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【整理】常用音频接口:TDM,PDM,I2S,PCM

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折腾:

【整理】SoC CPU MEDIATEK MT8516详解

期间,看到T8516介绍中包含

麦克风语音输入控制和连接的音频产品中包含 I2Sx2(4 个频道)、TDM(最多 8 个频道)和 PDM 输入(2 个频道)等广泛的接口。

不太熟悉TDM和PDM,所以去找找。

tdm 音频接口

硬件基础知识(14)—I2S、PDM、TDM选什么音频接口 – zhangbijun1230的专栏 – CSDN博客

TDM格式介绍 – 音频数据传输的常见IC间数字接口介绍 – 音频技术 – 电子发烧友网

音频接口设计详解!智能硬件设计,I2S、PDM、TDM选什么接口?

pcm i2s pdm tdm

数字音频接口 – 第22条军规

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/technical-articles/MS-2275.pdf

Difference between PDM and i2s Digital Microphones? – Q&A – Audio – EngineerZone

【话说硬件产品经理这些年】——3、接口部件选型 | 音频选型 – 简书

I2S PCM温故知新_apple_新浪博客

【总结】

之前知道I2S和PCM,但是没听过TDM和PDM。

而对于这些技术的细节,不太懂,也不需要太懂。

下面主要从典型使用场景来解释具体区别和用法:

先解释

【音频背景知识】

  • 音频类型

    • analog audio=模拟音频

      • 就是功放输出的,驱动音箱和喇叭的音频

      • 模拟麦克风采样回来的数据也是模拟音频

        • 通常会有单端或差分两种信号

    • digital audio=数字音频

      • 不能直接驱动喇叭

        • 必须要通过DAC转换成模拟音频,才能发出声音来

      • 音频数字化后的编码格式

        • PCM

        • PDM

  • 音频传输场景 -》不同类型的接口

    • 同一块电路板内部的:IC芯片和IC芯片之间(传输音频数据)

      • I2S

      • TDM

      • PDM

    • 电路板A和电路板B之间的:用电缆数据线连接(传输音频数据)

      • PCM ?

        • PCM接口常用于板级音频数字信号的传输

      • S/PDIF

      • Ethernet AVB

    • 电脑PC的Audio子系统声卡的应用

      • Intel HDA (Intel High Definition Audio)

相关:

【整理】什么是Audio Amplifier IC音频功放芯片和Audio Pre-Amplified IC

【音频芯片设计历史演化】

典型的音频的输入和输出的处理过程:

现代产品设计中用到的音频芯片(audio IC),尺寸越来越小

传统的音频芯片都是模拟芯片的尺寸较大,使用器件较多,所以越来越不适用

-》对比:

  • 图1:传统的音频电路:中有麦克风、前置放大器、模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、输出放大器,以及扬声器,它们之间使用模拟信号连接

  • 图2:全数字音频电路:数字麦克风、DSP、输出放大器,以及扬声器,它们之间使用模拟信号连接

-》所以越来越多的音频都采用数字芯片了

且:抗干扰能力更强,硬件设计更简单

-》数字音频,就涉及到 接口定义,传输格式等内容,统称为:

DAI=Digital Audio Interfaces=数字音频接口

-》所以现在音频数据的传输,更多的涉及到了,上面提到的:

