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现代USB音频系统设计挑战的应对

时期:2022-01-06 02:27 点击数:
本文摘要:USB音频是绝大多数设备中广泛用于的模块,除非是最古老的个人电脑硬件和操作系统。以其鲁棒性相连和数据传输速率,人们可能会指出,在这种模块上传输高质量的音频是很非常简单的。然而,今天顺利的基于USB的音频产品莫不是做到了大量的芯片和系统方面的工作,必须解决问题时钟完全恢复等棘手难题。 问题的本质是,最后的输出设备传输音频到扬声器,耳机或线路输入插座,这必须一个主时钟来调整音频切换速度。

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USB音频是绝大多数设备中广泛用于的模块,除非是最古老的个人电脑硬件和操作系统。以其鲁棒性相连和数据传输速率,人们可能会指出,在这种模块上传输高质量的音频是很非常简单的。然而,今天顺利的基于USB的音频产品莫不是做到了大量的芯片和系统方面的工作,必须解决问题时钟完全恢复等棘手难题。  问题的本质是,最后的输出设备传输音频到扬声器,耳机或线路输入插座,这必须一个主时钟来调整音频切换速度。

这个主时钟必须有两个独立国家的属性:1)它一定是音频比特率的整数倍,这要十分准确(这样当时序错误时,你就不必须抛弃或拷贝音频样本);2)它的晃动(或者可以说道是振幅噪声)必需充足较低,这样数模转换过程就会受到影响。这里的挑战是我们要同时符合这两个拒绝。  艰难的一部分来自于这样一个事实:通过USB线的数据流的接收端不告诉清楚的比特率。

事实上,它不能推测理论比特率。更加最重要的是,这些来自USB线的数据并没任何形式的时钟。这对比其他大多数串行接口来说是显著的严重不足,其它串行接口或者有一个发送到时钟,或者是建构数据,这样当运营时,总可以从相连上寻找一个时钟。  能从USB模块获得的唯一的时钟信息就是,每毫秒特定类型的数据包不会收到接续桢,这一个事件可以由接管硬件检测到。

根据未知方法,从传输端的系统时钟可以推论出有这一毫秒值,原音频取样速率也是某种程度的(我们后面不会简要地辩论一个值得注意)。  一个非常简单的解决问题方法有可能是,我们可以把1kHz时钟放在一个基于PLL的乘法器,根据必须来倍频,以创建音频主时钟,所有的子时钟都基于此。然而,在处置CD音频的系统里,取样频率是44.1kHz,典型的传统音频数模转换器必须的主时钟是256倍,或者11.2896MHz。

事实是,在一个单PLL上将输出频率倍频这么大倍数性能认同会很好。这于是以打中了乘法器的敌:环路比特率,参照鼓舞拒绝接受,和压控振荡器的晃动。更加最重要的是,在这个案例里,我们必须用不是整数的数来乘1kHz,要已完成这个任务就更加无以了。

  层叠式两种非常简单的乘法器环路不会造成要工作在有振幅噪声和伪拒绝接受的情况下。然而,这种方法往往不会造成电源消耗相当大,这必须高端芯片,还要精妙的仿真设计。或者这样,宁愿适当减慢来转变时钟频率市场需求。

USB音频链接的名义比特率有可能在线路之间很快转变,要等候将近一秒来平稳,不会造成性能不可信。这种方式最初应用于在相同频率的演播室的数字音频相连,在那里成本和尺寸都不最重要。  在过去的几年里,有各种有所不同的创立必须的音频主时钟方式,仍然必须不受PLL倍频问题的后遗症,他们早已构建到了很多专用的芯片组,例如USB音箱、耳机、外部声卡。

这些器件做到他们所必须的,而不必须在如果又怎样能力上花费额外的芯片面积或谓之脚数。这当然可以使成本上升,这样每个人都很高兴。  但是,如果你的下一代USB模块市场需求无法在类似功能芯片上获得符合,你该怎么做?移动设备(如媒体播放器和近期的写字板)都是创建在新的平台上的并运营新的操作系统的,这就必须更加规范的USB标准来作为普遍的附件和追加功能的有线相连自由选择。

这些系统中有一些早已统合了USB音频芯片,但无法符合市场需求,这给器件获取基础功能造成了压制。USB音频就是这些小的移动设备拒绝的更加多地的功能之一。  从一个移动设备上以数字形式萃取音频有几大益处。

