理解PCM、PDM、I2S、TDM

在开始前，要先明确一点：在这四个名词概念中，PCM与PDM指的是”编码方式“（数字音频的表示方法），而I2S与TDM则指的是“传输协议”（数字音频的传输规则）。

PCM

PCM介绍

脉冲编码调制（英语：Pulse-code modulation，缩写：PCM）是一种模拟信号的数字化方法。PCM将信号的强度依照同样的间距分成数段，然后用独特的数字记号（通常是二进制）来量化。PCM常用于数字电信系统上，也是电脑和红皮书中的标准形式。在数字视频中它也是标准，例如使用 ITU-R BT.601。

但是PCM并不流行于诸如DVD或DVR的消费性商品上，因为它需要相当大的比特率（DVD格式虽然支持PCM，不过很少使用）；与之相较，压缩过的音频较符合效率。不过，许多蓝光光盘使用PCM作音频编码。非常频繁地，PCM编码以一种串行通信的形式，使数字传讯由一点至下一点变得更容易——不论在已给定的系统内，或物理位置。
——引用自Wiki

PCM 是最基础的数字音频编码方式，几乎所有数字音频的处理、存储、传输都以它为核心。

PCM定义

PCM是一种将模拟音频信号（如声音的振动）转换为数字信号的编码方式：

采样：按固定频率（采样率，如 44.1kHz）对模拟信号的幅度进行 “快照”；
量化：将每个采样点的幅度用固定位数的二进制数表示（量化位数，如 16bit、24bit、32bit）；
编码：将量化后的二进制数按顺序排列，形成数字数据流。

例如，CD 音质的音频就是 “44.1kHz 采样率 + 16bit 量化” 的 PCM 数据，存储为 WAV 文件时本质就是 PCM 流。
而我的VDS设计中，无线输出的音频数据就是48kHz采样率 + 24bit 量化 + 3通道的PCM数据流。

在下图中，可以简单看到PCM编码的运作方式：按固定采样频率，在每个时间节点将音频的大小的模拟数据转化为数字数据，并且按顺序排列，而量化位数越高，则每次采样所转化的数字数据越准确。

图1 PCM编码方式，来自Wiki

PCM特点

普适性：几乎所有数字音频设备（如 DAC、ADC、播放器）都支持 PCM；
数据格式：每声道数据 = 采样率 × 量化位数（如 44.1kHz×16bit=705.6kbps / 声道，双声道则翻倍）；
缺点：需要 ADC（模转数）进行量化，电路复杂度中等。

PDM

PDM介绍

脉冲密度调制（英语：Pulse Density Modulation，PDM）是一种二进制信号的模拟信号调制方法。在PDM信号中，脉冲的相对密度对应模拟信号的幅度，并不像脉冲编码调制（PCM）中那样，特定的幅度值不被编码成不同权重的脉冲码。1位DAC的输出与信号的PDM编码相同。

脉冲宽度调制（PWM）是PDM的一种特殊情况，其中开关频率是固定的，并且对应于一个样本的所有脉冲在数字信号中是连续的。对于分辨率为8位的50％电压，PWM波形将打开128个时钟周期，然后在剩余的128个周期内关闭。利用PDM和相同的时钟速率，信号将在每隔一个周期的开启和关闭之间交替。两种波形的平均值均为50％，但PDM信号更频繁地切换。对于100％或0％的水平，它们是相同的^[1][2][3]。
——引用自Wiki

PDM 是另一种数字音频编码方式，与 PCM 并列，核心是用 “脉冲密度” 表示模拟信号的幅度。

既然此处Wiki提到了PWM，那就顺带讲解一下PDM与PWM的关系：

PDM与PWM

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）和 PDM（Pulse Density Modulation，脉冲密度调制）同属脉冲调制技术，核心都是通过 “脉冲信号” 传递信息，因此在原理和应用场景上有一定关联，但本质上是两种不同的调制方式。

