CN101321294B - 具精确追踪机制的声音时钟再生器 - Google Patents

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Abstract

具精确追踪机制的声音时钟再生器。在一高解析度多媒体接口(High-Definition Multimedia Interface；HDMI)系统中，由于该HDMI系统的一接收装置内的一锁相回路电路的输入时钟过于缓慢，HDMI规格所提出的时钟再生器可能因而遭受外部噪声。该过慢的输入时钟会导致该锁相回路电路无法调整并减轻该接收装置所再生的一声音时钟的抖动。因此，本发明的一实施例提供一种时钟再生器，用以提取该再生声音时钟以及该接收装置由其余来源装置所接收的一图像时钟两者间的关系。该时钟再生器包括：一锁相回路电路、一恢复电路、一晶体振荡器，以及一追踪电路。该晶体振荡器产生一晶体时钟。该锁相回路振荡器接收该晶体时钟以及再生一声音时钟。该追踪电路以该提取出的关系来调节该晶体时钟的频率。

Description

具精确追踪机制的声音时钟再生器
技术领域
本发明涉及一种位于一数字传输系统内的时钟产生器，尤其涉及一种具有一相位锁相回路电路的时钟恢复电路。
背景技术
有众多数据传输标准提供给家用装置采用，举例而言，射频(RF)电缆将信号由天线传输至电视，S-视频(S-Video)则是另一种传输电视信号的数据传输标准。亦有其他种传输具有分离颜色成分的电视信号的数据传输标准。上述数据传输标准皆使用模拟波形的形式来传输数据。本领域技术人员普遍明白使用模拟波形的形式来传输数据乃会有噪声产生。
为了克服这种缺点，数种数字接口已被开发出，譬如是数字图像接口(Digital Visual Interface；DVI)，或是高解析度多媒体接口(High-DefinitionMultimedia Interface；HDMI)。HDMI是首先有能力载送未经压缩的高解析度图像信号、压缩或未经压缩的多频道声音信号，以及智慧型格式或普通数据的接口。HDMI的规格可与DVI逆向相容(Backward Compatible)。此外，HDMI接口也广受极力使其产品免受剽窃的电影制作人的高度偏好。HDMI亦允许使用者仅需使用单一遥控器即可控制多个消费者电子装置。
若欲在两装置间以数字的方式来沟通数据，则必须具备准确的时钟以使数据信号彼此同步。接收装置内通常设置着一种时钟恢复电路，这种时钟恢复电路用以自一传输装置接收该时钟，产生一内部时钟，并且使该内部时钟与所接收的该时钟彼此同步。如此一来，该接收装置即能够无错误地处理所接收到的数据。依据HDMI规格，一时钟恢复电路不仅需要使一所接收的图像时钟达到同步，还必须根据上述接收到的图像时钟与数个定义参数来提取出一声音时钟，其中这些定义参数譬如为周期时间戳记(Cycle Time Stamp；CTS)以及一因子参数N。
HDMI标准的授权代理机构-HDMI Licensing.LLC公司在公元二零零五年八月所发布的高解析度多媒体接口规格第1.2版的第75至79页中，对声音采样时钟的获得与再生加以定义，在此将其纳作参考文件。
图1是显示一种依据前述HDMI规格的声音时钟产生模型。一来源装置11将最小化传输差分信号(Transmission Minimized Differential Signaling：；TMDS)或图像时钟传送至一接收装置12，并且同时一参数CTS以及一参数N在一声音时钟再生分组的内部而由来源装置11传送至接收装置12。在某些图像来源装置中，声音与图像时钟彼此同步，并且这两种信号之间存在着一种有理数(即整数除以整数)关系。在另一种情况中，声音及图像时钟则可能彼此不同步。根据HDMI规格，接收装置12亦能通过提取出两信号间的分数关系而在这种环境中运作。
来源装置11首先决定图像时钟与一声音参考时钟(128*fs)间的分数关系，其中fs为一声音采样率。来源装置12包括一寄存器15、一除法器13，以及一计数器14，其中该寄存器15用以存放上述的参数N，该除法器13将上述声音参考时钟除以参数N，以及计数器14以图像时钟为基础来计算经除法运算后的声音参考时钟的周期。两时钟间的准确关系乃如以下所述：
