[特殊字符] 嵌入式音频接口全景图解：I2S、TDM、PDM、SPDIF、AC’97 与 PCM 的关系
在嵌入式音频系统中，常见术语如 I2S、TDM、PCM、PDM、SPDIF、AC’97 等常被混用，容易造成理解混乱。本文将从硬件接口、传输协议、数据格式三个层次出发，构建一个清晰的音频系统知识框架，适用于 RK3588、RK3576 等平台的音频开发与调试。
🧩 一、音频系统三层结构
音频系统（SoC）
│
├── 硬件接口（谁来传）：
│ ├── I2S 控制器（如 RK3588）
│ └── SAI 控制器（如 RK3576，支持 128 SLOT）
│
├── 协议（怎么传）：
│ ├── I2S：左右声道（2 通道）
│ ├── TDM：多通道（多个 SLOT）
│ ├── PDM：1bit 高速流（数字麦克风）
│ ├── SPDIF：光纤/同轴传输压缩音频
│ └── AC’97：老式音频总线（主板用）
│
└── 数据格式（传什么）：
├── PCM：线性无压缩，最常见
├── ADPCM：语音压缩格式
├── μ-law / A-law：电话系统压缩格式
├── PDM：密度编码，需解码为 PCM
├── AC3 / DTS：压缩多声道音频
└── DSD：高保真格式，SACD 专用
📦 类比记忆法：音频系统 = 快递系统
| 类别 | 音频术语 | 类比解释 |
|---|---|---|
| 硬件接口 | I2S / SAI 控制器 | 快递公司（谁来送） |
| 协议 | I2S / TDM / PDM / SPDIF | 快递方式（怎么送） |
| 数据格式 | PCM / ADPCM / PDM / AC3 | 包裹内容（送什么） |
| SLOT（TDM） | 时间片/通道 | 快递车的货架格子（每格一个通道） |
🎼 二、常见协议与数据格式详解
- I2S（Inter-IC Sound）
- 串行音频协议，左右声道各占一个 SLOT。
- 适合 2 通道音频，如耳机、声卡。
- 数据格式通常为 PCM。
- TDM（Time Division Multiplexing）
- I2S 的扩展，支持多个 SLOT（如 8/16/32/128）。
- 每个 SLOT 对应一个通道，适合麦克风阵列、会议系统。
- 数据格式仍为 PCM。
- PDM（Pulse Density Modulation）
- 数字麦克风输出格式，1bit 高速流。
- 音量由“1”的密度表示，需解码为 PCM。
- 通常由 Codec 或 FPGA 解码。
- SPDIF（Sony/Philips Digital Interface）
- 用于光纤/同轴传输音频，支持 PCM 或压缩格式（AC3、DTS）。
- 常用于音响、电视、HDMI ARC。
- 仅用于输出方向，不适合采集。
- AC’97（Audio Codec ’97）
- Intel 提出的老式音频总线协议。
- 使用 Frame + Slot 结构，支持多通道。
- 固定结构，不如 I2S/TDM 灵活。
🔊 三、音频数据格式对比表
| 格式 | 位宽 | 是否压缩 | 用途说明 | 是否需解码为 PCM |
|---|---|---|---|---|
| PCM | 16/24/32bit | 否 | 最常见，耳机、声卡、麦克风 | ❌ |
| ADPCM | 4bit（压缩） | 是 | 语音压缩，对讲机、蓝牙耳机 | ✅ |
| μ-law / A-law | 8bit | 是 | 电话系统压缩格式 | ✅ |
| PDM | 1bit 高速流 | 否 | 数字麦克风输出格式 | ✅ |
| AC3 / DTS | 16bit 压缩 | 是 | 家庭影院压缩音频 | ✅ |
| DSD | 1bit 超高采样 | 否 | SACD 高保真音频 | ✅ 或专用播放 |
✅ 几乎所有格式最终都需解码为 PCM，才能送入 DAC 播放或进行音频处理。
✅ 四、嵌入式开发实战建议
| 场景 | 推荐组合 | DTS 配置建议 |
|---|---|---|
| 普通耳机/麦克风 | I2S + PCM | format = i2s, bitclock = 64fs |
| 多通道采集 | TDM + PCM | slots = 8/16/32, slot-width = 32 |
| 数字麦克风阵列 | PDM + PDM | 需 Codec 解码为 PCM |
| 光纤/HDMI 输出 | SPDIF + AC3/DTS | 需外部解码器 |
| 老式主板音频 | AC’97 + ADPCM | 固定结构，驱动适配复杂 |
📌 总结
- I2S 是最常见的音频传输协议，适合 2 通道场景。
- TDM 是多通道扩展，适合麦克风阵列、会议系统。
- PDM 是数字麦克风的输出格式，需解码为 PCM。
- SPDIF 用于压缩音频输出，AC’97 是老式主板接口。
- 最终几乎所有音频数据都需解码为 PCM 才能播放或处理。