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公開：2024-04-08

I2S(Inter-IC Sound)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

I2S(Inter-IC Sound)とは

I2SはInter-IC Soundの略称で、デジタル音声データを伝送するための電気的なシリアルバスインターフェースです。I2Sは主にオーディオ機器内部でのデジタル音声データの伝送に使用されています。

I2Sはマスタークロック(SCK)、ワードセレクト(WS)、シリアルデータ(SD)の3本の信号線で構成されています。SCKはデータの同期を取るためのクロック信号で、WSは左右のチャンネルを切り替えるための信号です。

I2SはDACやADCなどのオーディオコーデックと、DSPやマイコンなどの処理装置間で、デジタル音声データを伝送するために使用されます。I2Sはデータの伝送レートが高く、低ジッタ性能に優れているため、高品質な音声伝送が可能となっています。

I2Sのデータフォーマットは左チャンネルと右チャンネルのデータが交互に伝送されます。データはMSBファーストで伝送され、1サンプルあたり16ビットから32ビットのデータ長に対応しています。

I2Sは多くのオーディオ機器で採用されており、デファクトスタンダードとなっています。I2Sを使用することで、オーディオ機器間での相互接続が容易になり、高品質な音声伝送が実現できます。

I2Sの物理層とプロトコル

I2Sの物理層とプロトコルについて、以下3つを簡単に解説していきます。

• I2Sの物理層における信号線と信号レベル
• I2Sのデータフォーマットとタイミング
• I2Sのマスタースレーブ方式とクロック同期

I2Sの物理層における信号線と信号レベル

I2Sの物理層はSCK、WS、SDの3本の信号線で構成されています。これらの信号線はCMOS レベルまたは TTL レベルの電圧レベルで動作します。

SCKはデータの同期を取るためのクロック信号で、通常はオーディオサンプリング周波数の32倍から512倍の周波数で動作します。WSは左チャンネルと右チャンネルを切り替えるための信号で、SCKと同期して動作します。

SDはシリアルデータ信号で、MSBファーストで伝送されます。I2SではSDは1サンプルあたり16ビットから32ビットのデータ長に対応しており、データはSCKに同期して伝送されます。

I2Sのデータフォーマットとタイミング

I2Sのデータフォーマットは左チャンネルと右チャンネルが交互に伝送される形式となっています。WSは左チャンネルと右チャンネルを切り替えるための信号で、WSが High の期間が左チャンネル、Low の期間が右チャンネルとなります。

I2SのデータはSCKに同期して伝送されます。SCKの立ち上がりエッジでデータが確定し、立ち下がりエッジでデータが変化します。WSはSCKと同期して動作し、WSの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジがチャンネルの切り替わりタイミングとなります。

I2Sでは1サンプルあたり16ビットから32ビットのデータ長に対応しており、データ長はI2Sのモードによって異なります。I2Sのモードには標準モード、左詰めモード、右詰めモードがあり、データ長やデータの配置が異なります。

I2Sのマスタースレーブ方式とクロック同期

I2Sはマスタースレーブ方式で動作します。マスター側がSCKとWSを生成し、スレーブ側がそれに同期して動作します。マスター側とスレーブ側はSCKとWSを共有することで、データの同期を取ります。

I2Sではマスター側とスレーブ側のクロックは同期して動作する必要があります。クロックの周波数差や位相差があると、データの伝送エラーが発生する可能性があります。そのため、I2SではPLLを使用してクロックを同期させることが一般的です。

I2Sのマスタースレーブ方式ではマスター側とスレーブ側の役割を固定することも、動的に切り替えることも可能です。また、I2Sでは複数のスレーブ機器を接続することもできます。その場合はマスター側がクロックを生成し、スレーブ機器間でデイジーチェーン接続を行います。

I2Sの応用例と利用シーン

I2Sの応用例と利用シーンについて、以下3つを簡単に解説していきます。

• I2Sを用いたオーディオ機器の構成例
• I2Sを使用したマルチチャンネルオーディオシステム
• I2Sのその他の応用例と将来性

I2Sを用いたオーディオ機器の構成例

I2Sはオーディオ機器内部でのデジタル音声データの伝送に広く使用されています。代表的な例として、CDプレーヤーやデジタルオーディオプレーヤーなどの再生機器があります。これらの機器ではCDやメモリに記録されたデジタル音声データを、I2Sを介してDACに伝送し、アナログ信号に変換します。

また、AVアンプやオーディオインターフェースなどの機器でも、I2Sが使用されています。AVアンプではHDMI入力されたマルチチャンネルオーディオをI2Sに変換し、内部のDACで処理することができます。オーディオインターフェースではI2Sを介して、パソコンとデジタルオーディオ機器を接続することができます。

その他にも、ポータブルオーディオプレーヤーやスマートフォンなどの機器でも、I2Sが使用されています。これらの機器ではI2Sを介して、内蔵のDACやコーデックとオーディオ処理回路を接続しています。

