深入了解数字音频接口TDM在软硬件配置中的问题

——作者：Terry Yuan  公司：骏龙科技

在上篇《ADI音频在PCBA里的通用传输格式》里，我们介绍了通用音频在 PCBA 中的传输格式，其中涉及到多种格式，本文将挑选一个最常用的数字传输格式进行相关分析，以帮助大家了解如何合理地在软硬件上进行设计。

在 PCB 板内的音频设计时，很多时候都是以模拟信号作为前后输入输出，但是板内更多是以数字信号为主，例如我们可以看到各种 aux、同轴、莲花口等信号输入。只要音频需要进行处理，一般都是需要转成数字信号来进行的，比如当我们在用 FPGA、DSP、单片机等系统时。大多数情况下，简单 2 通道的实现在软硬件上还是比较简单，但是上升到 TDM8 以上，很多客户就会面临稳定性的问题。接下来将分两个板块——软件和硬件，为大家说明如何有效规避这些风险。

TDM 在软件配置上的注意项

上文有说到 TDM 协议一般是三根线 (MCLK 除外)，有的编解码会有四根线，主时钟线束一般是恒定输入的，另外三根是 BCLK、SYNC、以及 SDATA (DATA 一般会有 DTX、DRX，或者自己灵活配置为 DTX 或 DRX)。那发射端和接收端要如何配置才能匹配起来呢？下面将进行一一介绍：

-确定传输多少通道的音频

我们需要根据传输多少通道的音频来选择 TDM 接口，一般是 TDM2/4/8/12/16/32 这几种，具体需要根据实际情况来选择。然后确定采样率、位深，以此得到确切的位时钟数据。例如 TDM16，采用 48khz 的采样率以及 32bit 的位深，那么其确定的 BCLK 频率就是 16 * 48khz * 32bit = 24.576Mhz。在驱动中一般需要配置具体 TDM 类型、位深和采样率，这里的配置，发射端和接收端需要保持一致。

-确定 SYNC 的类型和极性

对于帧同步信号，它的频率一般就是采样频率，比如 TDM16 的格式，在帧同步信号的一个周期内，可以传输 16 个通道的数据。同时，它有脉冲模式和 50/50 占空比模式。脉冲模式是以第一个位时钟增加一个脉冲开始，到该周期结束。50/50 占空比模式，是高低电平分别占用一半的通道，具体请查看 datasheet 的示例图。它还有一个极性，即上升沿触发还是下降沿触发。这一部分发射端和接收端也需要保持一致。

-确定 BCLK 的极性

在第一点我们已经确定了 BCLK 的时钟大概是多少，接下来还需要进行下一步的极性配置。这个极性配置其实是对应于 SDATA 位来说的，而且需要区分驱动沿和采样沿，一般情况下，发射端的驱动沿配置要和采样沿相反，有的格式要相同，具体要核对数据手册上对于该内容的描述。

其实就算配置的不对，也会有声音输出。基本上有经验的工程师都能够听出来，或者通过对数据数组中的数据进行分析，不对应的边沿，采集下来的数据无非就是溢出，或者少了一位。当发现 1khz 的正弦波进去，采出的数据具备这种波形特点，但是高位没数据，或者低位没数据，听起来原声小，噪声大，实际上就是这个原因造成的。另外，这个配置发射端和接收端可能相反，也可能相同，因此需要进行比对。

-确定 SDATA 位的格式

这里说的格式和数据传输中 MSB 以及 LSB 息息相关，这一点是针对于 SYNC 来的。在 SYNC 的周期开始时，我们可以选择 delay 1 或者左对齐右对齐等格式。这里是要严格对齐的，不然数据肯定是采集不正确的，该配置发射端和接收端需要保持一致。

以上基本就是 TDM 在软件配置中的一些注意点，当然可能有一些芯片在这些配置的基础上增加了某些其他功能，这需要具体查看对应的 datasheet。比如 ADAU1452 添加了 flexTDM 功能，AD2428 的 TDM 增加了 delay 1 SYNC 以及 offset 等等，这样做的目的基本上都是为了提升该芯片 IP 的兼容性。有一些做得差的厂商，可能他们的 IP 都无法支持 TDM32，只能支持到 TDM8，但总体来说，以上的配置指导说明能够涵盖这些基础配置。

TDM 在硬件设计上的注意项

很多人会说 TDM 不就是几根线连起来就可以了吗？然后 IIS 跑起来也没出过问题啊？大部分客户可能很少设计过 TDM8 以上的信号，同时极端情况出现的比较少，这是因为消费电子的音频受扰环境少，但在汽车电子中，外界环境比较复杂，时常出现一些不稳定的现象，下文将集中描述一些问题，同时给大家提供一些解决思路。

