音頻信號類型及協議基礎知識


一、模擬信號

    智能硬件產品中,模擬音頻主要用在:喇叭播放聲音、Line-in外接音源、麥克風輸入等。通常看到的音頻波形,都是模擬音頻,能夠和聲音實際的波動完全對應起來。 

  

 

 

當前有不少音頻產品使用D類音頻功放,輸出波形看起來是方波,但實際上還是屬於模擬音頻類型。是高頻載波疊加的模擬音頻的波形,經過LC濾波之后能夠還原成模擬音頻波形。

如下圖,下半部分是D類功放輸出的方波狀的音頻信號,上半部分的正玄波是還原出來的模擬音頻波形。

 

二、數字信號(I2S/PCM/TDM/PDM/SPDIF

1.IIS(I2S):  Philips Inter-IC sound Bus,一根data線最多2 channel數據。

  I2S(Inter-IC Sound Bus)是飛利浦公司為數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標准。在飛利浦公司的I2S標准中,既規定了硬件接口規范,也規定了數字音頻數據的格式。

  特點 :效率高主要傳輸音樂。

    (1)從MCU往Codec傳音樂數據,一般使用I2S。先傳高位再傳低位,數據的MSB從LRCLK邊沿起延遲1 BCLK。包含三個時鍾:

  • 主時鍾(MCLK)系統時鍾,一般是12.288MHz  18.432MHz等 ,一般是位時鍾(Bclk)的256倍或384倍;
  • 左右聲道幀時鍾(LRCLK)低電平左聲道 高電平右聲道;
  • 位時鍾(BCLK,也有叫串行 )傳輸一位數據的時鍾周期;

    (2)對齊方式
    左對齊 :數據的MSB在LRCLK邊沿起第一個BCLK上升沿  用的比較少
    右對齊 :數據的LSB靠左LRCLK的上升沿    sony使用這種格式
    (3)電壓(TTL) 輸出 VL <0.4V     VH>2.4V   輸入電壓 VIL=0.8V   VIH=2.0V

                                    IIS標准格式
   

                                    右對齊模式

                                    左對齊模式

 

2.PCM:  區別於PCM編碼,也是種通訊協議,主要傳送語音。PCM(PCM-clock、PCM-sync、PCM-in、PCM-out)脈沖編碼調制,模擬語音信號經過采樣量化以及一定數據排列就是PCM。

      PCM和I2S差不多,也是4根線,通常用於AP處理器和通信MODEM之間傳輸語音數據(就是雙向打電話的數據)。

  long frame 模式下,LRCK脈沖寬度占2個BCLK時鍾周期。

       short frame模式下,LRCK 只占一個BCLK時鍾周期,如下圖:

 

 

  另外I2S只能傳2個聲道的數據,PCM可以傳多達16路數據,采用時分復用的方式,就是TDM。像現在最流行的語音智能音箱的7麥克風矩陣,一般都是用TDM來傳的數據,同時可以傳輸7路麥克風輸入和3路以上的音頻反饋信號。AP處理器和藍牙之間也是通過PCM來傳輸語音數據,打電話的藍牙數據走的是PCM,放音樂的藍牙數據走的是串口(不是PCM)。

 

3.TDM: 包括PCM format 和 I2S format,下圖是TDM-I2S Mode, 在I2S format下傳輸多channel。

4.PDM :只有2根線,傳音樂,編碼方式和I2S不同

  聲音通過聲學傳感器獲得模擬信號,經過AD,得到音頻數字信號,然后再經過PDM(Pulse Density Modulation)脈沖密度調制(通俗理解就是利用脈沖的密度來表示模擬信號的強度),一般MCU接收到PDM需經過以下步驟才能得到音頻信號:

    

 

   很多數字麥克風使用的PDM接口,有數據和時鍾兩根線。PDM接口和I2S最大的區別是編碼方式不同。

   

                    PDM和I2S接口的數字麥克風

 

5.SPDIF:Sony/Philips Digital Interface 是SONY、PHILIPS數字音頻接口的簡稱。

  •  傳輸方式而言,SPDIF分為輸出(SPDIF OUT)和輸入(SPDIF IN)兩種.
  • 傳輸載體而言,SPDIF又分為同軸和光纖兩種,其實信號是相同的.
  • S/PDIF往往被用來傳輸壓縮過的音頻訊號,它由 IEC 61937標准而定制。
  • 它通常被用在支持杜比技術或DTS 環繞效果的家用DVD影院上。

6.A2B (Automotive Audio Bus):車載音頻總線,ADI 針對 車內解決復雜布線 設定的協議   有主機 和從機 支持幻象供電 最多32路數據 雙絞線 可以傳輸I2C 控制信號及數據。

7.USB : 很多外接的音頻模塊上,用的是USB音頻。像科大訊飛的多mic降噪模塊,用的就是usb接口,方便調試。但是萬變不離其宗,不管用的什么接口,傳輸的都是PCM或者PDM編碼的數字音頻。

 

 

三、ARC/eARC

 

1.ARC:「音頻回傳信道」( Audio ReturnChannel), 是2009年HDMI論壇提出HDMI1.4版時所增加的附加功能。如果你用電視連接有線電視機頂盒或是其它的信號源,又嫌電視機本身的音效不夠好,可以透過數字光纖或數字同軸將音頻輸出給其它的音響器材,以獲得較佳的聲音質量。如果電視與環繞放大機兩方均搭載HDMI1.4端口(或高於HDM1.4版本),就可以讓環繞放大機的音效從電視回傳給環繞放大機或是其它的音響器材,讓音響系統能取代電視喇叭發聲,等於可以減化線材的連接,你只要用一條HDMI線,就可以從環放傳送影音頻號給電視,必要時,這條HDMI線也可以把電視的音效回傳給環繞放大機。

        

 

 

 

 

2.eARC: 2017年時HDMI論壇提出HDMI2.1版時,也就是 「 增強版音頻回傳信道」(Enhanced AudioReturn Channel) 功能的意思。和先前的ARC技術相比eARC提升很多, 在音頻傳輸能力方面,eARC的最大資料率可以達到37Mbps左右( ARC僅有1~3Mbps左右),是十幾倍的成長,這讓eARC不僅能傳送無壓縮的5.1或7.1多聲道音頻(也就是Dolby True HD和DTS HD-MA),而且還能傳送先進的「物體導向」音頻(也就是Dolby Atmos和DTS:X),至此,網絡串流的影音規格有很大部分趕上了4K藍光光盤的規格。 相比之下,舊有的ARC只支持Dolby Digital、DTS、PCM 2.0...這類上一代的聲音格式,已經不符合今日的需求。 而eARC的誕生,也促使Netflix在提供網絡影片時增加Dolby Atmos音效的比例。

          

 


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