仿真音频接口仍然受到系统声音质量因素的容许。这使得音频系统或播放器配件制造商可以通过他们自己的电路设计使声音性能超过更高的水平。某种程度最重要的是,数字音频链接改良了到TDMA模块的电阻(丛移动设备蜂窝调制解调器耦合到系统中音频音频部分仿真电路的电阻)。  市场上有许多构建USB外设的微控制器,但没一个设计了具备适当的时钟分解和恢复电路,而这些是用来传输高质量音频数据的(这是当前的市场需求)。

有时这个问题是可以解决问题的,可以用于外部时钟重新启动芯片或更加简单的音频转换器(构建了PLL或比特率转换器),这样来填补主时钟精度和质量的差距。然而,这使系统返回这些问题的后遗症:费用低,高功耗,元件数目多,或者所有这些都有。

此外,音频的降频技术使得很长的内存缓冲区无法在任何一个系统里用于,视频图像(甚至是幻灯片)需为音频调整时间。  USB时钟完全恢复  最近这个问题的解决问题方法早已大大简化了,这是通过用于很简单的混合信号器件解决问题的,它在一颗器件里构建了单片机,可编程数字逻辑、可配备仿真电路。

一个典型的例子就是赛普拉斯新的PSoC3系列(可编程片上系统)。  当系统时钟冲击再次发生时,基于微处理器的可编程设计可以迅速就不会适应环境,因为新的代码和新的电路板可以迅速回来变化,这远比改版芯片块多了。然而,有时候有的应用于必须专用的外设或处理器反对,有可能目前还没构建这些微处理器。

最初解决问题这个新问题的方案就落幕了,因为只是部分人组微处理器和FPGA,PLD或者专用的相同功能芯片(常常只是利用一半)来构建一些专用且必须的功能。结果线路板变小了和BOM之后多了,这有可能严重威胁这个新的市场。  高度可编程片上系统架构获取了一个可供选择的途径。用于这样的器件,只需花费很少的芯片设计希望往往没一个明确应用于的明晰画面场景就可以在数字和仿真两方面都创立一个更加可配备的,更加灵活性的结构。

数字的灵活性来自于包括的模块(标准化数字模块,或UDB),可以独立国家于主处理器核构建简单的人组和有序的逻辑功能。还包括了专用协处理器可以用作频密产生的标准化信号处理的任务,例如滤波功能。

在仿真方面,由于不具备非常丰富的开关网络和片上资源,可以提升常用的运算放大器和较为器性能,可以获取一系列仿真模块,没做到将近,只有想不到。灵活性的多域时钟树根更加使得其无所不能。  这些通用性器件无法总是合乎专用单一功能器件所拒绝的成本。

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然而,一旦必须做到一些有所不同的功能,相比那些没灵活性的重新组合的方案来说,可编程器件一般来说不会获取最不具竞争力的BOM成本。产品较慢设计-甚至是新的设计这都可以确保,在过去的几年里,可编程片上系统早已对电子产品设计作出了最重要的贡献。  可编程片上系统早已被实践证明了,它不具备所有的要素拒绝,需要反对原始的现代消费类音频设备所需的USB数字音频能力。

可编程数字逻辑,标准化时钟能力可以获取一种需要外围器件的方法来分解所需的音频主时钟并较慢实时,精确地给定到USB桢结构。这个解决方案的核心是USB音频时钟完全恢复过程,其用于的基本配备闻图1框图:    图1:USB音频时钟完全恢复结构实例  可编程片上系统灵活性的USB模块可以容许容许几个音频和控制协议端点功能结合。

可编程数字逻辑模块矩阵构建了一个频率制备系统,可以从一个平稳的晶体时钟源推论出有任何标准的音频比特率主时钟。一般来说模式下,时钟瞄准来接管USB时基(用于接续桢标记脉冲时间)。系统时钟PLL通过灵活性的时钟路由结构带入到了这个合成器。

整个系统几乎遵循源比特率并为系统的音频转换器获取一个高品质的音频主时钟,其晃动的级别可以和现代品质的音频系统拒绝有别。  音频数据是典型的内存到一个或多个标准I2S模块(具有所须要数目地下通道)的时钟输入,这又是可编程数字块可以已完成的。这个模块可以相连到一个标准的音频数模转换器,处理器或数字放大器。其他自定义模块也可以由这些模块构建,例如,S/PDIF传输。

整个过程可以双向操作者,从ADC来的数据可以通过USB端口传输回来。


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