I2S/PCM知识点记录

目录

1.常见的音频采样率有两类，一类是48K domain，另一类是44.1KHz domain

2.常见采样深度 【即单声道和单slot位宽】8/12/16/24/32 bit

3.帧结构

4.I2S/PCM允许实际有效采样位宽比传输的位宽小

5.ddr存储对齐        

6.sclk和mclk以及adifclk的产生

6.1误差率分析

6.2 只有偶数分频

7.能否直接用sclk采样sdata、fs/ws

8.信号同步及采样问题

9.关于非标准格式

10.PCM的fs offset和length

11.音频场景的一个特点

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1.常见的音频采样率有两类，一类是48K domain，另一类是44.1KHz domain

48K包括   ：8/16/24/32/48/64/96/192 KHz

44.1K包括：11.025/22.05/44.1/88.2 KHz

2.常见采样深度 【即单声道和单slot位宽】8/12/16/24/32 bit

也有20bit采样深度，但是这种情况对sclk/mclk的需求不能很好的兼容

3.帧结构

对于I2S来说，左右声道一起构成了一帧，所以常见的帧长为16，24，32，48，64bit.

对于pcm来说，两个FS之间的所有slot算一帧，所以常见帧长有16/32/48/64/96/128/192/256bit

4.I2S/PCM允许实际有效采样位宽比传输的位宽小

也就是可以用32bit的单声道/slot位宽来传输8/12/16/20/24bit的音频数据。但是无效数据的分布I2S和PCM略微不一样。

• I2S的有效数据以声道为单位 连续发送，可以左对齐，右对齐，或自定义dataOffset。无效数据部分可以选择传输0或者高阻态(sdo_oen=1)
• pcm的有效数据以帧为单位连续发送，slot之间没有间隙，有效数据可以在两个fs上升沿之间的任意位置【标准pcm是在fs上升沿，下一个sclk发送有效数据】。无效数据部分可以选择传输0或者高阻态(sdo_oen=1)

5.ddr存储对齐        

        在ddr中，音频数据总是8/16/32bit存储的，比如说对于24bit的音频，从ddr中读出来都是32bit，其中高8bit无效，那么在串并转换的时候，只从[0] ,[1], ...., [23]bit输出【lsb优先】。反过来24拍串行数据移位到32bit寄存器，然后将32bit写到DDR。

6.sclk和mclk以及adifclk的产生

sclk(bclk)：是bit位clk，和串行传输的bitRate相等。也等于 采样率x帧长。

采样率：对于I2S来说就是ws(lrclk)的频率；对于PCM来说就是fs的间隔频率

mclk：在I2S/PCM接口的ADC/DAC系统中，除了SCK和WS外，CODEC经常还需要控制器提供MCLK (Master Clock)，这是由CODEC内部基于Delta-Sigma (ΔΣ)的架构设计要求使然。其主要原因是因为这类的CODEC没有所谓提供芯片的工作时钟晶振电路。它需要外部的时钟提供内部PLL。一般是256Fs或384Fs

        既然mclk就是256Fs或者384Fs，那么是否可以直接使用mclk作为音频的主要工作频率呢？答案是肯定的，因为常见帧长16/32/64/128/256的音频都可以直接对256Fs的mclk得到，而24/48/96/192的帧长可以对384Fs的mclk直接分频。

        那么为什么还要有adifclk呢？因为mclk要么来自片外输入，要么片内通过晶振-->PLL分频出来；如果只有片外输入的mclk，自然就不存在adifclk什么事了，这里讨论片内晶振--->PLL来产生mclk。因为mclk是和FS频率有关的变化量，如果直接用PLL产生，那么需要经常调节PLL的参数，等待PLL稳定的时间比较长，如果可以找到所有mclk的公倍数，那么就可以通过这个clk在逻辑设计中用整数分频得到。而adifclk就是这个所有mclk的公倍数。

        首先对192Kx256和88.2Kx256寻找一个公倍数，结果就是7225344KHz，分别是192Kx256的147倍频和88.2Kx256的320倍频。但是这个7225344KHz频率太大了。所以最好是对192K和88.2K分两类独立出频点。

        对于48K domain来说，分析所有sclk可得，帧长和采样率要么是2^n要么是3x2^n,最差的情况是帧长和采样率都是3x2^n,那么公倍数必然要求具有9x2^n形式，又该频率大于等于256×max(Fs)=49.152MHz，但49.152MHz只是3x2^n, 所以满足条件的最小公倍数为adifclk=49.152Mx3/2=73.728MHz=3x(3x32x2)x128.

