В прошлом месяце мы отметили 40-летие компакт-диска , и это был также некролог, как праздник, потому что эти поликарбонатные диски быстро стали редкостью. Есть еще одна технология из эпохи компакт-дисков, которая до сих пор остается у нас, и она соответствует стандарту для передачи последовательного цифрового звука между чипами. Протокол называется I2S и поставляется как аппаратное периферийное устройство на многих микроконтроллерах. Это удивительно простой интерфейс, с которым довольно легко работать, и, следовательно, его можно взломать, поэтому его стоит немного изучить.
Оглавление:
Что такое I2S?
I2S (Inter-IC Sound) — это конструкция последовательной шины (тракта) для цифровых аудиоустройств и технологий, таких как проигрыватели компакт-дисков ( CD ), цифровые звуковые процессоры и звук цифрового телевидения ( DTV ). Конструкция I2S обрабатывает аудиоданные отдельно от тактовых сигналов. Разделяя данные и тактовые сигналы, ошибки, связанные со временем, что устраняет необходимость в устройствах, предотвращающих джиттер. Конструкция шины I2S состоит из трех последовательных шинных линий: линия с двумя каналами данных мультиплексирования с временным разделением ( TDM ), линия выбора и линия синхронизации.
I²S ( Inter-IC Sound ), — стандарт интерфейса последовательной электрической шины, используемой для соединения цифровых аудиоустройств. Он используется для передачи аудиоданных ИКМ между интегральными схемами в электронном устройстве. Шина I²S разделяет тактовые сигналы и сигналы последовательных данных, в результате чего получатели становятся проще, чем те, которые требуются для асинхронных систем связи, которым необходимо восстановить тактовые импульсы из потока данных. Альтернативно I²S пишется как I2S или IIS. Несмотря на похожее название, I²S не имеет отношения к двунаправленной шине I²C (IIC).
Немного истории I2S
Этот стандарт был введен в 1986 году компанией Philips Semiconductor (в настоящее время NXP Semiconductors ) и в последний раз пересматривался 5 июня 1996 года
Протокол I²S описывает один конкретный тип цифровой аудиосвязи PCM с определенными параметрами, указанными в спецификации Philips.
Состоит он как минимум из трех линий:
- Официально «Word Select (WS)». Обычно называется «левый-правый тактовый генератор (LRCLK)» или «кадровая синхронизация (FS)».
- 0 = левый канал, 1 = правый канал
- По крайней мере, одна мультиплексированная линия данных
- Официально «последовательные данные (SD)», но их можно назвать SDATA, SDIN, SDOUT, DACDAT, ADCDAT и т. д.
И2С также может включать следующие строки:
- Основные часы (обычно 256 x LRCLK)
- Это не является частью стандарта I2S но обычно используется для синхронизации внутренней работы аналого-цифровых преобразователей.
- Мультиплексированная строка данных для загрузки
Битовая тактовая частота пульсирует один раз для каждого дискретного бита данных в строках данных. Тактовая частота битов является воспроизведением частоты дискретизации , количества бит на канал и количества каналов. Так, например, CD Audio с частотой дискретизации 44,1 кГц, с точностью 16 бит и двумя каналами (стерео) имеет тактовую частоту:
44,1 кГц × 16 × 2 = 1,4112 МГц
Часы выбора слова позволяют устройству узнать, отправляется ли в данный момент канал 0 или канал 1, поскольку I²S позволяет отправлять два канала по одной и той же линии данных. Это сигнал с коэффициентом заполнения 50%, частота которого совпадает с частотой дискретизации. Для стерео материала спецификация I²S гласит, что левый звук передается в низком цикле тактового сигнала выбора слова, а правый канал передается в верхнем цикле. Обычно он синхронизируется с задним фронтом последовательных часов, так как данные фиксируются на переднем фронте.
Данные подписываются , сначала кодируются как два дополнения с MSB ( старший значащий бит ). Это позволяет произвольному числу битов в кадре без согласования между передатчиком и приемником.
