現在，不起眼的通用串行總線 （USB） 已成為幾乎所有類型消費設備的實際接口，人們越來越關注將其功能應用于音頻接口。在本文中，我們將探索一種新出現的 USB 橋接設備類別，它可以處理支持硬件中的音頻設備類應用程序所需的許多細節。正如我們將展示的，USB 的充足帶寬、易用性和簡單的控制結構使其成為交換和控制數字高質量音頻流的自然選擇。

　　雖然從消費者的角度來看，USB 音頻很簡單，但在連接器的另一端卻不是那么容易。這在很大程度上是因為 USB 協議棧非常復雜，能夠支持許多明顯不同類型的應用程序，正式稱為 USB 類。這包括音頻設備類，它定義了通過 USB 傳輸音頻的強大標準化機制。從 USB 端口提取音頻數據以供應用程序的 MCU 分發、存儲或進一步處理通常需要牢牢掌握 USB 協議層的細節（要了解有關 USB 協議本身的更多信息，請參閱 TechZone 文章“提示，技巧在嵌入式應用程序中使用 USB - 第一部分”）。除了協議本身的復雜性之外，其他與音頻相關的問題，例如數據流的同步和編程編解碼器以及數模轉換器 （DAC） 配置，即使是最有經驗的嵌入式和音頻設計師也可能面臨挑戰。

　　為了解決這些問題，Silicon Labs 的 CP2114音頻橋等設備支持同步、流管理和其他通常需要大量軟件開發工作的任務。在本文中，我們還將探討 USB 音頻橋接器提供新穎的標準音頻配置接口以及在低成本、高度集成的單芯片解決方案中同步音頻數據流的方法。

　　通過 USB 流式傳輸音頻所涉及的最大挑戰之一是從主機（源）到設備（接收器）的數據流同步。盡管 USB 最初是作為連接鍵盤、鼠標和打印機的簡單接口而開發的，但其協議規范還包括用于“同步傳輸”的強大同步方案。音頻設備類定義采用此方案通過總線可靠地傳輸音頻數據。然而，這種機制的實現并不是一項簡單的任務，以前的實現通常是圍繞相對強大的嵌入式系統構建的，這些系統包括復雜的數據速率轉換器或昂貴的鎖相環 （PLL），以支持時鐘精度要求。

　　例如，一個采樣率為 48 kHz 的系統，主處理器每毫秒傳輸一個包含 48 個模擬輸出樣本的幀。接收器（接收設備）必須緩沖音頻輸出數據，以便將其發送到 DAC，一次一個樣本。即使主機和設備之間的小時鐘不匹配也可能導致溢出或運行不足的情況。USB 規范定義了幾種適應主機/設備時鐘不匹配的方法。

　　表 1 列出了控制 USB 源和接收器操作的各種模式。（請記住，對于音頻輸出操作，主機是源，設備是接收器。對于音頻輸入操作，設備是源，主機是接收器。）

　　表 1：USB 音頻同步模式。

　　異步模式傳輸

　　當接收設備沒有 PLL 硬件與主機時鐘同步時，采用異步操作。在這種模式下，幾乎可以肯定會出現頻率不匹配，導致它處理源發送的音頻數據太慢或太快。為了適應這種源/接收器時鐘不匹配，接收器向源提供明確的反饋，用于調整其采樣率和向接收器發送樣本的速率（圖 1）。

　　圖 1：以主機設備作為源的異步模式操作。

　　圖 2 說明了使用以標稱 48 kHz 采樣率運行的緩沖系統的異步傳輸機制。最初，對于每毫秒發生的每個 USB 幀開始 （SOF） 操作，主機以 48 個樣本開始流式傳輸數據。如果時鐘不匹配導致接收設備的緩沖區接近滿或空狀態，則設備可以請求主機每次發送更多（49）或更少（47）個樣本，以防止緩沖區出現溢出或欠載情況。支持這種信令機制的硬件邏輯在 Silicon Labs 的 CP2114 USB-to-I2S 數字音頻橋設備中實現，無需任何額外的軟件開發即可支持音頻設備類。