128*fs＝fTMDS_clock*N/CTS
来源装置11通过上述HDMI连接以将分子及分母传送至接收装置12。接收装置12的时钟恢复电路包括一除法器16与一频率乘法器17。该除法器16将进来的图像(即TMDS)时钟除以参数CTS，接着该频率乘法器17将经除法运算后的图像(即TMDS)信号的频率增加为原先频率的N倍。最后，即获得与再生一频率落于一声音频率范围内且与所接收的图像时钟同步的时钟。
图2是显示一运用N值及CTS值而实现声音时钟再生功能的选择性架构。上述的频率乘法器17在此图中以一传统锁相回路电路取代，其中该锁相回路电路包含一相位检测器21、一低通滤波器22、一压控振荡器(VoltageControlled Oscillator；VCO)23，以及一除法器24。本领域技术人员普遍明了此传统锁相回路电路能够再生一同步时钟，在此故而省略此传统锁相回路电路的详细运作过程。
如上述HDMI规格的第76页所述，因时钟不同步之故，参数CTS的变动会产生大的抖动(Jitter)。纵使HDMI规格曾经建议数种N值及CTS值，仍难以获得低抖动的声音信号。举例而言，为了从一频率为25.2MHz的图像时钟获得一频率为32KHz的声音时钟，如果参数N的值依HDMI规格建议而为4096，则参数CTS即为25,200。所接收到的图像(TMDS)时钟先于接收装置12中被除以参数CTS而降至1KHz，继而进入锁相回路电路。
在具有如此低的输入频率(即1KHz)下，锁相回路电路无法自我调整。相位检测器21检测到相位变动并迫使低通滤波器22转换期电压电平，方以使VCO 23能够将一反馈时钟经过除法器24而传送至相位检测器21，从而更新一输出信号，其中该输出信号与该输入信号(即频率为1KHz的时钟)相同步。在具有如此低的输入频率下，锁相回路电路每1ms自我调整一次，1ms即等于1KHz时钟的周期。如此一来，由于锁相回路电路仅能缓慢地调整其相位，噪声可能在这1ms的等待时间内在外部或内部累积，结果即无法轻易达到HDMI规格中1000ppm的精确要求。
根据HDMI规格，上述接收装置12内的时钟恢复电路的选择性架构系无法提供出一种低抖动的时钟恢复电路。因此，本发明的目的在于提供一种稳定且能符合HDMI规格所定义要求的时钟恢复电路。
发明内容
依据本发明的一实施例，提供一种声音时钟再生器，其供一高解析度多媒体接口HDMI接收装置使用，其中该HDMI接收装置接收一图像时钟、一周期时间戳记，以及一因子，该声音时钟再生器包括：一除法器，用以对一晶体时钟的频率进行除法运算；一锁相回路电路，用以产生一声音时钟，并对一反馈时钟执行相位锁定，其中该反馈时钟通过将该声音时钟除以该因子而获得；一恢复电路，用以以该图像时钟为基础来提取该声音时钟的周期，并产生一恢复周期时间戳记；一数字控制晶体振荡器，用以产生该晶体时钟；以及一追踪电路，用以比较该恢复周期时间戳记的值与该周期时间戳记的值，以调节该晶体振荡器的该晶体时钟。
上述晶体时钟的频率可通过该追踪电路来作调整。此频率可在该周期参数小或大于该恢复参数时来作调整。为了获取一较精确的频率，追踪电路累计该恢复参数及该周期参数间的比较结果，从而调整该晶体振荡器的该晶体时钟。
依据本发明的另一实施例，提供一种时钟再生器，其包括一时钟输出、一时钟输入、一晶体时钟、一锁相回路电路，其用以接收该晶体时钟并再生该时钟输出、一提取电路，其用以接收该时钟输出并比较该时钟输出与该时钟输入以产生一第一比率参数，一晶体振荡器，其用以产生该晶体时钟，以及一调整电路，其用以接收一第二比率参数并比较该第一及第二比率参数以调整该晶体振荡器的该晶体时钟。
依据本发明的另一实施例，提供一种接收装置，其用于一高解析度多媒体接口系统中，该接收装置接收一图像时钟及一周期时间参数，该接收装置包括：一振荡器，用以产生一时钟信号；一锁相回路电路，用以根据该晶体时钟而再生一声音信号；一计数器，用以以该图像时钟为基础而提取出该声音信号的周期；以及一追踪电路，其用以比较提取的该声音信号的周期与该周期时间参数，并且根据提取的该声音信号的周期与该周期时间参数之间的比较结果来改变该振荡器的该晶体时钟。
