現(xiàn)代USB音頻設(shè)計挑戰(zhàn) - 全文

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　　USB音頻是絕大多數(shù)設(shè)備中普遍使用的接口，除非是最古老的個人電腦硬件和操作系統(tǒng)。以其魯棒性連接和數(shù)據(jù)傳輸速率，人們可能會認為，在這種接口上傳輸高質(zhì)量的音頻是很簡單的。然而，今天成功的基于USB的音頻產(chǎn)品無不是做了大量的芯片和系統(tǒng)方面的工作，需要解決時鐘恢復(fù)等棘手難題。

　　問題的本質(zhì)是，最后的輸出設(shè)備傳送音頻到揚聲器，耳機或線路輸出插座，這需要一個“主時鐘”來調(diào)整音頻轉(zhuǎn)換速度。這個主時鐘需要有兩個獨立的屬性：1)它一定是音頻采樣率的整數(shù)倍，這要非常精確(這樣當(dāng)時序錯誤時，你就不需要舍棄或復(fù)制音頻樣本);2)它的抖動(或者可以說是相位噪聲)必須足夠低，這樣數(shù)模轉(zhuǎn)換過程就不會受到影響。這里的挑戰(zhàn)是我們要同時滿足這兩個要求。

　　困難的一部分來自于這樣一個事實：通過USB線的數(shù)據(jù)流的接收端不知道確切的采樣率。事實上，它只能推斷理論采樣率。更重要的是，這些來自USB線的數(shù)據(jù)并沒有任何形式的時鐘。這對比其他大多數(shù)串行接口來說是明顯的不足，其它串行接口或者有一個發(fā)送時鐘，或者是構(gòu)建數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)運行時，總可以從連接上找到一個時鐘。

　　能從USB接口得到的唯一的時鐘信息就是，每毫秒特定類型的數(shù)據(jù)包會發(fā)出起始楨，這一個事件可以由接收硬件檢測到。根據(jù)已知方法，從傳輸端的系統(tǒng)時鐘可以推導(dǎo)出這一毫秒值，原音頻采樣速率也是同樣的(我們后面會簡要地討論一個例外)。

　　一個簡單的解決方法可能是，我們可以把1 kHz時鐘放到一個基于PLL的乘法器，根據(jù)需要來倍頻，以建立音頻主時鐘，所有的子時鐘都基于此。然而，在處理CD音頻的系統(tǒng)里，采樣頻率是44.1kHz，典型的傳統(tǒng)音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器需要的主時鐘是256倍，或者11.2896MHz。事實是，在一個單PLL上將輸入頻率倍頻這么大倍數(shù)性能肯定不會很好。這正擊中了乘法器的要害：環(huán)路帶寬，參考激勵拒絕，和壓控振蕩器的抖動。更重要的是，在這個案例里，我們需要用不是整數(shù)的數(shù)來乘1kHz，要完成這個任務(wù)就更難了。

　　層疊式兩種相當(dāng)復(fù)雜的乘法器環(huán)路會導(dǎo)致要工作在有相位噪聲和偽拒絕的情況下。然而，這種方法往往會導(dǎo)致電源消耗很大，這需要高端芯片，還要巧妙的模擬設(shè)計?；蛘哌@樣，寧愿相應(yīng)變慢來改變時鐘頻率需求。USB音頻鏈接的名義采樣率可能在線路之間迅速改變，要等待將近一秒來穩(wěn)定，會導(dǎo)致性能不可靠。這種方式最初應(yīng)用在固定頻率的演播室的數(shù)字音頻連接，在那里成本和尺寸都不重要。

　　在過去的幾年里，有各種不同的創(chuàng)建需要的音頻主時鐘方式，不再需要受PLL倍頻問題的困擾，他們已經(jīng)集成到了很多專用的芯片組，例如USB音箱、耳機、外部聲卡。這些器件做他們所需要的，而不需要在“如果又怎樣”能力上花費額外的芯片面積或引腳數(shù)。這當(dāng)然可以使成本下降，這樣每個人都很高興。

　　但是，如果你的下一代USB接口需求不能在特殊功能芯片上得到滿足，你該怎么做?移動設(shè)備(如媒體播放器和最新的寫字板)都是建立在新平臺上的并運行新操作系統(tǒng)的，這就需要越來越規(guī)范的USB標(biāo)準(zhǔn)來作為廣泛的附件和新增功能的有線連接選擇。這些系統(tǒng)中有一些已經(jīng)整合了USB音頻芯片，但不能滿足需求，這給器件提供基礎(chǔ)功能造成了“打擊”。USB音頻就是這些小的移動設(shè)備要求的越來越多地的功能之一。

