TWI386002B - 重建取樣頻率並據以快速鎖定訊號的方法與裝置 - Google Patents

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Description

重建取樣頻率並據以快速鎖定訊號的方法與裝置
本發明係為一種重建取樣頻率並據以快速鎖定訊號的方法與裝置，尤其是有關於一種數位多媒體系統中重建取樣頻率並據以快速鎖定訊號的方法與裝置。
為了減少失真，並且避免許多訊號線在家中纏繞，影音家電採用數位音訊是必要的。以往以光纖傳送數位訊號，缺點在於成本較高。而數位多媒體系統將音訊與視訊整合在同一介面，將大量取代傳統AV端子，並提供高品質音訊表現。
從技術層面要來摸索音訊傳輸，傳輸數位音訊是頗為複雜。一來，音訊頻道的多寡、資料格式、取樣頻率、是否壓縮，以及單位元音訊(One Bit Audio)等細節，都足以讓工程人員曠日廢時研究。二來，數位多媒體系統如高解析多媒體介面(HDMI)是利用封包來載送，工程人員對於傳輸機制也必須了解。再者，影片中音訊與視訊之間的同步，也不能有差錯。
數位多媒體系統如高解析多媒體介面連結上所載送的音訊資料，僅能仰賴TMDS亦即視訊的時脈。換句話說，資料的傳送並不會包含或保留原來音訊的取樣頻率。因此，接收端(Sink)裝置必須重建這個取樣頻率，這個動作稱為「音訊時脈再生(Audio Clock Regeneration)」。這個觀念在任何輸出入標準，如USB、DP與1394等也完全適用。主要重點是該用何種方法來達成。
圖一提供一個可能的態樣，即一種鎖定訊號的接收裝置10。其包含一第一除法器101，一第二除法器102，以及一鎖相迴路103。
在多數數位多媒體系統中，視訊的來源端(Source)裝置，其音訊與視訊資料的時脈，其實是由一個共通時脈來源所產生，這種組態稱為「連貫時脈(Coherent Clocks)」。在此情形下，它們之間存在著數字關係，也就是可使用整數予以整除。該系統的基本觀念是，來源端裝置必須算出視訊時脈與音訊時脈的分數關係。
以高解析多媒體介面為例，如圖一所示，兩者之間關係的呈現數學式如下：128*fs=fTMDS_CLOCK *N/CTS(在DisplayPort中是512*fs=fTMDS_CLOCK *Maud /Naud )。很明顯的，來源端裝置必須決定分子的N與分母的週期時戳(Cycle Time Stamp,CTS)並經由資料傳送該N/CTS(或Maud /Naud )即為該第一除法器101及該第二除法器102之除值比。如果視訊時脈與音訊時脈兩者是同步的，就可以輕易決定出CTS是一個固定值。如果兩者不同步，就表示存在著訊號抖動量，那麼CTS就可能會有不同的數值。圖一所揭示者，其N與CTS是透過「音訊時脈再生」封包向外傳送，視訊時脈則是由「TMDS Clock Channel」的傳輸通道來載送。
以上先前技藝存在的問題，其至少有：
(1)N與CTS是透過「音訊時脈再生」封包向外傳送，因此，圖一中的該鎖相迴路103必須等到該「音訊時脈再生」封包被收到並解讀其參數後才能開始鎖定的程序，這導致了反應時間較慢；
(2)當「音訊時脈再生」封包傳送錯誤的N或CTS值時，導致判斷錯誤的取樣率，因而處理器錯誤設定相關電路如該鎖相迴路103中的參數，也會導致送出不正確的聲音；
(3)當變換音訊取樣率時，會有一段來不及反應的時期，導致送出不正確的聲音，也就是說，如果視訊時脈與音訊時脈兩者不同步，就表示存在著訊號抖動量，那麼CTS就可能會有不同的數值；
(4)N與CTS的建議值往往很大，如圖二A~C中之表2a~2c，其分別列出音訊取樣率為32/44.1/48kHz(這三種頻率也是最常見的取樣基準)相對應的N與CTS的建議值，這使得與圖一中的該鎖相迴路103共同運作的該除法器101及102複雜而難以設計；
(5)來源端裝置必須決定分子的N與分母的CTS這樣一來造成增加來源端裝置設計的複雜度；以及
(6)該鎖相迴路103的參數調校需經由該處理器處理，處理器也需要外來的驅動程式這也增加了製造難度和成本。
在DisplayPort的規格中和N與CTS相對的是Maud與Naud，存在的問題也相同，在此不再贅述。
緣此，本案之發明人係研究出重建取樣頻率並據以快速鎖定訊號的方法與裝置，尤其是有關於一種數位多媒體系統中重建取樣頻率並據以快速鎖定訊號的方法與裝置，其係可改善習知技術製造難和成本高之現狀。
本發明之一目的為在數位多媒體系統中提供一種以特定應用積體電路/硬體以快速重建取樣頻率並據以快速鎖定訊號的方法與裝置。
本發明之另一目的為於數位多媒體系統中變換音訊取樣率時快速鎖定音訊而避免送出不正確的聲音的方法與裝置。
本發明之又一目的在於簡化與相位鎖定迴路共同運作的除法器並降低其除法值(與視訊時脈與音訊時脈有關之值)，該除法值可為「音訊時脈再生」封包中對與相位鎖定迴路的參數，如N與CTS以及Maud 與Naud 。
