應(yīng)對(duì)現(xiàn)代USB音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)
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問(wèn)題的本質(zhì)是，最后的輸出設(shè)備傳送音頻到揚(yáng)聲器，耳機(jī)或線路輸出插座，這需要一個(gè)“主時(shí)鐘”來(lái)調(diào)整音頻轉(zhuǎn)換速度。這個(gè)主時(shí)鐘需要有兩個(gè)獨(dú)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(shí)序錯(cuò)誤時(shí)，你就不需要舍棄或復(fù)制音頻樣本）；2）它的抖動(dòng)（或者可以說(shuō)是相位噪聲）必須足夠低，這樣數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程就不會(huì)受到影響。這里的挑戰(zhàn)是我們要同時(shí)滿足這兩個(gè)要求。
困難的一部分來(lái)自于這樣一個(gè)事實(shí)：通過(guò)USB線的數(shù)據(jù)流的接收端不知道確切的采樣率。事實(shí)上，它只能推斷理論采樣率。更重要的是，這些來(lái)自USB線的數(shù)據(jù)并沒(méi)有任何形式的時(shí)鐘。這對(duì)比其他大多數(shù)串行接口來(lái)說(shuō)是明顯的不足，其它串行接口或者有一個(gè)發(fā)送時(shí)鐘，或者是構(gòu)建數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)運(yùn)行時(shí)，總可以從連接上找到一個(gè)時(shí)鐘。
能從USB接口得到的唯一的時(shí)鐘信息就是，每毫秒特定類型的數(shù)據(jù)包會(huì)發(fā)出起始楨，這一個(gè)事件可以由接收硬件檢測(cè)到。根據(jù)已知方法，從傳輸端的系統(tǒng)時(shí)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(huì)簡(jiǎn)要地討論一個(gè)例外）。
一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法可能是，我們可以把1 kHz時(shí)鐘放到一個(gè)基于PLL的乘法器，根據(jù)需要來(lái)倍頻，以建立音頻主時(shí)鐘，所有的子時(shí)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(shí)鐘是256倍，或者11.2896MHz。事實(shí)是，在一個(gè)單PLL上將輸入頻率倍頻這么大倍數(shù)性能肯定不會(huì)很好。這正擊中了乘法器的要害：環(huán)路帶寬，參考激勵(lì)拒絕，和壓控振蕩器的抖動(dòng)。更重要的是，在這個(gè)案例里，我們需要用不是整數(shù)的數(shù)來(lái)乘1kHz，要完成這個(gè)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(huì)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(huì)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(jì)。或者這樣，寧愿相應(yīng)變慢來(lái)改變時(shí)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(lái)穩(wěn)定，會(huì)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(guò)去的幾年里，有各種不同的創(chuàng)建需要的音頻主時(shí)鐘方式，不再需要受PLL倍頻問(wèn)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(jī)、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(fèi)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(gè)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(dòng)設(shè)備（如媒體播放器和最新的寫(xiě)字板）都是建立在新平臺(tái)上的并運(yùn)行新操作系統(tǒng)的，這就需要越來(lái)越規(guī)范的USB標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(dòng)設(shè)備要求的越來(lái)越多地的功能之一。
從一個(gè)移動(dòng)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(guò)他們自己的電路設(shè)計(jì)使聲音性能達(dá)到更高的水平。同樣重要的是，數(shù)字音頻鏈接改進(jìn)了到TDMA接口的阻抗（叢移動(dòng)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(chǎng)上有許多集成USB外設(shè)的微控制器，但沒(méi)有一個(gè)設(shè)計(jì)了具有必要的時(shí)鐘生成和恢復(fù)電路，而這些是用來(lái)傳輸高質(zhì)量音頻數(shù)據(jù)的（這是當(dāng)前的需求）。有時(shí)這個(gè)問(wèn)題是可以解決的，可以使用外部“時(shí)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(lái)彌補(bǔ)主時(shí)鐘精度和質(zhì)量的差距。然而，這使系統(tǒng)回到這些問(wèn)題的困擾：費(fèi)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(zhǎng)的內(nèi)存緩沖區(qū)不能在任何一個(gè)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(shí)間。
USB時(shí)鐘恢復(fù)
最近這個(gè)問(wèn)題的解決方法已經(jīng)大大簡(jiǎn)化了，這是通過(guò)使用很實(shí)用的混合信號(hào)器件解決的，它在一顆器件里集成了單片機(jī)，可編程數(shù)字邏輯、可配置模擬電路。一個(gè)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(shí)鐘沖擊”發(fā)生時(shí)，基于微處理器的可編程設(shè)計(jì)可以很快就會(huì)適應(yīng)，因?yàn)樾麓a和新電路板可以很快跟著變化，這遠(yuǎn)比更新芯片塊多了。然而，有時(shí)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(méi)有集成這些微處理器。最初解決這個(gè)新問(wèn)題的方案就終結(jié)了，因?yàn)橹皇遣糠纸M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(lái)實(shí)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(gè)新市場(chǎng)。
高度可編程片上系統(tǒng)架構(gòu)提供了一個(gè)可供選擇的途徑。使用這樣的器件，只需花費(fèi)很少的芯片設(shè)計(jì)努力——往往沒(méi)有一個(gè)具體應(yīng)用的清晰畫(huà)面場(chǎng)景——就可以在數(shù)字和模擬兩方面都創(chuàng)建一個(gè)更可配置的，更靈活的結(jié)構(gòu)。數(shù)字的靈活性來(lái)自于包含的模塊（通用數(shù)字模塊，或UDB），可以獨(dú)立于主處理器核實(shí)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(hào)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(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)和片上資源，可以提高常用的運(yùn)算放大器和比較器性能，可以提供一系列模擬模塊，沒(méi)有做不到，只有想不到。靈活的多域時(shí)鐘樹(shù)更使得其無(wú)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(méi)有靈活性的拼湊的方案來(lái)說(shuō)，可編程器件通常會(huì)提供最具競(jìng)爭(zhēng)力的BOM成本。產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)-甚至是重新設(shè)計(jì) –這都可以保證，在過(guò)去的幾年里，可編程片上系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)做出了重要的貢獻(xiàn)。
評(píng)論