简化USB 音频设计 - Silicon Labs.PDFVIP

简化USB 音频设计 通用串行总线（USB ）标准在消费类电子产品领域中发展迅速，目前可以利用 USB 连通 性来传输和控制数字音频。USB 可提供足够的带宽以支持高品质音频；其易用性也被消 费者广泛接受，这使得USB 成为流行的音频接口。然而，从USB 端口传输音频数据并不 是一项简单的任务。USB 本身具有复杂的协议，需要很多专业领域知识。此外，其他与 音频相关的设计难题，例如数据流同步、可编程的编解码器以及数模转换器（DAC ）配 置，即使对于经验丰富的嵌入式和音频设计人员来说也是巨大的挑战。USB 桥接芯片的 出现不仅免去复杂的 USB 软件开发，同时提供了一种低成本、高集成度的单芯片解决方 案，以支持标准的音频配置接口和同步音频数据流方式。 USB 是一种通用接口，可提供多种方法来传播和控制数字音频；然而对于行业来说选择 USB 音频传输标准机制的重要性在于可靠的互操作性，这成为采用 USB 的基本原则。为 了应对这一基本要求，USB 组织开发了音频类，为 USB 音频传输制订非常可靠的标准化 机制。USB 音频类规范可从USB 开发者论坛 （ ）免费下载。 在USB上传输音频数据流面临的主要问题之一是主机（Source ）与设备 （Sink ）之间的同 步，通过在“ 同步传输”类型上开发稳固的同步模式可以解决这一问题，并被纳入USB规 范。音频类定义遵循该同步模式，能可靠的在总线上传输音频数据。然而，这种同步机制 的实现并不轻松，在传统实现上需要具有复杂数据转换能力的高端嵌入式系统，或者支持 系统所需时钟精度的专用锁相环（PLL ）。 在具有48kHz数据采样率的系统中，主机每毫秒发送一个包含48个模拟输出采样值的帧。 接收器需要缓冲音频输出数据，这样能够一次发送一个采样值到DAC 。主机和设备之间 的任何时钟失配（哪怕是轻微的）将会导致发生上溢或下溢问题。USB规范定义了几种方 法用于克服主机/设备时钟失配问题。 Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 1 USB定义Source和Sink之间操作的管理模式，如表1所示。（对于音频输出来说，主机是 Source，设备是Sink。对于音频输入来说，设备是Source，主机是Sink。） 表1. USB音频同步模式 异步模式 对于异步操作来说，Sink为Source提供显式反馈。基于该反馈，Source将调整发给Sink的 采样值个数。图1显示模拟输出设备的异步模式。 Audio Stream Host Target Source Sink Explicit Feedback 图1. 异步模式 此种反馈机制可以克服Source/Sink时钟失配，而且无需Sink设备来实现PLL硬件与主机时 钟同步。 Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 2 图2. 支持异步模式的缓冲系统 图2显示了支持48kHz采样率的缓冲系统。最初，主机在每1毫秒时，发送SOF封包，其附 带48个采样值。然而，如果设备缓冲区由于时钟失配接近满或空的状态时，设备将请求主 机发送更少（47 ）或更多（49 ）采样值，由此缓冲器不会发生上溢或下溢。Silicon Labs 公司CP2114 USB-I2S数字音频桥接芯片即可实现这种方法。CP2114器件支持音频类，无 需任何额外的软件开发。 同步模式 对于同步操作来说，Source和Sink采用隐式反馈机制，时钟锁入USB SOF封包。Sink设备 必须与USB SOF封包同步，如图3所示。 Host Audio Target