【干货】一文带你彻底搞懂数字音频PCM接口：从通信基石到多声道TDM应用

 

对于数字音频接口，我们之前对I2S已经进行了解析，其实我们除了I2S之外，还经常看到PCM接口。它也是一种常见的数字音频信号传输接口，广泛应用于微处理器或DSP与音频设备之间的通信。通过将模拟音频信号转换为数字形式进行传输，具有高效、兼容性强的特点。

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一、PCM与TDM的诞生历程

1937年，工程师A.里弗斯提出的脉冲编码调制（PCM）理论，为模拟音频数字化奠定了基础。这一技术通过采样、量化、编码三步核心流程，将连续变化的模拟音频信号转换为离散数字信号——以固定时间间隔采样（如CD的44.1kHz），将采样幅度量化为二进制数值（如16位深度），最终编码为可传输的数字序列。

但受限于早期半导体技术成本与计算能力，PCM长期停留在理论阶段。直到20世纪60年代，通信行业对传输容量的迫切需求推动其落地：

• 贝尔实验室1962年构建的首个数字通信系统，采用PCM技术实现24路电话信号复用传输，形成T1标准（1.544Mbit/s）;
• 1968年欧洲推出E1标准（2.048Mbit/s），将30路语音信号纳入PCM帧结构。

80年代CD的普及让PCM进入消费领域，其16位/44.1kHz规格成为高保真音频的标杆。

而TDM（Time Division Multiplexing，时分复用） 的出现，为PCM信号的高效传输铺平了道路。需要注意的是，TDM并非独立接口，而是PCM信号的高效传输方案。

随着音频系统从双声道向多声道演进，仅能传输2路信号的I2S接口逐渐受限——例如智能音箱的多麦克风阵列、车载多音源系统需要同时处理多路音频数据。

TDM通过“时间切片”机制解决这一难题：

• 将传输时间划分为多个连续“时隙”（Slot），每个时隙分配给一路PCM信号;
• 在单一数据线上按序传输，接收端再通过帧同步信号拆分各路数据。

这种设计大幅减少了管脚数量——传输8路32位PCM信号时，TDM仅需4根线（时钟、帧同步、输入/输出数据），而I2S需4组共16根线。

注意：TDM并无统一国际标准，不同厂商在时钟极性、时隙触发条件等细节上存在差异。

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二、PCM接口的三大关键步骤

PCM接口的性能优劣，直接取决于其背后的“采样、量化、编码”三大核心步骤，这三个环节共同决定了数字音频的“保真度”。

2.1 采样：“抓拍”音频波形的“瞬间状态”

采样的本质是“定期读取模拟音频波形的幅度值”，就像用相机每隔固定时间抓拍一张照片，再将照片连起来还原动态画面。

核心参数：

• 采样率： 单位时间内的采样次数，单位是Hz。例如CD音质的标准采样率是44.1kHz。
• 奈奎斯特准则： 采样率必须至少是音频最高频率的2倍，才能完整还原信号。

2.2 量化：给“抓拍的幅度”定一个“精确刻度”

量化是将采样得到的幅度值，对应到有限的“量化等级”中。

• 量化位数： 决定了“幅度值的精度”，如16bit可划分65536个等级。
• 量化误差： 实际幅度值与量化等级的偏差会产生“量化噪声”。

2.3 编码：将“量化结果”转化为“二进制数据”

编码是将量化后的数值转化为“0”和“1”组成的二进制代码，PCM采用“线性编码”方式，最大程度减少编码过程中的失真。

采样、量化、编码示意图

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三、接口构成与工作机制

3.1 PCM接口

PCM接口采用4线基础架构，与I2S接口硬件兼容但时序不同：

PCM接口时序图

• PCM_CLK（比特时钟）： 每时钟周期传输1位数据。
• PCM_SYNC（帧同步）： 标识数据帧起始，频率等于采样率。
• PCM_IN/PCM_OUT（数据输入/输出）： 传输双向PCM数据流。

3.2 TDM的核心参数与计算逻辑

• 帧长（FrameSize）： 单帧包含的总比特数，如TDM256。
• 时钟速率： 由“采样率×帧长”计算。
• 时隙分配： 每路信号占用的比特数可大于量化深度。

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四、应用场景

4.1 通信领域

• 手机与基站：AP处理器通过PCM接口与通信Modem连接。
• 蓝牙通话：语音链路采用PCM传输。
• 程控交换机：基于E1/T1标准的PCM复用技术。

4.2 智能硬件

• 智能音箱：7麦克风阵列通过TDM接口连接处理器。
• 智能家居中控：整合多路音频信号。
• 专业录音设备：多通道声卡采用TDM接口。

4.3 车载系统

• 智能座舱：复用传输8-16路音频信号。
• 主动降噪系统：麦克风信号经TDM接口传入处理器。
• 车载会议系统：多座位麦克风通过TDM同步传输。

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五、技术对比

PCM/TDM与其他接口对比图

尽管面临USB Audio、MADI等高速接口的冲击，PCM/TDM仍能凭借低延迟、高可靠性、硬件成本低的优势，在板级传输、实时语音等场景中不可替代。

未来随着车规级芯片与AIoT设备的普及，TDM接口将向更高帧长（如TDM512）、更低功耗方向演进，持续扮演数字音频“传输中枢”的角色。