現(xiàn)代USB音頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

?

　　USB音頻是絕大多數(shù)設(shè)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(tǒng)。以其魯棒性連接和數(shù)據(jù)傳輸速率，人們可能會認(rèn)為，在這種接口上傳輸高質(zhì)量的音頻是很簡單的。然而，今天成功的基于USB的音頻產(chǎn)品無不是做了大量的芯片和系統(tǒng)方面的工作，需要解決時鐘恢復(fù)等棘手難題。

　　問題的本質(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“主時鐘”來調(diào)整音頻轉(zhuǎn)換速度。這個主時鐘需要有兩個獨(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)時序錯誤時，你就不需要舍棄或復(fù)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(zhuǎn)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(shí)：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(shí)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(gòu)建數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)運(yùn)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(dǎo)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(zhuǎn)換器需要的主時鐘是256倍，或者11.2896MHz。事實(shí)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(wù)就更難了。

　　層疊式兩種相當(dāng)復(fù)雜的乘法器環(huán)路會導(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)?；蛘哌@樣，寧愿相應(yīng)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(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(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(shè)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(yùn)行新操作系統(tǒng)的，這就需要越來越規(guī)范的USB標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)功能造成了“打擊”。USB音頻就是這些小的移動設(shè)備要求的越來越多地的功能之一。

　　從一個移動設(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)。

　　市場上有許多集成USB外設(shè)的微控制器，但沒有一個設(shè)計(jì)了具有必要的時鐘生成和恢復(fù)電路，而這些是用來傳輸高質(zhì)量音頻數(shù)據(jù)的(這是當(dāng)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(fù)雜的音頻轉(zhuǎn)換器(集成了PLL或采樣率轉(zhuǎn)換器)，這樣來彌補(bǔ)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(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。