「五分钟读懂」芯片常用数字接口(7)I2S

【I2S概述】

I2S(Inter-IC Sound)总线，是Philips公司为数字音频传输制定的总线标准。

【I2S应用框图】

如图1所示，I2S协议定义了3种组网结构。SCK和WS总是有Master发起。系统的Master可以是发送方，也可以是接收方，或者由第三方控制控制。SD在确定应用时方向为确定的，既可以由Master发送，也可以由Slave发送。

【I2S接口信号】

• SCK：串行时钟，由Master控制。
• SD：串行数据。串行化时，按照高位先传的原则进行。I2S标准模式下，当系统位宽比字长长时，低位补充0。MSB在WS变化的下一个周期发送。接收方在上升沿采集数据。
• WS：字线选择指示，由Master控制。在标准模式下，低电平表示左声道，高电平表示右声道。WS在MSB传输的前一个时钟周期跳变。

【I2S接口数据格式】

如图2所示，目前I2S数据格式按照WS和SCK相位的不同，分为三种类型：I2S Philips格式（标准模式），左对齐模式，右对齐模式。这三种模式的可以依靠如下特点简单区分：

• 标准模式：低电平表示左声道，数据在WS跳变后一个周期开始发送
• 左对齐模式：高电平表示左声道且无效数据填充在低位，数据在WS跳变当周期开始发送
• 右对齐模式：高电平表示左声道且无效数据填充在高位，数据在WS跳变当周期开始发送

【I2S接口音频应用】

I2S协议仅简单定义了接口信号、时序、电平等物理接口。数据发送内容、发送位宽、SCK频率、WS频率均没有定义。而实际应用时，因为音频数字化的特点，这些实际上是有明确定义的。为了方便理解，我们先从音频数字化3个关键指标说起：

指标一，采样频率。音频信号为模拟信号，模数转换时需要确定采样频率。人声频率范围为300Hz~3.4KHz，而人的听觉范围为20Hz~20KHz，根据Nyquist采样定理，如果我们的目标是语音通话，那么采样频率必须大于3.4KHz，如果是音频则需要大于40KHz。

常用采样频率如表2所示，表中对不同的应用需求，采样频率做了不同的定义。理论上讲，采样频率越高音质越好，而实际上按照刚好够用的原则，8KHz(>3.4KHz*2)用于语音业务已够用， 44.1/48KHz(>20KHz*2)用于音频已够用。

指标二，量化位数。采样频率是对声音信号在时间轴上的采样精度定义。而量化位宽则是对声音信号在幅度轴上的采样精度定义。假如声音幅度为 V，当量化位数为n时，理想情况下可以简单理解为能够区分V/2^n声音幅度差异。理论上讲量化位数越多，音质越好。常用的采样位数有8位，16位，24位，32位。

指标三，声道数。音频数字化通道个数。一般为单声道，双声道等。

了解了音频数字化的指标后，现在来介绍本节开始提到的I2S协议未定义的内容：

• 发送内容：每次模拟音频采样的AD转换结果
• 发送位宽：量化位宽（或者N位量化位宽+M位0填充)
• WS频率：采样频率
• SCK频率：WS频率*发送位宽*2（声道数）

【后记】

I2S协议WS位宽为1bit，因此限制了其单个I2S接口仅能支持两个声道。在多声道应用时可以采用增加I2S接口数量的方式来实现。

「五分钟读懂」芯片常用数字接口（6） RGMII

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常用数字接口（3） I2C

常用数字接口（2） SPI

常用数字接口（1） UART