hào)線極為簡潔，僅需要兩根：
PDM接口在數(shù)字麥克風(fēng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在手機(jī)、平板等對(duì)空間要求嚴(yán)格的設(shè)備中。它通過簡單的線路設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)高效的音頻傳輸，是現(xiàn)代便攜設(shè)備中不可或缺的接口之一。
4.2 PDM的實(shí)際應(yīng)用
我們?cè)谠O(shè)計(jì)多麥克風(fēng)的設(shè)備時(shí)，經(jīng)常使用PDM接口。例如，在某款智能手機(jī)中，多個(gè)麥克風(fēng)通過PDM連接到音頻處理單元，利用這種簡潔的傳輸方式有效節(jié)省了設(shè)備內(nèi)部空間。
五、音頻接口PCB設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)分享
設(shè)計(jì)音頻接口時(shí)，PCB布局和布線對(duì)信號(hào)質(zhì)量至關(guān)重要。以下是我們總結(jié)的幾條經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)你的設(shè)計(jì)有所幫助。
5.1 時(shí)鐘同步：確保信號(hào)一致性
時(shí)鐘信號(hào)是音頻傳輸?shù)暮诵模瑫r(shí)鐘同步不良會(huì)導(dǎo)致音頻信號(hào)失真或丟失。我們建議：
- 等長布線：確保時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線長度一致，避免信號(hào)傳輸中的延時(shí)差異。
- 時(shí)鐘線隔離設(shè)計(jì)：時(shí)鐘線應(yīng)遠(yuǎn)離其他高頻信號(hào)線，以減少干擾。
5.2 數(shù)據(jù)時(shí)序：避免信號(hào)失真
音頻數(shù)據(jù)的時(shí)序控制需要精確，特別是在TDM和PDM接口中，任何微小的時(shí)序誤差都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：
- 減少過孔與轉(zhuǎn)角：布線盡量平直，減少信號(hào)損耗。
5.3 抗干擾：提升音頻系統(tǒng)的可靠性
為了保證音質(zhì)的純凈，抗干擾設(shè)計(jì)非常重要。我們建議使用：
- 差分信號(hào)布線：尤其是I2S和TDM接口中，差分布線可以有效減少共模噪聲，提升抗干擾能力。
- 獨(dú)立電源平面：將音頻系統(tǒng)的電源與其他電路分開，減少電源噪聲的影響。
六、總結(jié)與建議
不同音頻接口各有其特點(diǎn)，選擇合適的接口需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景。對(duì)于簡單的雙聲道音頻系統(tǒng)，I2S是理想的選擇；對(duì)于多通道音頻傳輸，TDM的效率更高；而在麥克風(fēng)等設(shè)備中，PDM以其簡潔的設(shè)計(jì)脫穎而出。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，特別要關(guān)注時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)時(shí)序控制和抗干擾設(shè)計(jì)，以確保音頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高保真音質(zhì)。希望這篇經(jīng)驗(yàn)分享能夠?yàn)槟闾峁┯袃r(jià)值的參考，讓你在音頻設(shè)計(jì)中少走彎路，做出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。 |
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| 產(chǎn)品型號(hào) |
功能介紹 |
兼容型號(hào) |
封裝形式 |
工作電壓 |
備注 |
| ACM8624 |
2×33W, 立體聲輸出(6Ω, 22V, THD+N = 1%)；
1×66W, 立體聲輸出 (3Ω, 22V, THD+N = 1%)
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TAS5805/AD82128/ACM8625/ACM8628 |
TSSOP-28 |
4.5V-26.4V |
33W立體聲/ 66W單聲道、數(shù)字輸入D類音頻功放芯片 |
| ACM8635 |
2×20W+40W, 2.1通道 (2×6Ω+4Ω, 18V, THD+N =10%) |
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QFN-40 |
4.5V-21V |
2×21W+1×42W 2.1聲道數(shù)字輸入D類音頻功率放大器、具有豐富的DSP音效處理以及ClassH動(dòng)態(tài)升壓功能 |
| ACM9634 |
4х25W into 4Ω@14.4V PVDD;
4х45W into 2Ω@14.4V PVDD;
4х75W into 4Ω@25V PVDD |
FDA801 |
LQFP-64 |
4.5V-26.4V |
支持負(fù)載檢測(cè)的4 х 75W、4通道數(shù)字輸入車載D類音頻功率放大器 |
| ACM8687 |
2×41W, 立體聲 (6Ω, 24V, THD+N <1%);
2×33W, 立體聲 (4Ω, 18V, THD+N = 1%) ;
1×82W, 單通道 (3Ω, 24V, THD+N <1%) |
TAS5805/ACM8625/ACM8628/ACM8622/ACM8623 |
TSSOP-28 |
4.5V-26.4V |
內(nèi)置虛擬低音/3D環(huán)繞音效等算法、41W立體聲/82W單通道數(shù)字輸入功放芯片 |
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