3. PCM接口标准：PCM编码原理、PCM与I2S的区别与联系、时分复用（TDM）模式
3.1 PCM编码原理
PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制）是将模拟音频信号转换为数字信号的基础编码方式。其核心流程包含三个步骤：采样、量化、编码。
- 采样（Sampling）：以固定时间间隔（采样周期）对连续模拟信号进行离散取值。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须大于信号最高频率的两倍，才能无失真地重建原始信号。音频领域常见采样率：8kHz（语音）、44.1kHz（CD）、48kHz（专业音频）、96kHz/192kHz（高保真）。
- 量化（Quantization）：将采样得到的连续幅度值映射到有限个离散电平上。量化位数（位深）决定动态范围：16bit 提供 96dB 动态范围，24bit 提供 144dB。量化过程会引入量化噪声，增加位深可降低噪声。
- 编码（Encoding）：将量化后的每个采样值用固定位数的二进制码表示。常见的编码格式包括：二进制补码（Two's Complement，最常用）、偏移二进制码（Offset Binary）、符号-幅度码（Sign-Magnitude）。
关键指标速查： PCM 数据速率 = 采样频率 × 量化位数 × 声道数。例如：CD 音质（44.1kHz × 16bit × 2ch）= 1.4112 Mbps。
3.2 PCM与I2S的区别与联系
PCM 和 I2S 是嵌入式音频系统中两个容易混淆的概念。简单来说：PCM 是数据编码格式，I2S 是传输总线协议。两者在音频系统中协同工作，但职责不同。
| 对比维度 | PCM（脉冲编码调制） | I2S（集成电路内置音频总线） |
|---|---|---|
| 本质 | 模拟→数字的编码方式（数据格式） | 数字音频芯片间的串行总线协议 |
| 关注点 | 采样率、量化位数、编码方式 | 时钟极性、帧同步、数据对齐、时序 |
| 信号线 | 无固定物理接口定义 | BCLK、LRCLK（WS）、SD（数据线） |
| 声道支持 | 单声道/立体声/多声道（通过TDM） | 标准 I2S 仅支持立体声（2声道） |
| 数据对齐 | 无固定对齐要求 | MSB 对齐，左声道在 LRCLK 低电平传输 |
| 典型应用 | 音频文件存储（WAV）、编解码器内部处理 | SoC ↔ Codec、DSP ↔ DAC/ADC 互联 |
理解要点： 在嵌入式 Linux 音频系统中，音频数据在内存中以 PCM 格式存储（如 16bit 有符号整数），通过 I2S 总线传输到 Codec 芯片进行 DAC 转换。I2S 是 PCM 数据的“运输通道”，PCM 是“货物本身”。
3.3 时分复用（TDM）模式
TDM（Time Division Multiplexing，时分复用）是在一条数据线上传输多个声道音频数据的技术。标准 I2S 只能传输 2 个声道（左/右），而 TDM 模式通过在一个帧周期内划分多个时隙（Slot），支持 4、8、16 甚至更多声道。
TDM 帧结构
- 帧同步（Frame Sync）：标识一个 TDM 帧的开始，通常对应采样周期。
- 时隙（Slot）：每个声道占用一个固定长度的时隙，时隙宽度 = 量化位数（如 16bit、24bit、32bit）。
- BCLK 计数：一个 TDM 帧的 BCLK 周期数 = 时隙数 × 每时隙位数。例如：8声道 × 32bit = 256 BCLK/帧。
- 数据对齐：每个时隙内的数据通常采用 MSB 优先、左对齐或 I2S 对齐方式。
TDM 在嵌入式 Linux 中的配置要点
| 配置项 | 说明 | 典型值 |
|---|---|---|
| DAI 格式 | 设置 DAI 链路为 TDM 模式 | SND_SOC_DAIFMT_DSP_A 或 DSP_B |
| 时隙数量 | 定义 TDM 帧包含的时隙数 | 2、4、8、16 |
| 时隙宽度 | 每个时隙的 bit 数 | 16、24、32 |
| 时隙映射 | 将 PCM 音频声道映射到指定时隙 | Slot 0 → 左声道，Slot 1 → 右声道 |
| BCLK 频率 | BCLK = 采样率 × 时隙数 × 时隙宽度 | 48kHz × 8 × 32 = 12.288MHz |
常见陷阱： 在配置 TDM 时，务必确认 Codec 和 CPU DAI 控制器支持的时隙数量与对齐方式是否一致。部分 Codec 要求帧同步信号在第一个 BCLK 上升沿之前有效（DSP_A），而另一些要求帧同步与第一个 BCLK 上升沿对齐（DSP_B）。配置错误会导致声道错位或无声。
PCM、I2S、TDM 三者的关系总结
- PCM：音频数据的“表示形式”——采样、量化、编码后的数字音频数据本身。
- I2S：音频数据的“传输协议”——定义了 BCLK、LRCLK、SD 三根线的时序关系，标准模式仅支持 2 声道。
- TDM：音频数据的“多路复用扩展”——在 I2S 物理层基础上扩展时隙，支持多声道传输，是 I2S 的超集。
工程实践建议： 在嵌入式 Linux 设备树中，通过
dai-format 属性选择 I2S 或 TDM 模式；通过 tdm-slot-num 和 tdm-slot-width 配置 TDM 参数。使用 amixer 或 tinymix 工具可以动态查看和调整 Codec 的 TDM 路由映射。