I2S传输PCM音频数据分析总结

1.前言
《I2S传输PCM音频数据分析总结》主要是介绍PCM音频数据是如何通过I2S进行传输的，主要是分成2个部分：

PCM音频数据介绍
I2S协议介绍
本篇文章主要是以PCM音频数据来介绍。

2.PCM音频简介
PCM音频（Pulse-Code Modulation）是一种用数字表示采样模拟信号的方法。

要将一段音频模拟信号转换为数字表示，包含如下三个步骤：

Sampling(采样)
Quantization(量化)
Coding(编码)
下面的截图是PCM音频 1KHz 正弦波的波形，播放出来就是“滴”的声音：

3. Sampling（采样）
Sampling(采样)表示处理，实际上就是让采样数据能够完全表示原始信号，且采样数据能够通过重构还原成原始信号的过程。

蓝色曲线：表示音频原始信号。
黑色垂直线段：表示当前时间点对原始信号的一次采样
黑色点：表示采样获取的一系列离散样本。
4. 采样率(Sample rate)
采样率（Sample rate）表示每秒采样的数量（单位：Hz）。

对于PCM编码音频流，采样率是恒定的。例如：1Hz表示每秒钟对原始信号采样一次，1KHz表示每秒钟采样1000次。

根据场景的不同，采样率也有所不同，采样率越高，声音的还原程度越高，质量就越好，同时占用空间会变大。

例如：通话时的采样率为8KHz，常用的媒体采样率有44KHz、48KHz，对于一些蓝光影片采样率高达1MHz。

5. Quantization（量化）
原始信号采样后，需要通过量化来描述采样数据的大小。

量化处理过程，就是将时间连续的信号，处理成时间离散的信号，并用实数表示。这些实数将被转换为二进制数用于模拟信号的存储和传输。

上面的图片的例子是16bit位深量化过程。bit-depth（位深）：用来描述存储数字信号值的bit数，较常用的模拟信号位深如下：

8-bit：2^8 = 256 levels，有256个等级可以用于衡量真实的模拟信号。
16-bit：2^16 = 65,536 levels，有65,536个等级可以用于衡量真实的模拟信号。
24-bit：2^24 = 16,666,216 levels，有16,666,216个等级可以用于衡量真实的模拟信号。
可以看到，位深越大，对模拟信号的描述将越真实，对声音的描述更加准确。

下面是实际的采样率44.1KHz 16bit双声道正弦波1KHz的PCM音频数据，量化后存储的数据和波形解析如下：

？？？问题：为什么一个正弦波周期量化是44个数据？？？

分析：
1次采样需要的时间：1秒/采样率44.1KHz = 1 / 44100 (秒)
1个正弦波周期时间：1秒/频率1KHz = 1 / 1000 (秒)
1个正弦波周期采样次数：`1个正弦波周期时间 / 1次采样需要的时间 = (1 / 1000) / (1 / 44100) = 44100 / 1000 = 44.1次
结果：如上图显示一个正弦波周期，采样的次数为44次。

备注：量化会将波形分成多个等份，值越大对模拟信号描述越真实。采样率是1秒钟采样的次数，值越大对声音的还原程度越高。所以，声音的质量很大程度被量化和采样率所影响。

6. Encoding（编码）

在编码这一步，我们会将时间线上的每个sample数据转化为对应的二进制数据。

采样数据经过编码后产生的二进制数据，就是PCM数据。PCM数据可以直接存储在介质上，也可以在经过编解码处理后进行存储或传输。

7. PCM数据常用量化指标
采样率(Sample rate)：每秒钟采样多少次，以Hz为单位。

位深度(Bit-depth)：表示用多少个二进制位来描述采样数据，一般为16bit。

字节序：表示音频PCM数据存储的字节序是大端存储（big-endian）还是小端存储（little-endian），为了数据处理效率的高效，通常为小端存储。

声道数（channel number）：当前PCM文件中包含的声道数，是单声道（mono）、双声道（stereo）等。

采样数据是否有符号（Sign）：要表达的就是字面上的意思，需要注意的是，使用有符号的采样数据不能用无符号的方式播放。

8. PCM音频数据存储格式
PCM音频数据排列格式为左右声道每个样本点数据交错排列。

下面是解析一个16bit双声道PCM的数据，如下：

实际解析的出来的PCM波形如下：

从波形上分析1声道为无声。
从数据上分析1声道，-7(0xFFF9)、-3(0xFFFD)、-5(0xFFFB)等基本接近0，所以为无声。

《I2S传输PCM音频数据分析总结》主要是介绍PCM音频数据是如何通过I2S进行传输的，主要是分成2个部分：

PCM音频数据介绍
I2S协议介绍
上一篇文章已经有介绍PCM音频数据，本篇文章主要是以I2S协议来介绍。

2. I2S 简介
Inter-IC Sount Bus(I2S)是飞利浦半导体公司(现为恩智浦半导体公司)针对数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。在飞利浦公司的 I2S 标准中，既规定了硬件接口规范，也规定了数字音频数据的格式。

3. I2S 特点
I2S总线只处理音频数据，而其它控制信号，是分开传输的。在比较常用的CODEC音频芯片基本都是I2S和I2C搭配，I2S传输音频数据，I2C传输命令控制。主要特点如下：

支持全双工/半双工：全双工是需要2个Data线，半双工是1个Data线。
支持主/从模式：主模式需要提供I2S通信的SCK和WS信号。
I2S支持多声道数据传输：通过WS信号控制声道的选择。
下面是《I2S bus specification》协议文档里面的截图，它是典型I2S信号时序图，产生SCK和WS的信号端就是主设备，用MASTER表示，具体如下：

根据上图我们可以知道I2S总线一个是三条数据信号线：

BCLK：串行时钟，也叫位时钟，对应数字音频的每一位数据。对应数字音频的每一位数据，SCK都有1个脉冲。SCK的频率=2×采样频率×采样位数。
WS：字段（声道）选择，帧时钟LRCK（左右时钟），用于选择左右声道。为“0”表示正在传输的是左声道的数据，为“1”表示正在传输的是右声道的数据。用于切换左右声道的数据。WS的频率＝采样频率。
SD：串行数据，用二进制补码来表示音频数据（数据传输从高位到低位）。
I2S总线半双工是3条数据线，但是全双工是4条数据线。下面的截图是WM8978 CODEC音频编解码器芯片，它采用全双工4条数据线I2S接口，并且通过I2C接口进行控制。（备注：后面还会有一篇专门介绍WM8978的驱动移植）

4. I2S总线时序图
音频协议目前主要有4种标准，总体遵循I2S总线协议，但是细节有一些差异：

I2S Philips 标准
MSB 对齐标准
LSB 对齐标准
PCM 标准
4.1 I2S Philips 标准
使用 WS 信号来指示当前正在发送的数据所属的通道。该信号从当前通道数据的第一个位(MSB) 之前的一个时钟开始有效。I2S模式属于左对齐中的一种特例，也叫PHILIPS模式，是由标准左对齐格式再延迟一个时钟位变化来的。时序如图7所示，左声道的数据MSB在WS下降沿之后第二个SCK/BCLK上升沿有效，右声道数据的MSB在WS上升沿之后第二个SCK/BCLK上升沿有效。