依据本发明的另一实施例，提供一种时钟恢复方法，其用于一高解析度多媒体接口系统的一接收装置，包括：接收一图像时钟及一周期时间参数；产生一晶体时钟；根据该晶体时钟以再生一声音时钟，其中该声音时钟的相位与该晶体时钟相同步；以该图像时钟为基础来提取该声音时钟的周期；比较提取的该声音时钟的周期与该周期时间参数；以及根据该提取得的周期与该周期时间参数间的比较结果来改变该晶体时钟。
附图说明
根据本发明的各种特点，功能，实施例皆可以从上述的详细说明，同时参考附图而更容易的了解，该参考附图包含：
图1是显示HDMI规格所揭示的一声音时钟产生模型；
图2是显示HDMI规格所建议的接收装置的一时钟恢复电路的选择性架构；
图3是显示本发明所提供的由一图像时钟来恢复一声音时钟的一实施例；
图4是显示本发明所提供的一CST追踪时钟的演算法的实施例，其包括晶体时钟的粗调操作与细调操作；
图5是显示本发明所提供的粗调与细调步骤的一实施例；以及
图6是显示本发明所提供的粗调与细调步骤的另一实施例。
【主要元件符号说明】
11：来源装置
12：接收装置
13：除法器
14：计数器
15：寄存器
16：除法器
17：频率乘法器
21：相位检测器
22：低通滤波器
23：压控震荡器
24：除法器
31：晶体振荡器
32：除法器
33：相位频率检测器/电荷泵
34：压控震荡器
35：除法器
36：恢复除法器
37：周期时间计数器
38：追踪电路
CTS：参数
FINE：控制信号
M：参数
N：参数/因子
TMDS_CLK：图像时钟
TMDS_CTS：周期时间戳记
TMDS_CTS[0]：TMDS_CTS的最低有效位
TMDS_CTS_ACC：TMDS_CTS[0]的累计值
APLL_CTS：恢复周期时间戳记
APLL_CTS[0]：APLL_CTS的最低有效位
APLL_CTS_ACC：APLL_CTS[0]的累计值
具体实施方式
本发明提供一种设于一数据传输系统内而能够准确追踪一时钟输入并且再生一恢复时钟输出的方法以及装置。
图3是显示本发明所提供的一声音时钟再生器的一实施例，该声音时钟再生器系能使用参数TMDS_CTS及N而由一图像时钟TMDS_CLK来恢复一声音时钟(128*Fs)。该声音时钟再生器包括一锁相回路电路、一恢复电路、一晶体振荡器，以及一追踪电路38。晶体振荡器31产生一晶体时钟，举例而言，是24.576MHz。所产生的晶体时钟可在一频率范围内调整。在一实施例中，晶体振荡器31可为一数字控制晶体振荡器，或可为一模拟控制晶体振荡器，举例而言，如一压控振荡器。
上述的时钟再生器还包括一时钟除法器32，其将晶体振荡器31所产生的晶体时钟除以一参数M，而该参数M是一接近参数TMDS_CTS的数值。时钟再生器不仅接收图像时钟TMDS_CLK，亦接收两参数TMDS_CTS及N，方以产生所预期的声音时钟(128*Fs)。参数TMDS_CTS与N代表图像时钟TMDS_CLK与声音时钟(128*Fs)间的分数关系。声音时钟(128*Fs)通常介于1MHz至100MHz的频率范围内，其中Fs代表声音采样率。举例而言，如果该声音采样率是32KHz，所需的声音时钟即约为4MHz；另举一例，如果该声音采样率是192kHz，所需的声音时钟即约为24MHz。
图像时钟TMDS_CLK与所产生的声音时钟(128*Fs)两者间的分数关可使用下式来描述：
128*Fs＝fTMDS_CLK*N/TMDS_CTS
锁相回路电路接收该经除法运算后的晶体时钟并继而再生该声音时钟(128*Fs)。在此实施例中，锁相回路电路包括一PFD/CP(相位频率检测器/电荷泵(Phase Frequency Detector/Charge Pump))33、一VCO(压控振荡器(Voltage Controlled Oscaillator))34以及一回路除法器35。普遍皆知，锁相回路电路对输入时钟与所再生的输出两者间的相位予以调整。VCO 34依据一来自PFD/CP 33的参考电压来调整声音时钟(128*Fs)。声音时钟(128*Fs)在经回路除法器35施以除法运算后，即成为传送至PFD/CP 33的一反馈信号，其中回路除法器35的除数根据参数N来决定。