　　從一個移動設(shè)備上以數(shù)字形式提取音頻有幾大好處。模擬音頻接口不再受到系統(tǒng)聲音質(zhì)量因素的限制。這使得音頻系統(tǒng)或播放器配件制造商可以通過他們自己的電路設(shè)計使聲音性能達到更高的水平。同樣重要的是，數(shù)字音頻鏈接改進了到TDMA接口的阻抗(叢移動設(shè)備蜂窩調(diào)制解調(diào)器耦合到系統(tǒng)中音頻回放部分模擬電路的阻抗)。

　　市場上有許多集成USB外設(shè)的微控制器，但沒有一個設(shè)計了具有必要的時鐘生成和恢復(fù)電路，而這些是用來傳輸高質(zhì)量音頻數(shù)據(jù)的(這是當(dāng)前的需求)。有時這個問題是可以解決的，可以使用外部“時鐘重啟”芯片或更復(fù)雜的音頻轉(zhuǎn)換器(集成了PLL或采樣率轉(zhuǎn)換器)，這樣來彌補主時鐘精度和質(zhì)量的差距。然而，這使系統(tǒng)回到這些問題的困擾：費用高，高功耗，元件數(shù)目多，或者所有這些都有。此外，音頻的“降頻技術(shù)”使得很長的內(nèi)存緩沖區(qū)不能在任何一個系統(tǒng)里使用，視頻圖像(甚至是幻燈片)須要為音頻調(diào)整時間。

　　USB時鐘恢復(fù)

　　最近這個問題的解決方法已經(jīng)大大簡化了，這是通過使用很實用的混合信號器件解決的，它在一顆器件里集成了單片機，可編程數(shù)字邏輯、可配置模擬電路。一個典型的例子就是賽普拉斯新的PSoC3系列(可編程片上系統(tǒng))。

　　當(dāng)系統(tǒng)“時鐘沖擊”發(fā)生時，基于微處理器的可編程設(shè)計可以很快就會適應(yīng)，因為新代碼和新電路板可以很快跟著變化，這遠比更新芯片塊多了。然而，有時候有的應(yīng)用需要專用的外設(shè)或處理器支持，可能目前還沒有集成這些微處理器。最初解決這個新問題的方案就終結(jié)了，因為只是部分組合微處理器和FPGA，PLD或者專用的固定功能芯片(經(jīng)常只是利用一半)來實現(xiàn)一些專用且必需的功能。結(jié)果線路板變大了和BOM便多了，這可能危及這個新市場。

　　高度可編程片上系統(tǒng)架構(gòu)提供了一個可供選擇的途徑。使用這樣的器件，只需花費很少的芯片設(shè)計努力——往往沒有一個具體應(yīng)用的清晰畫面場景——就可以在數(shù)字和模擬兩方面都創(chuàng)建一個更可配置的，更靈活的結(jié)構(gòu)。數(shù)字的靈活性來自于包含的模塊(通用數(shù)字模塊，或UDB)，可以獨立于主處理器核實現(xiàn)復(fù)雜的組合和有序的邏輯功能。還包括了專用協(xié)處理器可以用于頻繁產(chǎn)生的通用信號處理的任務(wù)，例如濾波功能。在模擬方面，由于具備豐富的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和片上資源，可以提高常用的運算放大器和比較器性能，可以提供一系列模擬模塊，沒有做不到，只有想不到。靈活的多域時鐘樹更使得其無所不能。

　　這些通用性器件不能總是符合專用單一功能器件所要求的成本。然而，一旦需要做一些不同的功能，比起那些沒有靈活性的拼湊的方案來說，可編程器件通常會提供最具競爭力的BOM成本。產(chǎn)品快速設(shè)計-甚至是重新設(shè)計 –這都可以保證，在過去的幾年里，可編程片上系統(tǒng)已經(jīng)對電子產(chǎn)品設(shè)計做出了重要的貢獻。

