應對現(xiàn)代USB音頻系統(tǒng)設計的挑戰(zhàn)
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問題的本質(zhì)是，最后的輸出設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（這樣當時序錯誤時，你就不需要舍棄或復制音頻樣本）；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，或者是構建數(shù)據(jù)，這樣當運行時，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，要完成這個任務就更難了。
層疊式兩種相當復雜的乘法器環(huán)路會導致要工作在有相位噪聲和偽拒絕的情況下。然而，這種方法往往會導致電源消耗很大，這需要高端芯片，還要巧妙的模擬設計?；蛘哌@樣，寧愿相應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，會導致性能不可靠。這種方式最初應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標準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，這給器件提供基礎功能造成了“打擊”。USB音頻就是這些小的移動設備要求的越來越多地的功能之一。
從一個移動設備上以數(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外設的微控制器，但沒有一個設計了具有必要的時鐘生成和恢復電路，而這些是用來傳輸高質(zhì)量音頻數(shù)據(jù)的（這是當前的需求）。有時這個問題是可以解決的，可以使用外部“時鐘重啟”芯片或更復雜的音頻轉換器（集成了PLL或采樣率轉換器），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”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
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)）。
當系統(tǒng)“時鐘沖擊”發(fā)生時，基于微處理器的可編程設計可以很快就會適應，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，有時候有的應用需要專用的外設或處理器支持，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計努力——往往沒有一個具體應用的清晰畫面場景——就可以在數(shù)字和模擬兩方面都創(chuàng)建一個更可配置的，更靈活的結構。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，例如濾波功能。在模擬方面，由于具備豐富的開關網(wǎng)絡和片上資源，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)品快速設計-甚至是重新設計 –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)品設計做出了重要的貢獻。
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