暗藏於晶片間的數位「聲道」玄機：I2S介面

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與I2C字樣與含意相近的，I2S的全稱是Inter-IC Sound，意指在晶片間傳遞的音源，至於會有哪些晶片需要相互傳遞數位音源，這包括了數位信號處理器（DSP）、類比數位轉換晶片（ADC）、數位類比轉換晶片（DAC）、數位過濾晶片（Digital Filter）、CD更錯晶片（Error Correction）、數位錄音晶片（Digital Recording）、數位電視音源晶片（Digital TV）、數位錄音帶（Digital Audio Tape）等，另外全球定位系統晶片（GPS）、數位廣播晶片（DAB）等也經常用上，或者SPDIF與I2S兩種介面都提供，前者適合外傳、外接，後者方便數位音源在機內進行再傳遞、再轉換、再處理。

簡單而言I2S有3條線路，稱呼與功用大體如下：

■SCK（continuous Serial Clock）：串列傳輸的時脈線，專精、獨立的時脈傳遞。
■SD（Serial Data）：串列傳輸的資料線，傳遞兩個聲道的數位音源資訊。
■WS（Word Select）：字元選擇線，字元（Word）在此所指即是音源聲道（Channel）。

這3條線路的邏輯電壓準位等相關要求，全然比照一般TTL標準，即0V∼0.8V為Lo、2.4∼5.0V為Hi，就連源出（Source）與汲入（Sink）的電流值標準也類同於TTL，事實上I2S本就發創於標準TTL仍相當盛行的80年代，因此電氣特性的表現過於「基本」自然不足為怪。

接著我們要說明I2S的連接，一般而言I2S是一對一的連接，即音源發送端與音源接收端直接相連，且SD的資料傳輸永為單一方向不會改變，並非是雙向式傳輸。進一步的，到底由誰來發送SCK時脈呢？無論發送端或接收端都可擔任，不過必須在設計之初就決定由哪端發出，且在運作過程中無法再行變換。

同樣的，WS聲道控制線路也要一起頭就決定由誰來輸出，當WS輸出0時表示SD將要輸出的是Channel 1（或稱Channel A）的左聲道音源，反之輸出1則是Channel 2（或稱Channel B）的右聲道音源。簡單來說，3線都是單方單向的傳遞線路。

雖然在I2S介面上有收有發，但誰是I2S介面的主控者（Master）、受控者（Slave）呢？這取決於線路的配置法，凡是對外輸出SCK線路訊號的即是I2S的主控者，至於SD、WS在設計上可決定由主控端發送，也可決定由受控端發送，毫不影響主控、受控的角色。

另外也有一種比較特別的搭配組態，即是由一個超然中立的控制端來充當主控者，由它來廣播SCK時脈訊號，同時也由其來掌控及發送WS訊號。

附註：一般而言主控者選擇擔任發送端後就無法擔任接收端，或擔任接收端後就無法擔任接收端，不過若真的希望角色能互換，也是允許用軟體對接腳進行輸出入功用的再設定、轉換來實現。



▲圖說：誰負責SCK的對外發送，誰就是I2S介面中的主控者，無論發送器、接收器、控制器都可以是主控者。（圖片來源：Semiconductors.Philips.com）

刻意安排先行傳輸MSB的用意

接著我們要說明收端兩端如何傳遞SD資訊，此即是以SCK時脈為基準，當SCK由Lo轉成Hi（即上升緣觸發）時，發送端的SD資訊就會被接收端給閂鎖（Latch）。一旦Latch後，下一筆資料可選擇在任何時間進行變換，I2S對資料的變換時機沒有強制的要求。至於WS，一樣可在任何時間進行變化，但接收端的取樣與資訊認定一樣發生在上升緣觸發的時間點。

值得注意的是，WS的0、1狀態轉變時，同一上升緣的SD資訊依然是WS未轉態前的聲道資訊，確定WS狀態轉變後，下一個上升緣時SD線路才正式傳輸WS新指定聲道的音源資訊，畢竟接收端在接獲聲道變換的訊息後，需要一點時間進行內部邏輯機制的調整與準備，無法即時接收反應。