        同理得到44.1K domain的最小公倍数频率只需满足11.025x3x2^n且大于等于88.2Kx256即可。adifclk=67737.6KHz=3x11.025x8x256KHz.

        综上我们得到

        8/16/24/32/48/64/96/192 KHz采样率，8/12/16/24/32采样深度，最大帧长256时的adifclk为73.728MHz

        11.025/22.05/44.1/88.2 KHz采样率，8/12/16/24/32采样深度，最大帧长256时的adifclk为67.7376MHz

        得到adifclk，在得到mclk和sclk就需要逻辑支持整数倍占空比为50%的分频逻辑【网上大把奇偶占空比50%的数字分频教程】。

        另外为了能够高精度的调整输入 sclk/fs/sdi的相位，我们可以在把上面得到的adifclk提频，可以得到adifclk周期精度的相位调整，而不仅仅是在sclk的精度上调整。

6.1误差率分析

        上面的频率分别为73.728MHz和67.7376MHz，频率精度都达到了1KHz，对PLL的要求较高，有时我们回取它们的近似频率来做，评价近似频点的好坏可以用sclk，fs及mclk的误差率来分析。

sclk(real)={adifclk(real)/{[adifclk(real)/sclk]取整}

sclk误差率：{sclk(real)-sclk}/sclk

fs误差率：{sclk(real)/帧长-sclk/帧长}/(sclk/帧长) 实际和sclk误差率相同

256FS mclk的实际值：

mclk(real)={adifclk(real)/{[adifclk(real)*帧长/(sclk*256)] 取整}

mclk误差率：{mclk(real) - mclk}/mclk

6.2 只有偶数分频

        发现有些工程没有做奇数占空比数字分频，只使用了偶数分频，此时使用上面的adifclk分频得到的sclk，fs，mclk误差就比较大，例如96KHz采样率，48bit帧长，mclk为96x256=24.576MHz，就需要adifclk=73.728MHz 3分频。此时无论采用2分频 【50%的误差】还是4分频【25%的误差】误差都无法接受；sclk为96x48=4.608M，16分频，误差为0.

       如果想要在只有偶数分频的工程中得到较好的sclk，fs，mclk误差，就只有偶数倍频率，并加上一个offset，使得本来偶数分频的误差提高，需要奇数分频的误差降低，都到达一个可接收的程度。例如：在计算adifclk时只满足3x2^n,对于48K domian adifclk=48K×256x2^n,找一个比73.728M大的频点196.608Hz，此时对于mclk为96x256=24.576MHz，为8分频，误差为0；sclk为196.608M 42分频，分配后为4681K，误差为(4681-4608)/4608=1.58%。在加个offset取194.796M ，对adifclk 8分频，mclk=24.3495，误差为0.9%；对adifclk 42分频，sclk=4.638MHz，误差为0.65%；都降到了可接受程度。【不推荐只有偶数分频的处理】

7.能否直接用sclk采样sdata、fs/ws

         因为存在板间传输，sclk和sdata、fs/ws在sclk的采样沿可能存在sdata、fs/ws setup/hold不满足，而且sclk，sdata，ws/fs信号质量可能较差，所以到了sclk/ws/fs到了slv端或者sdata到了Rx端都会用一个高频clk同步这些信号，同步之后是可以用sclk来直接采样sdata、ws/fs的。只不过有可能存在相位偏差，需要调整sclk与sdata，ws/fs的相位，这又需要粗调和细调，细调还是要高频时钟。所以不如将sclk作为数据，产生边沿信号，边沿信号作为条件，在高频时钟下采样。

8.信号同步及采样问题

I2S/PCM board-level 约束及同步(latency&skew&bitsync)_cy413026的博客-CSDN博客

9.关于非标准格式

I2S：标准格式是在ws变化沿后一个sclk发送sdata

PCM：标准格式是在fs上升沿之后一个sclk发送sdata

非标准的自定义格式，这个sdata和ws边沿以及fs上升沿的delay是可以配置的，在逻辑实现上可以统一用计数器来实现，不过无论sdata delay多少，I2S数据不能跨声道，PCM不能跨帧。

10.PCM的fs offset和length

pcm的fs  可以不在sdata的帧起始，fs的持续时间也可以大于一个sclk宽度。

对于fs有offset的情况，特别是fs比数据晚的情况，需要仔细处理。fs的offset就会导致两个fs之间有两个pcm帧在传输。

11.音频场景的一个特点

        在拾音和放音的过程中，在开始和结尾的时候有几帧空白或丢帧，人耳是无法感知的，但在拾音和放音中间过程出现问题是可以感觉到的。

        所以初始化过程中，有丢帧影响不大。当然还是要尽量避免这种问题。