В качестве аудио-соединения I2S
В звуковом оборудовании I²S иногда используется как внешнее соединение между проигрывателем компакт-дисков и отдельным блоком ЦАП, в отличие от чисто внутреннего соединения внутри одного блока проигрывателя. Это может сформировать альтернативу обычно используемым стандартам AES / EBU или Toslink или S / PDIF.
Соединение I²S не предназначалось для использования через кабели, и большинство интегральных микросхем не будет иметь правильного сопротивления для коаксиальных кабелей. Поскольку ошибка адаптации импеданса, связанная с разной длиной линии, может привести к разнице в задержке распространения между тактовой линией и строкой данных, это может привести к проблеме синхронизации между SCK, WS и сигналами данных, в основном на высокой частоте дискретизации и битрейте. Поскольку I²S не имеет никакого механизма обнаружения ошибок, это может вызвать важную ошибку декодирования.
Для этого применения нет стандартного соединительного кабеля. Некоторые производители предоставляют просто три разъема BNC, разъем 8P8C («RJ45») или разъем DE-9 . Другие, такие как Audio Alchemy (ныне несуществующая), использовали разъемы DIN. А вот PS Audio, Musica Pristina и Wyred4Sound используют разъем HDMI. Голландский производитель Van Medevoort внедрил Q-link в своем оборудовании, передает i2s через 4 разъема RCA (Data, MCK, LRCK, BCK).
ЭТО ДОСТАТОЧНО ПРОСТОЙ ИНТЕРФЕЙС
Не путайте его с другим протоколом Philips Semiconductor: I2C. Протокол Inter-Integrated Circuit имеет инициалы IIC, и двойная буква была сокращена, чтобы придумать номенклатуру «в квадрате», которую мы полюбили с I2C. Возрожденный в 1982 году, этот предшествующий I2S на четыре года, что объясняет несколько странную аббревиатуру «Inter-Integrated Circuit Sound».
Протокол застрял, потому что он очень не удобен для работы с последовательных данных, связанных с высококачественным цифровым звуком. Это так не удобно, что вы, вероятно, слышали о том, что он используется для других целей, кроме аудио. Но сначала, что на самом деле делает 2S?
Цифровой источник звука обычно создает два слова данных, одно для левого канала и одно для правого, один раз для каждого интервала выборки. Например, источник аудио CD с частотой дискретизации 44,1 кГц, который будет передавать два 16-битных слова 44 100 раз каждую секунду. На одной последовательной линии это колоссальные 1 411 200 бит в секунду (44100 x 16 x 2).
Как справляется эта плохая последовательная линия передачи данных? Ну, одна строка последовательных данных не может легко передать границы слов для левой и правой. Также трудно (или невозможно) надежно извлечь часы из него без джиттера. Поэтому для передачи аудио нам действительно нужны другие способы доставки этих фрагментов информации.
I2S решает обе эти проблемы с помощью дополнительных строк, предоставляя строку выбора слова (также иногда называемую тактовыми импульсами L / R) для выбора левого или правого отсчетов, а также битовую линию тактового сигнала для синхронизации всего. Вот и все, что есть в I 2 S: строка данных, строка синхронизации слов и строка синхронизации битов.
Спецификация была формализована Philips в документе 1986 года, благодаря которому подразделение полупроводников компании стало NXP, но, к сожалению, исчезло с веб-сайта NXP. К счастью, у Wayback Machine она есть , поэтому она все еще доступна. Читая документ, становится очевидным, что даже в 1980-х годах это был не сложный интерфейс для работы, и он даже дает базовые диаграммы для передатчика и приемника. Не исключено, что при наличии некоторых микросхем TTL и цепочки резисторов будет возможно создать ЦАП I2S из первых принципов на вашем стенде, хотя это и не очень высокопроизводительный пример.
Итак, у вас есть I2S
Все, что вам нужно знать о межкомпонентных аудиоразъемах, в четырех удобных параграфах.
