I2S串行总线协议

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P001：I2S串行总线协议（By高老庄子，2025年4月16日，主要参考：UM11732 I2S bus specification User manual,Rev. 3.0）
（一）I2S总线协议的基本概念
I2S = Inter-IC Sound = Integrated Interchip Sound = IIS，它主要用于数字音频设备之间的通信，特别是在音频信号需要在芯片之间传输时，I2S 提供了一种简洁而高效的解决方案。I2S协议由飞利浦公司在1986年首次提出，并迅速成为数字音频领域的行业标准。其简单的硬件连接和高效的数据传输能力，使其广泛应用于编解码器CODEC、DSP、数字输入/输出接口、ADC、DAC和数字滤波器等。
I2S协议是一种专门用于数字音频数据传输的接口协议，支持多种音频数据格式，如线性PCM（Pulse Code Modulation）；I2S的主要目的是在数字音频系统中传输未经压缩的音频数据，保证数据的完整性和高保真度。

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（二）I2S串行总线基本结构
I2S总线只用于传输音频信号而不包括控制信号，为简化设计只使用了三条信号线组成串行总线：一条分时复用的数据线Serial Data (SD)，一条字选择线Word Select (WS)，一条时钟线Continuous Serial Clock (SCK)。数据发送端和接收端使用相同的时钟信号（即同步传输），由发送时钟信号（SCK和WS）的一端作为总线控制器。
时钟线（Continues Serial Clock，SCK）：SCK线提供了同步音频数据传输的时钟信号。确定了数据传输的速度和时序。该时钟也称为Bit Clock（BCLK）。SCK的频率=2x采样频率x位宽。
字选择线Word Select (WS)或左/右声道线（Left-Right Clock，LRCK）：LRCK线指示了当前传输的是左声道的音频数据还是右声道的音频数据。它被称为帧同步信号。LRCK的频率=采样频率。
数据线（Serial Data，SD）：SD线用于传输实际的音频数据。数据的位宽可以根据具体应用而变化，通常为16位或32位。

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（三）I2S串行总线基本时序（以I2S标准格式为例）
     串行数据Serial Data (SD)以二进制补码形式传输，MSB在前。MSB在先是因为发送端和接收端的字长(bits-per-word)可能不同，发送端和接收端不需要知道对方规定的字长。当系统字长比数据发送端字长长的时候，数据会被截断（truncated），即如果数据接收端接收的数据位比它规定的字长长的话，那么规定字长最低位LSB之后的数据会被忽略，如果接收的字长比它规定的字长短，不足的位会被补0。这种处理使最高位MSB在数据帧中有一个固定的位置，而最低位LSB的位置取决于字长，发送端总是在WS变化后的第一个时钟周期内送出下一个字的最高位MSB。
串行数据SD可以在时钟的下降沿或是上升沿更新，但总是在串行时钟的上升沿被锁存进接收端，因此时钟上升沿前后数据需要保持稳定。

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（四）I2S传输模式之一Philips 标准模式（I2S 标准模式）
这是 I2S 接口最常用的传输模式，通常也被称为 I2S 模式，由 Philips 公司（现 NXP）定义，主要特点：
（1）LRCK（左右声道选择信号）：I2S格式中，当LRCK为低时为左声道数据，当LRCK为高时为右声道数据。
（2）SCK（位时钟）：数据传输的时钟信号。在SCK下降沿发送数据，在SCK上升沿采样数据。
（3）Data Delay：发送的有效数据相对于LRCK的跳变沿（从0到1或从1到0）延迟一个时钟周期。
（4）数据发送从MSB开始；数据MSB与LRCK delay 1个SCK的边沿对齐。
（5）对于这种标准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WCLK/LRCK变化（也就是一帧开始）后的第2个BCLK/SCLK脉冲处。这就使得接收端与发送端的有效位数可以不同。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。

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（五）I2S传输模式之二Left Justified 模式（左对齐模式，LJ 模式）
其主要特点如下：
（1）在左对齐格式中，LRCK为高时，表示当前传输的数据为左声道数据；当LRCK为低时，表示当前传输的数据为右声道数据。
（2）在SCK下降沿发送数据，在SCK上升沿接收数据。
（3）无data delay：发送的有效数据相当于LRCK跳变沿（从0到1或从1到0）不延迟。
（4）数据发送从MSB开始；数据MSB与LRCK跳变沿对齐。
（5）左对齐格式的数据的MSB没有相对于BCLK延迟一个时钟。左对齐格式的左右声道数据的MSB在WS边沿变化后SCK/BCLK的第一个上升沿有效。左对齐格式的优点在于，由于在WS变化后的第一个SCK上升沿就开始采样，它不需要关心左右声道数据的字长。

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（六）I2S传输模式之三Right Justified 模式（右对齐模式，RJ 模式）
其主要特点如下：
（1）右对齐格式中，LRCK为高电平时，表示当前传输的数据为左声道数据；当LRCK为低电平时，表示当前传输的数据为右声道数据。
（2）在SCK下降沿发送数据，在SCK上升沿接收数据。
（3）无Data delay：发送的有效数据相当于LRCK跳变沿（从0到1或从1到0）不延迟。
（4）数据发送从MSB开始；数据LSB与LRCK跳变沿对齐。
（5）右对齐格式也叫日本格式，sony格式。相比于标准左对齐格式，标准右对齐的不足在于接收设备必须事先知道待传数据的字长。

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（七）三种 I2S 模式对比

天门冬

请教坛友，CD机CXD2508AQ的I2S串行总线如何引出？

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刚好看到一个左右声道分离的电路。

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天门冬 发表于 2025-4-16 11:18
请教坛友，CD机CXD2508AQ的I2S串行总线如何引出？

1、测量42脚LRCK频率应为44.1K
2、测量46脚BCK频率应为2.12M
3、示波器观察44脚PCMD为数据输出
4、输出I2S模式为24bit,右对齐
希望能帮到你。

天门冬

gkb986 发表于 2025-4-16 11:48
1、测量42脚LRCK频率应为44.1K
2、测量46脚BCK频率应为2.12M
3、示波器观察44脚PCMD为数据输出

谢谢，DATA应该是9脚？还是46脚？另外DAC板上标出的MCK没有找到。

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天门冬 发表于 2025-4-16 14:00
谢谢，DATA应该是9脚？还是46脚？另外DAC板上标出的MCK没有找到。

普通状态是不需要MCK的。只有使用滤波器的时候才需要。因为对于移位2.8224M的信号必须使用更高的频率做时钟。