音频编解码器（Audio CODEC）是音频处理系统中的核心组件，负责 模拟信号与数字信号的相互转换，广泛应用于 智能音箱、嵌入式系统、消费电子产品 等设备。本篇文章将从 硬件结构、接口解析、驱动开发 和 软件配置 等方面，深入讲解如何正确理解和使用音频编解码器。
1. 音频编解码器的基本概念
CODEC（Coder-Decoder），即 编解码器，是一种 模数转换（ADC）和数模转换（DAC） 的组合设备，用于处理音频信号。
- ADC（Analog-to-Digital Converter）：将模拟音频信号转换为数字信号，以便后续 数字信号处理（DSP） 或存储。
- DAC（Digital-to-Analog Converter）：将数字音频信号转换回模拟信号，用于 播放或驱动扬声器。
- 数字接口（Digital Interface）：CODEC 需要与 SoC（System on Chip）或 DSP 进行通信，常见协议包括 I2S、SAI、TDM、PDM 等。
2. 音频编解码器的硬件接口解析
音频 CODEC 通常需要多个信号线来完成音频数据的传输和控制。以下是常见的 接口 及其功能解析。
2.1 数据传输接口
| 接口名称 | 作用 | 备注 |
|---|---|---|
| I2S（Inter-IC Sound） | 最常见的音频传输协议，支持 立体声、同步传输 | 传统音频传输接口 |
| SAI（Serial Audio Interface） | 高级音频接口，可支持 多声道、TDM | 现代嵌入式系统更倾向使用 |
| TDM（Time Division Multiplexing） | 多通道音频传输 | 适用于高通道数音频数据 |
| PDM（Pulse Density Modulation） | 用于 MEMS麦克风 | 适用于数字麦克风 |
2.2 控制接口
| 接口名称 | 作用 | 备注 |
|---|---|---|
| I2C（Inter-Integrated Circuit） | 用于 配置 CODEC 寄存器，例如音量控制、模式切换 | 常见于低速控制接口 |
| SPI（Serial Peripheral Interface） | 另一种寄存器配置方式，比 I2C 速度更快 | 高速控制应用 |
| GPIO（General-Purpose Input/Output） | 用于 静音控制、复位、功放开关等 | 可选功能 |
2.3 时钟信号（Clock）
音频 CODEC 需要稳定的时钟信号才能正确工作，通常包括：
| 时钟信号 | 作用 | 备注 |
|---|---|---|
| MCLK（Master Clock） | 主要时钟源，用于 CODEC 内部采样时钟 | 典型频率 12.288MHz |
| BCLK（Bit Clock） | 数据传输时钟，决定比特速率 | 由 I2S/SAI 传输协议提供 |
| WS（Word Select） | 用于同步左右声道的数据 | 44.1kHz / 48kHz |
3. 音频编解码器驱动开发（Linux ALSA 驱动）
在 Linux ALSA（Advanced Linux Sound Architecture） 框架下，音频驱动通常由 设备树（Device Tree）、机器驱动（Machine Driver）、CPU DAI（Digital Audio Interface）驱动、CODEC 驱动 组成。
3.1 设备树（Device Tree）配置
在设备树中，需要配置 SAI 接口与 CODEC 之间的连接，例如：
&sai1 {
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_sai1>;
assigned-clocks = <&clk IMX8MP_CLK_SAI1>;
assigned-clock-parents = <&clk IMX8MP_AUDIO_PLL1_OUT>;
assigned-clock-rates = <12288000>;
fsl,sai-mclk-direction-output;
status = "okay";
};
&sound {
compatible = "simple-audio-card";
simple-audio-card,name = "Audio CODEC";
simple-audio-card,format = "i2s";
simple-audio-card,bitclock-master = <&cpu_dai>;
simple-audio-card,frame-master = <&cpu_dai>;
};
3.2 编写驱动（Machine Driver）
机器驱动主要是 连接 CPU DAI 和 CODEC，可以参考 ALSA 示例：
static struct snd_soc_dai_link my_board_dai[] = {
{
.name = "SAI3-Codec",
.stream_name = "Audio Playback",
.cpu_dai_name = "30050000.sai",
.codec_dai_name = "wm8960-hifi",
.platform_name = "30050000.sai",
.codec_name = "wm8960.1-001a",
.dai_fmt = SND_SOC_DAIFMT_I2S | SND_SOC_DAIFMT_NB_NF,
},
};
4. 配置和测试音频驱动
4.1 在 Linux 下检测音频设备
cat /proc/asound/cards
aplay -l # 列出所有播放设备
arecord -l # 列出所有录音设备
4.2 播放音频测试
aplay -D hw:0,0 -f S16_LE -r 48000 test.wav
4.3 录音测试
arecord -D hw:0,0 -f S16_LE -r 48000 -c 2 -d 10 test_record.wav
5. 结论与发展趋势
近年来，SAI（Serial Audio Interface）逐渐取代传统 I2S，成为主流 SoC 音频接口，具备以下优势：
- 支持多通道传输，适用于 高端音频处理。
- 兼容 I2S、TDM，灵活性更高。
- 更高带宽支持，适用于高保真音频。
未来，音频编解码器将继续向 高集成度、低功耗、智能化方向发展，结合 AI 语音处理、无线音频传输（如蓝牙 LE Audio），推动智能音频设备的发展。
以上内容从 硬件接口、驱动开发、配置调试 等方面，全面解析了 音频编解码器，希望对你理解 音频系统的实现 有帮助！