現代USB音頻設計挑戰 - 全文

　　USB 音頻是絕大多數設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。以其魯棒性連接和數據傳輸速率，人們可能會認為，在這種接口上傳輸高質量的音頻是很簡單的。然而，今天成功的基于USB的音頻產品無不是做了大量的芯片和系統方面的工作，需要解決時鐘恢復等棘手難題。

　　問題的本質是，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，這樣數模轉換過程就不會受到影響。這里的挑戰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線的數據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線的數據并沒有任何形式的時鐘。這對比其他大多數串行接口來說是明顯的不足，其它串行接口或者有一個發送時鐘，或者是構建數據，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據包會發出起始楨，這一個事件可以由接收硬件檢測到。根據已知方法，從傳輸端的系統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音頻的系統里，采樣頻率是44.1kHz，典型的傳統音頻數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性能肯定不會很好。這正擊中了乘法器的要害：環路帶寬，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的數來乘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。或者這樣，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。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的，這就需要越來越規范的USB標準來作為廣泛的附件和新增功能的有線連接選擇。這些系統中有一些已經整合了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字形式提取音頻有幾大好處。模擬音頻接口不再受到系統聲音質量因素的限制。這使得音頻系統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，數字音頻鏈接改進了到TDMA接口的阻抗(叢移動設備蜂窩調制解調器耦合到系統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量音頻數據的(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量的差距。然而，這使系統回到這些問題的困擾：費用高，高功耗，元件數目多，或者所有這些都有。此外，音頻的“降頻技術”使得很長的內存緩沖區不能在任何一個系統里使用，視頻圖像(甚至是幻燈片)須要為音頻調整時間。

　　USB時鐘恢復

　　最近這個問題的解決方法已經大大簡化了，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)。

　　當系統“時鐘沖擊”發生時，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(經常只是利用一半)來實現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——就可以在數字和模擬兩方面都創建一個更可配置的，更靈活的結構。數字的靈活性來自于包含的模塊(通用數字模塊，或UDB)，可以獨立于主處理器核實現復雜的組合和有序的邏輯功能。還包括了專用協處理器可以用于頻繁產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，可編程片上系統已經對電子產品設計做出了重要的貢獻。

　　可編程片上系統已經被實踐證明了，它具備所有的要素要求，能夠支持完整的現代消費類音頻設備所需的USB數字音頻能力。可編程數字邏輯，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，準確地匹配到USB楨結構。這個解決方案的核心是USB音頻時鐘恢復過程，其使用的基本配置見圖1框圖：

　　圖1：USB音頻時鐘恢復結構實例

　　可編程片上系統靈活的USB接口可以允許允許幾個音頻和控制協議端點功能相結合。可編程數字邏輯模塊矩陣實現了一個頻率合成系統，可以從一個穩定的晶體時鐘源推導出任何標準的音頻采樣率主時鐘。通常模式下，時鐘鎖定來接收USB 時基(使用起始楨標記脈沖時間)。系統時鐘PLL通過靈活的時鐘路由結構融入到了這個合成器。整個系統完全遵循源采樣率并為系統的音頻轉換器提供一個高品質的音頻主時鐘，其抖動的級別可以和現代品質的音頻系統要求相稱。

　　音頻數據是典型的緩存到一個或多個標準I2S接口(帶有所需數目通道)的時鐘輸出，這又是可編程數字塊可以完成的。這個接口可以連接到一個標準的音頻數模轉換器，處理器或數字放大器。其他定制接口也可以由這些模塊實現，例如，S / PDIF傳輸。整個過程可以雙向操作，從ADC來的數據可以通過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。可編程片上系統架構可以運行在一種自適應模式，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不能調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議的傳輸，這種傳輸方式為最新的媒體播放器提供了創造性的新功能。

　　可編程片上系統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(數字濾波模塊DFB)。DFB可以對恢復的USB音頻進行后處理，例如，相應均衡和交叉過濾。它有足夠的性能來實現額外的數字處理器件，在一堆立體聲的每個頻道可以實現至少十個雙二階濾波器，可以提供很好地控制頻率響應。

　　用途廣泛的高度可配置方案必然能幫助設計者減少邏輯電路和模擬設計等瑣事。LCD驅動可以直接降低成本，電容感應按鈕可以確保設計既美觀又時髦。如圖2所示的一個例子：一個器件就可以構成新一代移動設備音頻附件或消費類音頻產品的核心，它具備了全數字音頻和數據交換的所有好處。可編程器件的靈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上。