本發明之又一目的在於一種方法與裝置，其在數位多媒體系統中若無「音訊時脈再生」封包時或「音訊時脈再生」封包錯誤或「音訊時脈再生」封包中的相關參數錯誤時，仍可正確並快速重建取樣頻率並據以快速鎖定音訊。
本發明之又一目的在於一種方法與裝置，其在數位多媒體系統中能正確並快速使視訊時脈與音訊時脈達到同步。
因此，本發明係揭示一種接收訊號的裝置，包含有：一緩衝單元，係根據一符號時脈訊號來接收一複數組的資料，且根據一第一時脈訊號來讀出該複數組的資料並產生一水位值，其中，該水位值為該緩衝單元所暫時儲存之資料量；一時脈產生單元，係接收一控制訊號及一第二時脈訊號以產生一第三時脈訊號；一判斷單元，接收該水位值並根據該水位值的大小來產生該控制訊號，以控制時脈產生單元產生第三時脈訊號之速率；一頻率檢測器，係根據一單位時間中該複數組的資料數或該複數組的資料數中的參數值決定該複數組的資料之取樣頻率；以及一時脈產生器，該第三時脈訊號除以一除值或乘以一乘值得到該第一時脈訊號以調節該水位值。
本發明亦係揭示一種接收訊號的方法，包含有：根據一符號時脈訊號使一緩衝單元接收一複數組的資料，且根據一第一時脈訊號由該緩衝單元讀出該複數組的資料並產生一水位值；接收一第二時脈訊號以產生一第三時脈訊號，並根據該水位值來調整該第三時脈訊號之速率；根據一單位時間中該複數組的資料數或該複數組的資料數中的參數值決定該複數組的資料之取樣頻率；以及根據該取樣頻率決定一特定值，並將該第三時脈訊號除以或乘以該特定值得到該第一時脈訊號以加速調節該水位值。
為使　貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示範例詳細說明如後。
數位多媒體中數位音樂勢必存在「取樣頻率」的課題。按照一般多媒體系統規格，如HDMI/DP的來源端，其允許傳送取樣速率32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz或192kHz的壓縮音訊資料。音訊與其他訊號(如視訊資料)往往一起傳遞，但是數位多媒體中音訊封包是在影像空白(blanking)區域擺放音訊封包，(這是因為數位多媒體中如HDMI/DP或其它規格如USB/1394目前的速度皆遠大於音訊封包至少10倍到100倍以上)，而且擺放的方式是有規範的，單位時間擺放音訊封包的個數變化得盡量越小越好。同時，當取樣頻率越大時，單位時間擺放音訊封包的個數也會隨之對應增加；也就是說在接收端我們可以將這些音訊封包在單位時間於接收端出現的數目用來還原音訊封包的取樣頻率。
以HDMI為例，首先，我們只要計算單位時間T內中有效的取樣數N，單位時間T我們收到幾個具有如圖三所示之標頭(Header)的封包，(所謂有效，稍後會介紹)，N除以T後就可以得到音訊採樣率，而完全不需要參考前述之N/CTS資訊。
HDMI定義了兩種子封包的配置：Layout=0與Layout=1(如圖三)。在音訊取樣封包標頭(Header)中有四個「取樣陳述(Sample_Present)」位元，每一個位元對應到子封包，表示該子封包是否含有音訊取樣。「Layout 0」的配置允許從單一IEC 61937或IEC 60958的雙聲道串流音訊，載送最多4個取樣。而4個取樣陳述位元也僅有5種有效的配置組態。假設取樣數N中之第M個封包我們欲計算其有效值，而該第M個封包之音訊取樣封包標頭(Header)中之Layout值為0時，表示該第M個封包為雙聲道，其載送1~4個取樣，如圖四，而由sample_present計算該1~4個取樣為1之數目即為該音訊封包的取樣值。如：sample_present.sp0/1/2/3為0000時其取樣值為0，1000時其取樣值為1，為1110時其取樣值為3...依此類推。
而該第M個封包之Layout值為1時，表示該第M個封包為3~8聲道，其必然只載送0或1個取樣，此時，我們只要看取樣0之值為0或1即可。
也就是說，對於單位時間T內的M個音訊封包，我們可以由其每一個Layout值及其相關sample_present.sp0~3去推得其個別封包之有效值後將其相加再除以單位時間T即為取樣頻率。而DisplayPort規格中其封包中四位元組承載之第3位元組的第7位元亦為sample_present故其有效值的推定方法為與HDMI雷同，在此不再贅述。
本發明之一態樣中顯示，既然數位多媒體系統中音訊封包的取樣頻率依規格為32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz或192kHz中選擇其中之一種頻率，熟悉該項技藝者自可由該音訊採樣率與32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz或192kHz中比較並選擇其中接近的一種頻率。例如若該N除以T為49.1kHz則可知其取樣頻率為較接近的48kHz。
本發明之另一態樣，如圖五，其揭示一種以特定應用積體電路/硬體完成之訊號接收裝置520，其包括有一緩衝單元521，一頻率檢測器522，一時脈產生單元523，一時脈產生器524，以及一判斷單元525。