两者共同点

两者均为脉冲调制
两者都用 “脉冲的特征变化” 表示模拟信号的幅度：
- PWM 通过脉冲宽度（占空比）的变化传递信息；
- PDM 通过单位时间内脉冲数量（密度）的变化传递信息。
两者可用于模拟信号的数字化表示
都能将连续的模拟信号（如音频、电压）转换为离散的脉冲流，因此常被用于低成本的信号传输或转换场景（如音频输出、电机控制）。

两者核心差别

维度	PWM（脉冲宽度调制）	PDM（脉冲密度调制）
核心特征	脉冲宽度随信号幅度变化（占空比 = 信号幅度比例）	单位时间内脉冲数量随信号幅度变化（密度 = 幅度）
脉冲频率	固定（如 20kHz），脉冲间隔均匀	不固定（通常高频，如 1-32MHz），脉冲间隔可变
示例	模拟信号幅度为 50% → 脉冲占空比 50%（如 10ms 脉冲 + 10ms 空闲）	模拟信号幅度为 50% → 100 个周期内 50 个脉冲
频谱特性	主要能量集中在调制频率的谐波处，需低通滤波抑制高频噪声	能量分布较分散，需抽取滤波转换为 PCM
典型应用	电机调速、LED 调光、D 类功放（直接驱动扬声器）	MEMS 麦克风输出、低成本音频采集（需转 PCM 处理）

PDM：主要用于音频采集（如 MEMS 麦克风直接输出 PDM 信号，需通过芯片转换为 PCM 后才能被播放器处理）；
PWM：主要用于音频输出（如 D 类功放将 PCM 信号转换为 PWM 脉冲，直接驱动扬声器，省去数模转换环节，效率更高）。

可以在下图中看到二者的区别处：

图2与图3 PDM编码方式，来自Wiki

图4 PWM编码方式，来自kebamerica.com

PDM定义

模拟信号幅度越高，单位时间内的脉冲数量（密度）越大；
无需量化为固定位数的二进制数，直接输出高频脉冲流（通常 1-32MHz）；
例如：模拟信号为正峰值时，脉冲占空比接近 100%；负峰值时接近 0%；零电平时约 50%。

PDM特点

低成本：MEMS 麦克风等设备可直接输出 PDM，无需复杂 ADC（PCM 需要 ADC 量化）；
高采样率：脉冲频率通常为 MHz 级（如 1MHz），远高于 PCM 的 44.1kHz/48kHz；
需转换为 PCM：PDM 无法直接用于多数音频处理（如播放、存储），需通过 “抽取滤波”（Decimation Filter）转换为 PCM（例如将 1MHz PDM 转为 48kHz 16bit PCM）；
应用场景：MEMS 麦克风（手机、耳机）、低成本音频设备。

I2S

I2S介绍

I2S （Inter-IC Sound，集成电路间音频接口）是由飞利浦定义的，专门用于传输 PCM 数据的短距离传输协议，主要用于芯片级通信（如 MCU 与 DAC、ADC 之间）。

I2S核心作用

解决 PCM 数据在设备间传输时的 “同步” 和 “声道区分” 问题。

I2S信号组成（典型 4 线制）

SCK（Serial Clock，串行时钟；亦称BCLK，即位时钟 Bit Clock）：数据传输的节拍时钟，频率 = 采样率 × 量化位数（如 16bit×44.1kHz=705.6kHz）；
WS（Word Select，声道选择；亦称FSYNC，即帧同步 Frame Synchronous）：区分左 / 右声道的同步信号（低电平 = 左声道，高电平 = 右声道），频率 = 采样率（如 44.1kHz）；
SD（Serial Data，串行数据）：传输 PCM 数据（高位在前，低位在后）；
MCLK（Master Clock，主时钟）：用于设备内部时钟同步（可选，通常为采样率的 256/384 倍，如 44.1kHz×256=11.2896MHz）。