同一块电路板内部的:IC芯片和IC芯片之间

所以才有了先后的不同的音频传输标准的出现:I2S,TDM,PDM等等。

【常见音频(传输)接口/标准总结】

音频接口
中文+全称
主要(技术+应用)场景
备注说明
PCM
Pulse Code Modulation
=脉冲编码调制
AP处理器和通信MODEM/蓝牙之间也是通过PCM来传输语音数据(就是双向打电话的数据)
通过等时间隔(即采样率时钟周期)采样将模拟信号数字化的方法
4-bit PCM的采样量化
接口上传输的音频数据通过PCM方式采样得到的
I2S
Inter-IC Sound
=Integrated Interchip Sound
=IIS
=IC间音频
最早的:CD播放器
I2S速度快,专门用于传音乐
飞利浦在1986年定义(1996年修订)的数字音频传输标准,用于数字音频数据在系统内部器件之间传输,例如编解码器CODEC、DSP、数字输入/输出接口、ADC、DAC和数字滤波器等。
I2S是比较简单的数字接口协议,没有地址或设备选择机制
在I2S总线上,只能同时存在一个主设备和发送设备。
主设备可以是发送设备,也可以是接收设备,或是协调发送设备和接收设备的其它控制设备。
在I2S系统中,提供时钟(SCK和WS)的设备为主设备。
I2S设备连接示意图
在高端应用中,CODEC经常作为I2S的主控设备以精确控制I2S的数据流。
多数音频ADC、DAC、DSP,与采样速率转换器,以及一些微控制器都带有I2S接口。
I2S包括两个声道(Left/Right)的数据,在主设备发出声道选择/字选择(WS)控制下进行左右声道数据切换。
一般只支持1路音频数据
通过增加I2S接口的数目或其它I2S设备可以实现多声道(Multi-Channels)应用。
TDM
Time Division Multiplexing
=时分复用
I2S只能传2个声道的数据
->
PCM可以传多达16路数据,采用时分复用的方式,就是TDM
->像现在最流行的语音智能音箱的7麦克风矩阵,一般都是用TDM来传的数据,同时可以传输7路麦克风输入和3路以上的音频反馈信号
TDM不像I2S有统一的标准,不同的IC厂商在应用TDM时可能略有差异,这些差异表现在时钟的极性、声道配置的触发条件和对闲置声道的处理等。
特点:
比I2S节省管脚数量
支持多路传输
最多支持16路=16通道
TDM系统框图
PDM
Pulse Density Modulation
=脉冲分时复用
手机和平板电脑等便携设备的音频
PDM在诸如手机和平板等对于空间限制严格的场合,即尺寸受限应用中优势明显,有着广泛的应用前景
-》在数字麦克风应用很广
手机cpu到蓝牙的通话实时音频和mp3
codec的音频接口
一种用数字信号表示模拟信号的调制方法
PCM使用等间隔采样方法,将每次采样的模拟分量幅度表示为N位的数字分量(N = 量化深度),因此PCM方式每次采样的结果都是N bit字长的数据。
PDM,只有2根线,传音乐,编码方式和I2S不同。
PDM方式表示的正弦波
PDM格式的音频信号可以在比如LCD屏这样Noise干扰强的电路附近走线(等于没说,这里指数字信号抗干扰能力相比于模拟信号更强,同样PCM也具有此优势)
基于PDM的架构不同于I2S和TDM之处在于,抽取滤波器(Decimation Filter)不在发送设备,而在接收设备内部。源端输出是原始的高采样率(oversample)调制数据,如Sigma-Delta调制器的输出,而不是像I2S中那样的抽取数据。基于PDM接口的应用降低了发送设备的复杂性,由于作为接收设备的CODEC内部集成抽取滤波器,因此系统整体复杂度大大降低。对于数字麦克风而言,通过使用面向CODEC或处理器制造的更精细硅工艺,而非传统麦克风使用的工艺,可以实现更高效率的抽取滤波器。

综合解释:

  • 传输单声道数据:PCM

    • 比如:麦克风

  • 传输双声道数据:I2S

  • 传输两个及以上声道的数据:TCM

PCM vs PDM:

  • PCM:

    • 使用等间隔采样方法:将每次采样的模拟分量幅度表示为N位的数字分量(N = 量化深度)

    • 每次采样的结果都是N bit字长的数据

    • 逻辑更加简单

    • 需要用到数据时钟,采样时钟和数据信号三根信号线

  • PDM:

    • 使用远高于PCM采样率的时钟采样调制模拟分量

      • PDM采样的音频数据 也常被叫做:Oversampled 1-bit Audio

    • 只有1位输出:要么为0,要么为1

    • 逻辑相对复杂

    • 只需要两根信号线,即时钟和数据

另外:

  • AC’97

    • 不只是一种数据格式:用于音频编码的内部架构规格

      • 还具有控制功能

    • 比I2S优点:明显减少了整体管脚数

    • 一般来说,AC’97编解码器采用TQFP48封装

  • USB:

    • 在很多外接的音频模块上,用的是USB音频

    • 像科大讯飞的多mic降噪模块,用的就是usb接口,方便调试

      • 不管用的什么接口,传输的都是PCM或者PDM编码的数字音频

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