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USB音频的基本原理

XMOS首席技术专家Henk Muller?? 2014年12月23日 ?? 收藏6

1s在“朋友”之间是什么?

在数字音频中,商定一个共同的时间概念是大问题。上文已经定义了USB帧的传输速率为8,000次/s,并设定了扬声器播放样本的速率为96,000次/s。仅当扬声器和主机约定了1s的长度,这才能够奏效。USB音频提供了3种模式,来确保主机和扬声器共同约定时序:

● 在同步模式中,1s的长度由主机设备定义。这就是说,主机以某个速率发送数据,设备必须精确匹配这个速率。

● 在异步模式中,这正好相反——设备设置1s的定义,主机必须对设备进行匹配。

● 在自适应模式中,数据流决定时钟。

自适应模式和同步模式并不理想,因为PC保持时钟稳定的能力非常差,而且经常有其他音频源介入,例如一台外部数字录音机。异步模式使外部时钟源(或是设备内的低抖动时钟)能够用作主时钟。一般两者都依赖于基于晶振的锁相环(PLL),如图2所示。

图2:一款带有一个晶振用于稳定音频频率的USB音频板,并且有一个低抖动PLL用于产生任何所需的频率信号。
图2:一款带有一个晶振用于稳定音频频率的USB音频板,并且有一个低抖动PLL用于产生任何所需的频率信号。

因此,系统中至少有2个不同的时钟:USB时钟由主机产生,频率为8,000次传输/s;采样时钟由外部产生,例如,其采样率为96,000Hz。

这些时钟的频率会略有不同,其差别会随时间略微变化。因此,每帧音频样本的平均数会稍微高于或低于期望的比率。例如,在本文96,000Hz采样率的情况下,样本的平均数为12.001。为了确保主机发送正确数量的数据,并且不会太多或太低,主机向中断端点请求当前的采样率。每隔几个毫秒,上一个周期的平均采样率将以16.16位定点数格式回报。如果上一个周期取平均数为12.001帧,那么报告值将为0x000C0041(65536×12.001)。

给定该平均速率,主机将能计算出在一次传输中在何时发送额外样本;在此例中,每秒8次传输将运送一个额外样本。此外,主机能够利用该值与音频设备进行同步。这使得DVD播放器等主机应用能够将视频保持为与音频同步。如果没有同步,音频会慢慢地跑到视频前面,两个小时以后,音频将会有1s误差。

为了保持反馈回路较短,诀窍是不对音频包和反馈包做不必要的缓冲。任何附加的缓冲都会产生报告延迟,该延迟使得保持通信流的平滑变得更加困难。这意味着,底层USB栈和USB音频栈应紧密集成,而无需在它们之间缓冲。尽管这在应用处理器上难以达到,但是把软件在执行时间可预测的嵌入式处理器上来实现,这点将非常容易达到。诸如XMOS等公司现在可以提供这种可预测的嵌入式处理器,如XMOS的xCORE多核MCU等处理器系列。借助其丰富的内置USB接口,它们紧密地将底层USB栈和USB音频栈集成在一起。

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USB? 数字音频? 晶振? 时钟源?

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