　　可編程片上系統(tǒng)已經(jīng)被實踐證明了，它具備所有的要素要求，能夠支持完整的現(xiàn)代消費類音頻設(shè)備所需的USB數(shù)字音頻能力。可編程數(shù)字邏輯，通用時鐘能力可以提供一種無需外圍器件的方法來生成所需的音頻主時鐘并快速同步，準(zhǔn)確地匹配到USB楨結(jié)構(gòu)。這個解決方案的核心是USB音頻時鐘恢復(fù)過程，其使用的基本配置見圖1框圖：

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　　圖1：USB音頻時鐘恢復(fù)結(jié)構(gòu)實例

　　可編程片上系統(tǒng)靈活的USB接口可以允許允許幾個音頻和控制協(xié)議端點功能相結(jié)合?？删幊虜?shù)字邏輯模塊矩陣實現(xiàn)了一個頻率合成系統(tǒng)，可以從一個穩(wěn)定的晶體時鐘源推導(dǎo)出任何標(biāo)準(zhǔn)的音頻采樣率主時鐘。通常模式下，時鐘鎖定來接收USB 時基(使用起始楨標(biāo)記脈沖時間)。系統(tǒng)時鐘PLL通過靈活的時鐘路由結(jié)構(gòu)融入到了這個合成器。整個系統(tǒng)完全遵循源采樣率并為系統(tǒng)的音頻轉(zhuǎn)換器提供一個高品質(zhì)的音頻主時鐘，其抖動的級別可以和現(xiàn)代品質(zhì)的音頻系統(tǒng)要求相稱。

　　音頻數(shù)據(jù)是典型的緩存到一個或多個標(biāo)準(zhǔn)I2S接口(帶有所需數(shù)目通道)的時鐘輸出，這又是可編程數(shù)字塊可以完成的。這個接口可以連接到一個標(biāo)準(zhǔn)的音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，處理器或數(shù)字放大器 。其他定制接口也可以由這些模塊實現(xiàn)，例如，S / PDIF傳輸。整個過程可以雙向操作，從ADC來的數(shù)據(jù)可以通過USB端口傳輸回去。

　　一些USB音頻模式需要本地時鐘能夠“slip”來應(yīng)對即將到來的時鐘，例如，中繼一個遠端同步音頻流的源。可編程片上系統(tǒng)架構(gòu)可以運行在一種自適應(yīng)模式，可以修整本地時鐘來提供所需的“slip”。

　　固定功能的微控制器就不能滿足這種時鐘生成過程里苛刻的性能要求。他們不靈活的時鐘生成系統(tǒng)不能調(diào)整到完全正確和低抖動，而且他們通常依靠原來的“添加/丟棄樣本”的方法。這在電話上可能是可行的，但對于高質(zhì)量的音頻來說是完全不可接受的。與此同時，專用USB音頻接口設(shè)備(是BOIM里除了控制處理器之外的必要的另一個器件)不能同時管理苛刻的雙向控制協(xié)議的傳輸，這種傳輸方式為最新的媒體播放器提供了創(chuàng)造性的新功能。

　　可編程片上系統(tǒng)在性價比上也是很不錯的。例如，可以由賽普拉斯的PSoC系列帶來附加價值， 其具備嵌入音頻濾波器引擎(數(shù)字濾波模塊DFB)。DFB可以對恢復(fù)的USB音頻進行后處理，例如，相應(yīng)均衡和交叉過濾。它有足夠的性能來實現(xiàn)額外的數(shù)字處理器件，在一堆立體聲的每個頻道可以實現(xiàn)至少十個雙二階濾波器，可以提供很好地控制頻率響應(yīng)。

　　用途廣泛的高度可配置方案必然能幫助設(shè)計者減少邏輯電路和模擬設(shè)計等瑣事。LCD驅(qū)動可以直接降低成本，電容感應(yīng)按鈕可以確保設(shè)計既美觀又時髦。如圖2所示的一個例子：一個器件就可以構(gòu)成新一代移動設(shè)備音頻附件或消費類音頻產(chǎn)品的核心，它具備了全數(shù)字音頻和數(shù)據(jù)交換的所有好處?？删幊唐骷撵`活性意味著所需的功能和接口可以集成在一個混合并匹配的基礎(chǔ)上。

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　　圖2：使用PSoC3的高端消費類音頻設(shè)備框圖

　　固定功能器件以后可能會趕上可編程片上系統(tǒng)。但采用建立在高度可配置的片上系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計的話，開發(fā)人員可以保持至少領(lǐng)先一步，并且能夠很容易應(yīng)對下一次“我們該怎么做?”的沖擊到來。