I2S для цифрового звука — только начало. Это простая и несложная спецификация, которую легко реализовать, и в то же время легко злоупотреблять. Например, он не определяет верхний предел тактовой частоты. Естественно, его потенциал как очень быстрого последовательного вывода побудил аппаратных хакеров использовать его для других целей. Мы видели, что он используется как радиопередатчик AM , видеовыход NTSC , VGA-выход и даже карта Ethernet . Как же они это делают !
Ответ заключается в модуляции плотности импульсов , форме аналого-цифрового преобразования, в которой число логических 1 битов в данный период времени зависит от уровня аналогового сигнала. Это необработанный вывод АЦП с дельта-сигмой , и он имеет удобное свойство, заключающееся в том, что при наличии только потока данных PDM этап цифроаналогового преобразования может быть выполнен только с помощью простого фильтра нижних частот. Если вы увеличите битрейт на интерфейсе I 2 S до максимума, а затем передадите ему слова, которые образуют поток данных PDM, вы можете добавить фильтр нижних частот, чтобы создать АЦП с максимальной пропускной способностью, равной половине его бита. темп.
ESP32 I2S намного сложнее, чем базовый стандарт.
В приведенном выше списке примеров проектов, использующих I2S, есть дополнение, которое касается некоторых из тех, которые мы не представили. ESP32 имеет модуль I 2 S, и благодаря ему были реализованы некоторые впечатляющие проекты, такие как этот полноцветный генератор VGA . Однако, рискуя спором, эти проекты не используют I2S в самом строгом смысле. Страница 303 технического справочника ESP32 проливает некоторый свет на это, показывая, что периферийное устройство I 2 S в части Espressif является многофункциональным. Наряду с обработкой звука I2S, как описано выше, также обрабатывает интерфейсы для камер и ЖК-дисплеев, как если бы вы представляли разъемы камеры и ЖК-дисплея на Raspberry Pi, направленные на один и тот же кусок кремния.
Возможно, эта номенклатура имеет корни в ESP8266, имеющем периферийное устройство I 2 S на чипе, и общее периферийное устройство в более позднем устройстве.
Поскольку большинство интерфейсов I 2 S могут работать с тактовой частотой в несколько мегагерц, их пропускная способность может быть на удивление высокой. Это то же самое, что и принцип, заложенный в любой программно-определяемый радиопередатчик: одним махом и с очень небольшим количеством дополнительного оборудования вы перенесли задачу создания произвольных спектров в диапазоне МГц с аппаратного на программное обеспечение.
Даже самые современные микроконтроллеры обладают достаточной вычислительной мощностью для выполнения этой задачи, что делает относительно простыми некоторые приложения для I 2 S, которые были бы за гранью воображения тех инженеров Philips 1980-х годов. Однако, I2S к которой можно было только подключить аудио ЦАП, не останавливает аудиофилов от подключения, и этот интерфейс становится намного полезнее, а возможности безграничны.
Я надеюсь, что эта статья «Что такое I2S?» немного помогла. Пожалуйста, оставляйте комментарии ниже, чтобы я мог вернуться к вам. Не бойтесь меня и добавляйтесь в ВК, Ютуб
Если вы хотите узнать больше об этой теме, и быть в курсе, пожалуйста, подпишитесь на наш сайт.
Не забывайте сохранять нас в закладках! (CTRL+SHiFT+D) Подписывайтесь, комментируйте, делитесь в соц.сетях. Желаю удачи в поиске своего звука!
На нашем сайте Звукомания есть полезная информация по звуку и видео, которая пригодится для каждого, причем на каждый день, мы обновляем сайт «Звукомания» постоянно и стараемся искать и писать только отличную, проверенную и нужную информацию.
Вам нужен хороший фонокорректор, новый ламповый усилитель или отличный ЦАП, плеер, наушники, АС или другую звуковую технику, (усилитель, ресивер и т.д.) то пишите в ВК, помогу выгодно и с гарантией приобрести хорошую звуковую технику…
