现代
USB
音频系统的机遇(含设计方案)
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½者：Kendall
Castor-Perry
USB
音频是绝大多数设备中普遍½用的接口，
除非是最古老的个
人电脑硬件和操½系统。以其鲁棒性连接和数据传输速率，人们可½
会认为，在这种接口上传输高质量的音频是很简单的。然而，今天成
功的基于
USB
的音频产品无不是做了大量的芯片和系统方面的工½，
需要解决时钟恢复等棘手难题。
问题的本质是，最后的输出设备传送音频到扬声器，耳机或线路
输出插座，这需要一个“主时钟”来调整音频½换速度。这个主时钟
需要有两个独立的属性：1)它一定是音频采样率的整数倍，这要非常
精确(这样½时序错误时，½就不需要舍弃或复制音频样本)；2)它的
抖动(或者可以说是相½噪声)必须足够½，这样数模½换过程就不会
受到½响。这里的挑战是我们要同时满足这两个要求。
困难的一部分来自于这样一个事实：通过
USB
线的数据流的接
收端不知道确切的采样率。事实上，它只½推断理论采样率。更重要
的是，这些来自
USB
线的数据并没有任½½式的时钟。这对比其他
大多数串行接口来说是明显的不足，
其它串行接口或者有一个发送时
钟，
或者是构建数据，
这样½运行时，
总可以从连接上找到一个时钟。
用芯片尝试创意；用行动½逐梦想；用ICTry申请样片；ICTry—Try未来。
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½从
USB
接口得到的唯一的时钟信息就是，每毫秒特定类型的
数据包会发出起始桢，这一个事件可以由接收硬件检测到。根据已知
方法，从传输端的系统时钟可以推导出这一毫秒值，原音频采样速率
也是同样的(我们后面会简要地讨论一个例外)。
一个简单的解决方法可½是，
我们可以把
1 kHz
时钟放到一个基
于
PLL
的乘法器，根据需要来倍频，以建立音频主时钟，所有的子
时钟½基于此。
然而，
在处理
CD
音频的系统里，
采样频率是
44.1kHz，
典型的传统音频数模½换器需要的主时钟是
256
倍，
或者
11.2896MHz。
事实是，在一个单
PLL
上将输入频率倍频这么大倍数性½肯定不会
很½。这正击中了乘法器的要害：环路带½，参考激励拒绝，和压控
振荡器的抖动。更重要的是，在这个案例里，我们需要用不是整数的
数来乘
1kHz，要完成这个任务就更难了。
层叠式两种相½复杂的乘法器环路会导致要工½在有相½噪声
和伪拒绝的情况下。然而，这种方法往往会导致
电源
消耗很大，这
需要高端芯片，还要巧妙的模拟设计。或者这样，宁愿相应变慢来改
变时钟频率需求。
USB
音频链接的名义采样率可½在线路之间迅速改
变，要等待将近一秒来稳定，会导致性½不可靠。这种方式最初应用
在固定频率的演播室的数字音频连接，在那里成本和尺寸½不重要。
在过去的几年里，有各种不同的创建需要的音频主时钟方式，不
再需要受
PLL
倍频问题的困扰，他们已经集成到了很多专用的芯片
组，例如
USB
音箱、耳机、外部声卡。这些器件做他们所需要的，
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而不需要在“如果又怎样”½力上花费额外的芯片面积或引脚数。
这
½然可以½成本下降，这样每个人½很高兴。
½是，如果½的下一代
USB
接口需求不½在特殊功½芯片上得
到满足，½该怎么做？移动设备（如媒½播放器和最新的写字板）½
是建立在新平台上的并运行新操½系统的，这就需要越来越规范的
USB
标准来½为广泛的附件和新增功½的有线连接选择。
这些系统中
有一些已经整合了
USB
音频芯片，½不½满足需求，这给器件提供
基础功½造成了“打击”。
USB
音频就是这些小的移动设备要求的越
来越多地的功½之一。
从一个移动设备上以数字½式提取音频有几大½处。
模拟音频接
口不再受到系统声音质量因素的限制。
这½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½声音性½达到更高的水平。
同
样重要的是，数字音频链接改进了到
TDMA
接口的阻抗（丛移动设
备蜂窝调制解调器耦合到系统中音频回放部分模拟电路的阻抗）。
市场上有许多集成
USB
外设的
微控制器
，½没有一个设计了具
有必要的时钟生成和恢复电路，
而这些是用来传输高质量音频数据的
（这是½前的需求） 有时这个问题是可以解决的，
。
可以½用外部“时
钟重启”芯片或更复杂的音频½换器
（集成了
PLL
或采样率½换器）
，
这样来弥补主时钟精度和质量的差距。然而，这½系统回到这些问题
的困扰：费用高，高功耗，元件数目多，或者所有这些½有。此外，
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音频的“降频技术”½得很长的内存缓冲区不½在任½一个系统里
½用，视频图像(甚至是幻灯片)须要为音频调整时间。
USB
时钟恢复
最近这个问题的解决方法已经大大简化了，
这是通过½用很实用
的混合信号器件解决的，它在一颗器件里集成了单片机，可编程数字
逻辑、可配½模拟电路。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)。
½系统“时钟冲击”发生时，基于微
处理器
的可编程设计可以
很快就会适应，因为新代码和新电路板可以很快跟着变化，这远比更
新芯片块多了。
然而，
有时候有的应用需要专用的外设或处理器支持，
可½目前还没有集成这些微处理器。
最初解决这个新问题的方案就终
结了，因为只是部分组合微处理器和
FPGA，PLD
或者专用的固定功
½芯片（经常只是利用一半）来实现一些专用且必需的功½。结果线
路板变大了和
BOM
便多了，这可½危及这个新市场。
高度可编程片上系统架构提供了一个可供选择的途径。
½用这样
的器件，
只需花费很少的芯片设计努力——往往没有一个具½应用的
清晰画面场景——就可以在数字和模拟两方面½创建一个更可配½
的，
更灵活的结构。
数字的灵活性来自于包含的模块(通用数字模块，
或
UDB)，
可以独立于主处理器核实现复杂的组合和有序的逻辑功½。
还包括了专用协处理器可以用于频繁产生的通用信号处理的任务，
例
如滤波功½。在模拟方面，由于具备丰富的开关½络和片上资源，可
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以提高常用的运算
放大器
和比较器性½，
可以提供一系列模拟模块，
没有做不到，只有想不到。灵活的多域时钟树更½得其无所不½。
这些通用性器件不½总是符合专用单一功½器件所要求的成本。
然而，一旦需要做一些不同的功½，比起那些没有灵活性的拼凑的方
案来说，可编程器件通常会提供最具竞争力的
BOM
成本。产品快速
设计-甚至是重新设计
–这½可以保证，在过去的几年里，可编程片
上系统已经对电子产品设计做出了重要的贡献。
可编程片上系统已经被实践证明了，它具备所有的要素要求，½
够支持完整的现代消费类音频设备所需的
USB
数字音频½力。可编
程数字逻辑，
通用时钟½力可以提供一种无需外围器件的方法来生成
所需的音频主时钟并快速同步，准确地匹配到
USB
桢结构。这个解
决方案的核心是
USB
音频时钟恢复过程，其½用的基本配½见图
1
框图：
图
1：USB
音频时钟恢复结构实例
可编程片上系统灵活的
USB
接口可以允许允许几个音频和控制
协议端点功½相结合。
可编程数字逻辑模块矩阵实现了一个频率合成
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