为什么要在发射端和接收端加电阻？

如下图 (图1) 所示，我们常常在 IC1 和 IC2 中间加个电阻，很多工程师其实都不清楚为什么要加它，它到底加多大？以下为大家进行详细说明：

图1 信号线连接示意图

通常我们看到音频芯片连接线上一般都是用 0、22、33Ω 的电阻进行连接，其实主要的目的还是为了阻抗匹配，这涉及到我们大部分的高频电子电路的应用。简单来讲就是信号源内阻、特征阻抗、还有负载阻抗，最好的状态就是实现三者的大小相等，传输过来的信号相位完全相同，当然这颇有难度。如果匹配不好不连续时，或在信号频率过高时，我们会发现信号能量丢失很多，同时反射严重，波形毛刺凌乱。其原理可以类比光进行发射时，在发生折射的同时还发生反射，所以我们至少要尽量朝着这个方向去靠近。

在芯片的 TDM IP 接口设计时，实际上发射端的阻抗一般都是偏低的，大概在 17-40Ω 左右，PCB 的单端走线一般是 50Ω，而接收端的阻抗通常又比较大，这就是一个典型的不连续不匹配的系统，所以我们通常需要加一个 22Ω 的电阻，加到靠近的发射端，这样基本能在整体上保持阻抗的连续问题。不匹配典型的波形就是过冲和振铃，如下图 (图2) 所示，而这种问题的风险就是容易导致接收端误解码。

图2 发射端与接收端不匹配典型波形图

还一种情况是吸收干扰脉冲，有时候我们走线拉得很长，然后在走线的周边又经常出现一些高速跳变的信号，尤其是平行并排走的，那么这个时候信号线非常容易受到干扰，会有一些毛刺和窄脉冲，这样我们的接收端就很不好判定了，因此容易产生问题。对于这一类问题，一般通过非平行走线减少耦合，同时接收端增加大电阻吸收窄带脉冲的能量即可。

总的来说，信号线上的电阻主要是为了匹配阻抗，降低噪声，而限流和保护作用基本上涉及比较少，因为功率总体上比较小。

在发射端和接收端到底要不要加旁路或者去耦电容？

接下来通过一个真实的案例加以说明。某客户已经把功放的所有产品需求设计好了，并且进入量产了，但是将产品装到车上后，在低温或者一些比较极限的情况下，突发无声等情况。经过许久排查，发现核心问题还是产生在 TDM 的旁路电容上。

为什么要加该电容？在汽车电子的产品中，我们都要过车规认证，这时候会产生让非常多工程师头疼的问题：当 EMI 和 EMC 等级要求过高而无法通过时，工程师就会考虑加一些电容了。一方面因为是旁路或者去耦接地能够吃掉相当一部分的能量，使得辐射减少。另一方面还能够降低噪声，提高电磁兼容性。

另外，在实际应用中还得注意谐振频率的问题，尤其是和信号频率接近的谐振频率。产生谐振后，最容易出现在我们信号的阈值附件波形抖动，尤其在一些极端条件下，电容器的温漂属性，配合自身的 ESR，以及电路中的电阻构成 RC 滤波电路。如果出现了这个问题，基本是由于 TDM 信号判定不了或者错位导致的。所以在这个电容器上，不需要经过严苛认证的一般不必加，需要过认证的要适量加大容量或者减小容量，尤其是上升沿下降沿出现回勾，而且这个频率一般是很难计算的，它和发射接收、走线以及电容本身的 ESR 都有关系。

总之，在添加电容、电阻的时候也需要用心，因为如果这些条件没添加好，都会影响波形质量。电阻加得大，波形变成三角波，电容加得大，波形爬坡变成一条弧线，上升下降沿的时间都大大增加了，从而进一步影响波形质量。

综上所述，只要对以上介绍的两点内容和硬件的 layout 设计稍作注意，一般都可以设计出比较稳定的产品。有一些客户出问题少，是因为大部分的 IIS 带宽足够低，很少出现这种情况，同时容错率比较高，芯片厂商设计的 IP 足够覆盖。这侧面也反应出，在设计中，如果使用 TDM8 足够，就不需要使用 TDM16 或者 32，因为会增加一些不必要的风险。

总结

根据上面的介绍，相信大家对 TDM 的协议和设计方式已经了解，这个格式差不多算是通用音频的基石，用的非常多，希望能对大家的设计有所帮助。同时大家在选择上可以尽可能选择支持 TDM16、32 的这种芯片，因为一般这种芯片的 IP 设计的带宽都要比那些只支持不到 TDM8 的芯片要好，尤其体现在一些高算力的 SOC 或者 DSP 上。

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