其中，該緩衝單元521可為一先進先出記憶體(FIFO)，可為一音訊緩衝單元，其係根據一符號時脈訊號來接收一複數組的可為封包型式的資料並產生一水位值，該水位值可為該緩衝單元所儲存之資料流或資料量。同時，儲存於該緩衝單元521的資料依序輸出時，則依一第一時脈訊號來讀出該複數組的資料，而當符號時脈訊號與該第一時脈訊號一致時，進出該緩衝單元521中單位時間平均資料量會相同。在本實施例中，該時脈產生單元523，係接收一第二時脈訊號及一控制訊號up/dn以產生一第三時脈訊號；而在該頻率檢測器522接收到的頻率為音訊採樣率之較大值，如176.4kHz或192kHz時，該第三時脈訊號即為該第一時脈訊號使進出該緩衝單元521中單位時間平均資料量既不超過該緩衝單元521的容量也不使該緩衝單元521的資料量為零或接近零。
也就是說，該頻率檢測器522以音訊採樣率之較大值，如176.4kHz或192kHz做為預設狀態值(default)，此時該第一時脈訊號及該第三時脈訊號即約略等於該符號時脈訊號以使進出該緩衝單元521中單位時間的平均資料量相同。而該時脈產生單元523，其可為一鎖相迴路(Phase-locked loop)或一直接數位合成裝置(Direct digital synthesis device)，而其參數的設定即依據音訊採樣率之較大值，如176.4kHz或192kHz時使該緩衝單元521中單位時間平均資料量會相同者做為其預設狀態值。
而當該頻率檢測器522在單位時間檢測到的有效資料數即某特定時間的該複數組的資料之取樣頻率降低時，如192kHz降至48kHz時，熟悉該項技藝者亦可設置一視上表526(該視上表526之一態樣詳見圖五A)，經由該時脈產生器524，此時可為一除法器，將該第三時脈訊號除以4(192kHz除以48kHz最接近的整數是4)以加快該時脈產生單元523的鎖定速率。該時脈產生單元523的的輸入時鐘即該第二時脈訊號可由該符號時脈訊號或一外接時脈訊號經由一多工器527所選擇。當然，若不使用除法器及視上表本發明之實施例亦可運作，唯該緩衝單元521的容量則需更大而鎖定時間則更長。同時，以高解析多媒體介面或DisplayPort為例，該視上表526亦可由高解析多媒體封包中的N與週期時戳或DisplayPort封包中的Maud 與Naud 來決定，仍能達到降低與時脈產生單元523共同運作之除法器的值及數量，在此不再贅述。
時脈產生器524亦可為一倍頻器，如訊號接收裝置520根據一符號時脈訊號來接收一複數組的可為封包型式的資料單位時間增加時，如48kHz升至192kHz時，時脈產生器524即倍頻器將該第三時脈訊號乘以4(192kHz除以48kHz最接近的整數是4)以加快該時脈產生單元523的鎖定速率。
而該倍頻器及除法器的使用時機則端賴訊號接收裝置520中之該頻率檢測器522以音訊採樣率之較大值(使用除法器)，如176.4kHz或192kHz做為預設狀態值(default)或是該頻率檢測器522以音訊採樣率之較小值(使用倍頻器)，如32kHz、44.1kHz、48kHz做為預設狀態值(default)而決定。而當該頻率檢測器522以音訊採樣率之中間值，如88.2kHz或96kHz做為預設狀態值(default)時，該時脈產生器524同時包含一倍頻器及一除法器。
本發明所揭示之視上表提供該倍頻器及該除法器所需之特定值，熟悉該項技藝者可依倍頻器及除法器的運用而變化，在此不再贅述。
若時脈產生單元523之輸出發生抖動或其他環境因素導致符號時脈訊號頻偏因而與該第一時脈訊號不一致時，於緩衝單元521進出的單位時間平均資料量便會發生變動，產生水位值WL上升或下降的趨勢。如圖五B所示，緩衝單元521亦可根據此暫存之資料的流量或總量，或根據寫入資料的總量W減去讀出資料的總量R來產生一水位值WL。舉例而言，視訊緩衝單元321可依據該複數組的資料之一寫入位址減去該複數組的資料之一讀出位址而產生水位值WL。
而判斷單元525根據該水位值WL的大小來產生一控制訊號up/dn，以控制時脈產生單元523產生第三時脈訊號之速率。其中，當該緩衝單元521中的資料暫存量(水位)為「滿」或「接近滿」時，如圖五B所示之時間t2 ，控制訊號up用以控制時脈產生單元523以加速第三時脈訊號；當該緩衝單元521中的資料暫存量(水位)為「空」或「接近空」如圖五B所示之時間t1 時，控制訊號dn用以控制時脈產生單元523以降低第三時脈訊號。該時脈產生單元523接收該符號時脈訊號或外部時脈來產生並根據控制訊號up/dn來調整上述第三時脈訊號以進一步以調節該緩衝單元521之水位值。
如圖六，係關於本發明之一種接收時脈訊號之方法，其包含有以下步驟：步驟S601：根據一符號時脈訊號使一緩衝單元接收一複數組的資料，且根據一第一時脈訊號由該緩衝單元讀出該複數組的資料並產生一水位值；步驟S602：接收一第二時脈訊號以產生一第三時脈訊號，並根據該水位值來調整該第三時脈訊號之速率；步驟S603：根據一單位時間中該複數組的資料數或該複數組的資料數中的參數值決定該複數組的資料之取樣頻率；以及步驟S604：根據該取樣頻率決定一特定值，並將該第三時脈訊號除以或乘以該特定值加速得到該第一時脈訊號。