I2Sを使用したマルチチャンネルオーディオシステム

I2Sは2チャンネルのステレオ音声だけでなく、マルチチャンネルオーディオにも対応しています。I2Sを使用することで、5.1chや7.1chなどのサラウンド音声を伝送することができます。

マルチチャンネルオーディオシステムではI2Sを使用して、AVアンプとスピーカーを接続することができます。AVアンプではHDMI入力されたマルチチャンネルオーディオをI2Sに変換し、I2Sを介して各チャンネルのスピーカーに伝送します。

また、ホームシアターシステムでも、I2Sを使用したマルチチャンネルオーディオ伝送が行われています。ホームシアターシステムではブルーレイプレーヤーやゲーム機などの機器がI2Sを出力し、AVアンプがI2Sを入力して、各チャンネルのスピーカーに伝送します。

I2Sのその他の応用例と将来性

I2Sはオーディオ機器だけでなく、その他の分野でも応用されています。例えば、産業用機器や医療機器などではI2Sを使用して、音声データを伝送することがあります。また、IoT機器でも、I2Sを使用して、音声データを伝送することができます。

I2Sはデジタルオーディオ伝送のデファクトスタンダードとして広く普及しており、今後も継続的に使用されていくと考えられます。また、I2Sを拡張したI2S-TDMなどの新しい規格も登場しており、マルチチャンネルオーディオ伝送のさらなる高音質化や大容量化が期待されています。

I2Sはオーディオ機器のデジタル化が進む中で、重要な役割を果たしています。今後も、I2Sを使用した新しい応用例が登場することが期待されており、オーディオ分野だけでなく、様々な分野での活用が期待されています。

I2Sの設計における留意点とトラブルシューティング

I2Sの設計における留意点とトラブルシューティングについて、以下3つを簡単に解説していきます。

• I2Sの配線とグランディングの注意点
• I2Sの信号品質の確保とノイズ対策
• I2Sのトラブルシューティングと解決方法

I2Sの配線とグランディングの注意点

I2Sの配線では信号線の引き回しやグランディングに注意が必要です。I2Sの信号線は高速のデジタル信号であるため、配線の引き回しによっては信号の反射やクロストークが発生する可能性があります。そのため、信号線はできるだけ短く引き回し、ツイストペアケーブルを使用するなどの対策が必要です。

また、I2Sの信号線はグランドラインとの間で、適切なインピーダンス整合を取る必要があります。グランドラインのインピーダンスが高いと、信号の反射が発生し、信号品質が劣化する可能性があります。そのため、グランドラインは低インピーダンスで、信号線と同じ長さで引き回すことが望ましいです。

I2Sの回路設計では電源のデカップリングにも注意が必要です。I2Sの回路は高速のデジタル信号を扱うため、電源ラインにノイズが乗ると、信号品質が劣化する可能性があります。そのため、電源ラインには適切なデカップリングコンデンサを配置し、ノイズを低減することが重要です。

I2Sの信号品質の確保とノイズ対策

I2Sの信号品質を確保するためには配線やグランディングだけでなく、回路設計にも注意が必要です。I2Sの信号線は高速のデジタル信号であるため、回路内のインピーダンス不整合や寄生容量などの影響を受けやすくなっています。そのため、回路設計ではこれらの影響を最小限に抑えるように設計することが重要です。

また、I2Sの信号線は外部からのノイズの影響を受けやすいため、適切なノイズ対策が必要です。ノイズ対策としてはシールドケーブルの使用や、回路基板上でのグランドプレーンの設置などが効果的です。また、I2Sの信号線はクロック信号と同期して動作するため、クロック信号のジッタにも注意が必要です。

I2Sの信号品質を評価するためにはオシロスコープを使用して、信号波形を観測することが有効です。信号波形を観測することで、信号の立ち上がりや立ち下がりの特性、ノイズの有無などを確認することができます。また、スペクトラムアナライザを使用することで、信号の周波数特性を評価することもできます。

I2Sのトラブルシューティングと解決方法

I2Sを使用する際には様々なトラブルが発生する可能性があります。代表的なトラブルとしては音が出ない、ノイズが発生する、音が途切れるなどがあります。これらのトラブルを解決するためには原因を特定し、適切な対策を講じる必要があります。

I2Sのトラブルの原因としては配線の問題、グランディングの問題、信号品質の問題、デバイス間の相性の問題などが考えられます。トラブルシューティングではこれらの原因を一つ一つ切り分けていく必要があります。

具体的には配線の接続状態を確認したり、グランドラインの導通を確認したりすることが重要です。また、オシロスコープを使用して、信号波形を観測することで、信号品質の問題を特定することができます。デバイス間の相性の問題がある場合は別のデバイスを使用してみるなどの対策が必要となります。

I2Sのトラブルを解決するためにはI2Sの仕様や回路設計に関する知識が必要不可欠です。また、トラブルシューティングには根気強く原因を切り分けていく姿勢が重要となります。I2Sのトラブルは複合的な要因によって発生することが多いため、原因の特定には時間がかかることもあります。しかし、原因を特定し、適切な対策を講じることで、安定したI2S伝送を実現することができます。

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