I2S协议分析

I2S(Inter—IC Sound)总线是飞利浦公司为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。I2S有3个主要信号： 

 1.串行时钟SCLK，也叫位时钟（BCLK），即对应数字音频的每一位数据，SCLK都有1个脉冲。SCLK的频率=2×采样频率×采样位数 

 2. 帧时钟LRCK，(也称WS)，用于切换左右声道的数据。LRCK为“1”表示正在传输的是左声道的数据，为“0”则表示正在传输的是右声道的数据。LRCK的频率等于采样频率。 

 3.串行数据SDATA，就是用二进制补码表示的音频数据。 

有时为了使系统间能够更好地同步，还需要另外传输一个信号MCLK，称为主时钟，也叫系统时钟（Sys Clock），是采样频率的256倍或384倍。 

I2S格式的信号无论有多少位有效数据，数据的最高位总是出现在LRCK变化（也就是一帧开始）后的第2个SCLK脉冲处。

这就使得接收端与发送端的有效位数可以不同(因为有固定格式，所以知道如何保留或扩充)。

如果接收端能处理的有效位数少于发送端，可以放弃数据帧中多余的低位数据；

如果接收端能处理的有效位数多于发送端，可以自行补足剩余的位。

这种同步机制使得数字音频设备的互连更加方便，而且不会造成数据错位。

I2S格式的信号无论有多少位有效数据，数据位的最高位（MSB）总是被最先传输，1次能够发送的数据决定于I2S格式的有效位数。

1个典型的I2S信号时序如图1所示

随着技术的发展，在统一的I2S接口下出现了多种不同的数据格式。根据SD信号相对于SCK和WS位置的不同，分为左对齐和右对齐2种格式，如图2和图3所示。

图2 16位有效位数的左对齐格式

图3 16位有效位数的右对齐格式

在上面2种数据传输格式中，当WS为“1”时传输的是左声道的数据，当WS为“0”时传输的是右声道的数据。为了保证数字音频信号的正确传输，发送端和接收端必须采用相同的数据格式。

补充声音的知识。

声音数字化三要素

采样频率

量化位数

声道数

每秒钟抽取声波幅度样本的次数

每个采样点用多少二进制位表示数据范围

使用声音通道的个数

采样频率越高

声音质量越好

数据量也越大

量化位数越多

音质越好

数据量也越大

立体声比单声道的表现力丰富，但数据量翻倍

11.025kHz

22.05 kHz

44.1  kHz

8位＝256

16位＝65536

单声道

立体声

声音数字化的数据量

音频数据量＝采样频率×量化位数×声道数/8(字节/秒)

采样频率

(kHz)

量化位数

(bit)

数据量(KB/s)

单声道

立体声

11.025

8

10.77

21.35

16

21.53

43.07

22.05

8

21.53

43.07

16

43.07

86.13

44.1

8

43.07

86.13

16

86.13

172.27

音频的文件格式

1.WAV文件

WAV是Microsoft/IBM共同开发的PC波形文件。因未经压缩，文件数据量很大。
特点：声音层次丰富，还原音质好

2.MP3文件

MP3(MPEG Audio layer3)是一种按MPEG标准的音频压缩技术制作的音频文件。
特点：高压缩比(11:1)，优美音质

3.WMA文件

WMA(Windows Media Audio)是Windows Media格式中的一个子集(音频格式)。
特点：压缩到MP3一半

4.MIDI文件

MIDI(乐器数字接口)是由一组声音或乐器符号的集合。
特点：数据量很小，缺乏重现自然音