圖六所揭示之方法，其可係應用於一DisplayPort、HDMI、USB或1394規格之電路中，該除值及該取樣頻率係進一步可經由查表獲得，同時，該複數組的取樣頻率由32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz、192kHz等等中選擇，而該複數組的資料係為一音訊資料封包。
圖六所揭示之方法，其可進一步包含以下技術特徵：
(1)該相對的特定值為根據176.4kHz或192kHz除以該取樣頻率或根據該取樣頻除以32kHz或44.1kHz或48kHz所得到較接近之整數值；
(2)根據該複數組的資料之一寫入位址與該複數組的資料之一讀出位址之差值來產生該水位值；
(3)根據較大的取樣頻率為預設狀態值(default)以產生該第三時脈訊號；該第二時脈訊號由該符號時脈訊號或一外接時脈訊號所選擇；以及
(4)依據該DisplayPort、HDMI、USB或1394規格去取得該複數組的資料數之有效值，並將該有效值之和除以單位時間以得到該取樣頻率。
唯以上所述者，僅為本發明之範例實施態樣爾，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
10．．．接收裝置
101．．．第一除法器
102．．．第二除法器
103．．．鎖相迴路
520．．．接收裝置
521．．．緩衝單元
522．．．頻率檢測器
523．．．時脈產生單元
524．．．時脈產生器
525．．．判斷單元
526．．．視上表
527．．．多工器
S601~S604．．．步驟
圖一係為先前技藝重建取樣頻率並鎖定訊號之示意圖；
圖二A~C係為先前技藝之音訊取樣率之參數示意圖；
圖三係為用於本發明之高解析多媒體介面之子封包之配置圖；
圖四係為高解析多媒體介面之子封包有效之配置組態圖；
圖五係為用於本發明之訊號接收裝置之架構示意圖；
圖五A係為用於本發明之訊號接收裝置之視上表示意圖；
圖五B係為用於本發明之訊號接收裝置之緩衝單元中暫存資料的讀出及寫入之總量(或流量)示意圖；以及
圖六係為本發明之接收時脈訊號方法之示意圖。
S601~S604‧‧‧步驟

Claims (29)

  1. 一種接收訊號的裝置，包含有：一緩衝單元，係根據一符號時脈訊號來接收一複數組的資料，且根據一第一時脈訊號來讀出該複數組的資料並產生一水位值，其中，該水位值為該緩衝單元所暫時儲存之資料量；一時脈產生單元，係接收一控制訊號及一第二時脈訊號以產生一第三時脈訊號；一判斷單元，接收該水位值並根據該水位值的大小來產生該控制訊號，以控制時脈產生單元產生第三時脈訊號之速率；一頻率檢測器，係根據一單位時間中該複數組的資料之一資料數目或該複數組的資料中的參數值決定該複數組的資料之取樣頻率；以及一時脈產生器，該第三時脈訊號除以一除值或乘以一乘值得到該第一時脈訊號以調節該水位值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其係應用於一DisplayPort、HDMI、USB或1394規格之電路中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，更包含一視上表(Look-up Table)，耦合於該頻率檢測器及該時脈產生器之間，且該視上表具有一複數組的取樣頻率及相對的除值或乘值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之接收訊號的裝置，其中該視上表之複數組的取樣頻率由32kHz、44.1kHz、48kHz、 88.2kHz、96kHz、176.4kHz、192kHz等等中選擇。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之接收訊號的裝置，其中該視上表與該等取樣頻率其中之一相對的該除值為該視上表所記載之較大頻率如176.4kHz或192kHz除以該頻率檢測器所決定的取樣頻率所得到較接近之整數值，而該乘值為該頻率檢測器所決定的取樣頻率除以該視上表所記載之較小頻率如32kHz所得到較接近之整數值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該緩衝單元為一音訊緩衝單元。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該緩衝單元係根據該複數組的資料之一寫入位址與該複數組的資料之一讀出位址之差值來產生該水位值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該時脈產生器包含一除法器及一倍頻器。