I2S 和数字音频时代

越来越多的常用电气工程缩写有时会让人有点不知所措，如果您已经多次看到术语“I2S”并且只是假设它只是一个印刷错误，我不会反对您“ I2C ”的版本。

这两个协议之间确实存在某种关系。两者初均由 Philips Semiconductors（现为 NXP）开发，均以“I2”开头，因为它们旨在用于 IC 间通信。然而，I2S 是在 I2C 之后发布的，I2C 是一个通用，而 I2S 是为传输音频数据而设计的——名称中的“S”代表“声音”。

I2S 创建于 1980 年代，当时数字技术开始征服消费音频市场。I2S 的既定目的是通过用于在 ADC、DAC、数字、数字信号处理器和音频系统中使用的其他类型 IC 之间传输数字数据的标准化接口促进音频电子设备的开发。它本质上是一个双通道协议，因为它是为立体声设计的（这是我们所说的“立体声”的奇特名称）。

I2S的特点

下图描述了 I2S 支持的三种配置。

图表取自I2S 规范，飞利浦半导体于 1986 年首次发布并于 1996 年修订。

数据在SD线上驱动，WS线的状态对应当前正在传输的音频通道（右或左），时钟线承载串行时钟。正如您在图中看到的，WS 和 SCK 信号可以由发射器、接收器或第三方控制器组件生成。

以下列表确定了三个 I2S 信号的显着特征。

串行数据 (SD)

• 数字值首先传输 MSb。
• 和接收器不需要有约定的字长；发送者发送它所拥有的，而接收者则获取它可以使用的东西。
• 新数据位可以在时钟的上升沿或下降沿同步输出。然而，它们必须在上升沿输入，因此更直接的方法是下图所示的安排——即，我们在下降沿输出数据，在上升沿输入数据。
• 该协议不包括字之间未使用的时钟周期；一个字的 LSb 紧接着是下一个字的 MSb。

单词选择 (WS)

• WS 为逻辑低电平表示当前正在传输的字是左声道数据流的一部分；WS 上的逻辑高表示右声道音频。
• 为了便于发送器和接收器侧的数据处理，WS 信号在数据字完成之前转换一个时钟周期：

图表取自I2S 规范。

钟

• 该协议未指定数据速率。
• 时钟连续运行。

I2C 与 I2S

如果您熟悉 I2C 协议，您现在可能已经意识到 I2C 和 I2S 与它们的名称所暗示的相似性要小得多。

I2C 并不强调高数据速率，它涉及握手功能，使其能够在由各种不同类型的 IC 组成的（可能很大的）网络中有效且可靠地运行。如下图所示，在这种类型的通信环境中，很多事情都可能出错，I2C 协议的复杂性反映了其预期任务的复杂性。

另一方面，I2S 旨在有效地移动特定类型的数字数据。传输速度更为重要，因为高分辨率、双通道音频的实时串行传输比通常通过 I2C（或UART）完成的通信任务需要更多的带宽。

I2S 传输的点对点特性消除了对 I2C 上拉电阻的需求，并且使用第三个信号进行字级同步使我们能够省去帮助 I2C 在双线中维护数据组织的协议细节。

I2S 比 I2C 更像SPI。事实上，用于单向数据传输的 SPI 实现使用基本相同的配置：一个信号用于时钟，一个用于数据，第三个用于字级同步。

结论

I2S 是一种高效、直接的串行通信协议，非常适合数字化音频。但是，没有法律规定它仅限于音频数据。几年前我用它来实现软件定义无线电的原型；I2S 为基带信号提供了足够的传输速度，并且很方便地集成到我正在使用的 DSP 开发平台中。