再來是壓軸部分：SD的數位音源傳輸，SD的串列傳輸順序是先傳遞最高位元（MSB，亦稱最高影響性位元），最後才傳遞LSB，或許有人認為這只是設定安排上的不同，應當也可以將順序反過來傳遞，但其實不然，以MSB為最優先傳送實有其充分理由。

I2S希望做到收發兩端不需任何的事先溝通協議就能正常進行傳遞，而所謂事先協議指的是讓兩端取得默契，如接下來的傳輸將是每聲道、每取樣多少位元解析度的資訊，是16-bit？20-bit？還是24-bit？

I2S之所以能不用事先溝通就可以直接傳送，就在於使用MSB先傳的特性，如果發送端是20-bit，接收端是更高解析度的24-bit，那麼傳送完20bits後的剩餘4bits可以由接收端自行補「0」，反過來說，若接收端只有16-bit，則傳送過來的20bits中，最後的4bits資訊可以直接丟捨忽略。同樣的道理並不限於上面所述的16-bit、20-bit、24-bit，只要有解析度位元數差距的情形都一律適用。



▲圖說：I2S在進行WS邏輯位準的改變後，SD便在下一個SCK時脈時開始傳輸另一聲道的數位音訊，並從MSB開始傳遞。（圖片來源：Semiconductors.Philips.com）

至於I2S可以含在多少音源資訊？以基本規範而言，一個時脈400nS，因此傳輸頻率為2.5MHz，等於可傳送2.5Mbps，如此約可傳遞24-bit解析度、48kHz取樣率的雙聲道音源，因為：

24bits x 48000Hz x 2Channel = 2304000bits/Sec = 2.304Mbps

2.5Mbps減去2.304Mbps後，只剩200kbps不到的傳輸頻寬，實在無法再傳遞什麼。不過，由於I2S在時序上的制訂都盡可能採行相對性、比例性的定義，以一個時脈週期為基準並稱為T，高低準位的時間最少須大於0.35T，延遲時間必須小於0.8T，上升時間必須大於0.15T等，這表示整個傳輸可以單純地透過時脈頻率拉升來加速資料傳量，不需要為提昇傳輸而有太多的環節顧慮。

附註：一般音樂CD的解析度為16-bit，取樣率為44.1kHz，但也可增至更優質的20-bit、24-bit，而專業的DAT其取樣率為48kHz，而DSR稍低，為32kHz。

▲圖說：I2S介面對時序的規範要求都盡可能採行相對性、比例性的設計，以SCK的一個時脈週期為T，其餘相關要求都以T為基準比例。（圖片來源：Semiconductors.Philips.com）

結論

在今日大談5.1、6.1的多聲道時代，以及Intel提出解析度高達32-bit的高清晰度音效（HD Audio）的時代，各位可能會對筆者在此所談論的雙聲道、24-bit感到不耐，然各位仔細想，眼前可有解析度高達32-bit的錄音麥克風？即便有可有任何音樂內容是以32-bit取樣錄製？（18-bit已是極優）很明顯的，24-bit依舊是萬中挑一的嚴選，一般多為16-bit、20-bit，就連DVD-Audio、SACD等也僅在24-bit。

另外5.1、6.1的多聲道，也僅適合在打造家庭劇院，狹小、個人專用的書房空間並不合適，且只有一人使用的情況下甜蜜區（Sweet Spot）不需太大，用2.1的喇叭組態便能營造足夠的方位音效感，至於真正要如電影般的大範圍甜蜜區佈建，就要動用如SDDS（Sony Dynamic Digital Sound）的7.1組態，一般5.1也辦不到。

況且，在外出時的個人使用，或在車內等場合也不能用多聲道，除非是林肯級座車才有可能，一般房車休旅車同樣是雙聲道即足夠，而在隨身用、車用電子、DAB/DVB/DMB（數位音訊、視訊、多媒體資訊廣播）、GPS等興盛的今天，電子工程師必然要務實地對機外SPDIF、機內I2S等數位音訊介面有通透性瞭解才行。

附註：I2S之後亦有增強型規格，稱為I2S Enhanced。

▲圖說：要佈建電影院等級的大範疇方位音效甜蜜區，需動用SDDS（Sony Dynamic Digital Sound）的8聲道技術才行。（圖片來源：SDDS.com）