　　圖 2：異步模式操作需要來自接收緩沖區的明確反饋，以防止出現下溢或上溢的情況。

　　同步傳輸

　　對于同步操作，源和接收器使用隱式反饋，并且兩個設備的時鐘都鎖定到 USB SOF。接收設備必須與 USB SOF 同步（圖 3）。

　　圖 3：同步模式操作使用公共時鐘來確保源僅提供接收設備可以處理的盡可能多的數據包。

　　通過閉環控制可以糾正 USB SOF 和接收設備內部振蕩器之間的任何失配，從而實現簡單而穩健的同步模式。此實現如圖 4 所示。

　　圖 4：支持基于內部振蕩器的同步模式操作的閉環控制方案。

　　主機每毫秒發送的 USB SOF 用于校準內部振蕩器。為了使這種方法正常工作，接收設備的內部振蕩器必須通過校準寄存器進行調節，該校準寄存器可以以非常小的步長增加或降低內部振蕩器頻率。CP2114 數字音頻橋的內部振蕩器包括一個數控動態微調機制，它具有足夠的精度來滿足這些要求。CP2114 使開發人員能夠在同步模式和異步模式之間進行選擇，現在所有流行平臺（包括 Windows、Linux、Mac OS 和適用于 Apple iPad 的 iOS）都支持這種模式。

　　編解碼器/DAC 配置接口“非”標準

　　得益于許多制造商提供的各種編解碼器和 DAC 組件，設計人員可以選擇能夠提供所需性能和功能的設備。然而不幸的是，沒有用于配置其設備功能的標準或協議。因此，每個制造商都有自己獨特的設備配置程序，這通常會增加開發人員為支持多個編解碼器/DAC 平臺而必須創建的軟件的復雜性。

　　該問題的一種解決方案是為 USB 橋接器配備“墊片機制”，該機制為主機系統提供標準編解碼器/DAC 配置接口。一組標準的寄存器位置允許開發人員配置大多數編解碼器和 DAC 中的典型功能，而無需了解更多正在使用的設備的型號。除了簡化軟件開發之外，此功能還可以輕松評估各種編解碼器/DAC 產品，或將現有設計轉換為不同的組件。出于這個原因，CP2114 音頻橋包括一個標準配置接口機制，支持廣泛的編解碼器/DAC。

　　如圖 5 所示，CP2114 橋接器件的標準化編程接口解決了所有編解碼器和 DAC 中最常見的功能，包括 DAC 寄存器大小、音頻格式、音量控制和音頻時鐘比率。此外，該接口還提供了用于自定義編程的開放字段和一個抽象層，以易于理解的格式封裝了最典型的配置功能。

　　圖 5：CP2114 的框圖。

　　一旦開發人員熟悉了這個接口，在編解碼器和 DAC 設備之間切換就變得很簡單。表 2 列出了 CP2114 標準音頻配置編程接口的一部分。

　　表 2：CP2114 橋接設備的標準編程接口尋址的功能示例。

　　該設備的 USB 端口兼作其所有功能的控制/配置接口，包括 DAC/編解碼器設置。所有配置值都存儲在 EPROM 中，并且可以由主機隨時更改，從而允許對編解碼器/DAC 的配置值進行動態更新。

　　結論

　　主要的設計問題，例如音頻數據流的同步和編解碼器/DAC 配置，即使是最專業的嵌入式和音頻設計師也可能面臨挑戰。下一代數字音頻橋接解決方案（例如 CP2114 器件）通過標準配置接口支持各種編解碼器和 DAC，從而最大限度地降低了這種復雜性，以最少的外部組件支持異步和同步操作模式，并且無需外部組件，如晶體振蕩器和 EEPROM。