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之接收訊號的裝置，其中該時脈產生單元係根據該視上表所記載之較大頻率如176.4kHz或192kHz為預設狀態值(default)以產生該第三時脈訊號。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該時脈產生單元為一鎖相迴路(Phase-locked loop)。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該時脈產生單元為一直接數位合成裝置(Direct digital synthesis device)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該 第二時脈訊號由該符號時脈訊號或一外接時脈訊號所選擇。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該緩衝單元係為一先進先出記憶體。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該複數組的資料數係依據DisplayPort、HDMI、USB或1394規格去取得其有效值，並將該有效值之和除以單位時間以得到該取樣頻率。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該複數組的資料係為封包型式。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之接收訊號的裝置，其中該裝置為特定應用積體電路。
  17. 一種接收時脈訊號之方法，包含有：根據一符號時脈訊號使一緩衝單元接收一複數組的資料，且根據一第一時脈訊號由該緩衝單元讀出該複數組的資料並產生一水位值；接收一第二時脈訊號以產生一第三時脈訊號，並根據該水位值來調整該第三時脈訊號之速率；根據一單位時間中該複數組的資料之一資料數目或該複數組的資料中的參數值決定該複數組的資料之取樣頻率；以及根據該取樣頻率決定一特定值，並將該第三時脈訊號除以或乘以該特定值得到該第一時脈訊號以加速調節該水位值。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，其係應用於一DisplayPort、HDMI、USB或1394規格之電路中。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，其中該特定值及該取樣頻率係進一步經由查表獲得。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，其中該取樣頻率係由32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz、192kHz等等中選擇。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，其中該複數組的資料係為一音訊資料。
  22. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，其中該相對的特定值為根據176.4kHz或192kHz除以該取樣頻率或根據該取樣頻除以32kHz或44.1kHz或48kHz所得到較接近之整數值。
  23. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，其中該產生該水位值之步驟更包含有：根據該複數組的資料之一寫入位址與該複數組的資料之一讀出位址之差值來產生該水位值。
  24. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，更包含有：判斷該水位值之高低來產生一控制訊號；以及根據該控制訊號來調整該第三時脈訊號之速率。
  25. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，更包含有：根據較大的取樣頻率為預設狀態值(default)以產生該第三時脈訊號。
  26. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，更包含有：該第二時脈訊號由該符號時脈訊號或一外接時脈訊號所選擇。
  27. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，其中該複數組的資料係為封包型式。
  28. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，其中該緩衝單元為一先進先出記憶體。
  29. 如申請專利範圍第17項所述之接收時脈訊號之方法，更包含有：依據該DisplayPort、HDMI、USB或1394規格去取得該複數組的資料數之有效值，並將該有效值之和除以單位時間以得到該取樣頻率。
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