此外，锁相回路电路亦可运用其他技术来达到时钟再生的功能。在此实施例中，锁相回路电路使用整数N频率合成器的结构。然而，锁相回路亦可采用分数N频率合成器的结构。更举一例，锁相回路电路亦可采用多模(Multi-modulus)分数N或多相(Multi-phase)分数N频率合成器的结构，使得N即使为一分数参数，锁相回路电路仍然可以运作。因此，本发明的参数N并不局限为一整数。在特定的实施例中，锁相回路电路亦可采用一Sigma-Delta型调变器(Sigma-Delta Modulator)以实现上述分数N的频率合成功能。
恢复电路包括一恢复除法器36以及一周期时间计数器37，并且恢复电路提供一恢复周期时间戳记APLL_CTS给追踪电路38。恢复除法器36将所再生的声音时钟(128*Fs)除以参数N。周期时间计数器37接收图像时钟TMDS_CLK，继而将经除法运算后的声音时钟及图像时钟TMDS_CLK两者间的关系提取出来。举例而言，由于图像时钟TMDS_CLK为较快的时钟，因此周期时间计数器37可将图像时钟TMDS_CLK用作一基础时钟，用以计算经除法运算后的声音时钟的时钟周期。
追踪电路38接收所再生(或恢复)的周期时间戳记APLL_CTS与周期时间戳记TMDS_CTS。周期时间参数TMDS_CTS是一由其他装置所传输的参考参数，其乃伴随着参数N及图像时钟TMDS_CLK。所再生的周期时间戳记APLL_CTS是一再生参数，其来自上述用以提取图像时钟TMDS_CLK及再生声音时钟(128*Fs)两者间关系的恢复电路。因此，倘若再生声音时钟(128*Fs)与图像时钟TMDS_CLK不与参考参数TMDS_CTS及N相对应，则再生的周期时间戳记APPL_CTS会转变为一异于参考时钟戳记TMDS_CTS的数值。
追踪电路38系输出一控制信号FINE至晶体振荡器31。晶体振荡器31所产生的晶体时钟频率是根据参考周期时间戳记TMDS_CTS及再生周期时间戳记APLL_CTS来作调整。在一实施例中，晶体振荡器31系一数字控制振荡器，以及追踪电路38系输出至少一数字信号以控制晶体振荡器31，其中该数字信号可代表一整数或一分数。在另一实施例中，晶体振荡器31是一模拟控制振荡器，以及追踪电路系输出至少一模拟信号以控制晶体振荡器31，其中该模拟信号可为至少一电压信号或电流信号。
如此一来，恢复电路与追踪电路系构成一恢复回路，用以通过调整晶体时钟频率的方式来改正锁相回路电路的输入时钟。此恢复回路确保所再生的声音时钟(128*Fs)与图像时钟TMDS_CLK两者间的关系能够依据参考参数TMDS_CTS及N。
图4是显示一CST追踪时钟的演算法，其包括晶体时钟的粗调(coarsetune)操作与细调(fine tune)操作。在一实施例中，一CTS追踪方法包括一粗调步骤与一细调步骤。在该粗调步骤中，如果参考周期时间戳记TMDS_CTS大于所产生的周期时钟戳记APLL_CTS，则APLL_CTS追踪电路38将控制信号FINE减一。反之，如果参考周期时间戳记TMDS_CTS小于所产生的周期时钟戳记APLL_CTS，则APLL_CTS追踪电路38将控制信号FINE加一。粗调步骤可以频繁地执行，以使所产生的声音时钟(128*Fs)能受监控而不偏离正确的声音频率。
有时候，所产生的周期时间戳记APLL_CTS与参考周期时间戳记TMDS_CTS的数值相近，此意谓所产生的声音时钟(128*Fs)位于图像时钟TMDS_CLK的细微范围内。于某些情况下，所产生的周期时间戳记APLL_CTS与参考周期时间戳记TMDS_CTS间的扰动现象会导致不稳定的问题。有鉴于此，细调步骤能提供一个折衷办法。在一实施例中，追踪电路38累计所产生的周期时间戳记APLL_CTS的最低有效位(the LeastSignificant Bit)以及累计参考周期时间戳记TMDS_CTS的最低有效位达一特定时间。追踪电路38继而可根据下述(1)(2)两者间的比较结果来增加或减少控制信号FINE：(1)所产生周期时间戳记APLL_CTS的最低有效位APLL_CTS[0]的累计值APLL_CTS_ACC以及(2)参考周期时间戳记TMDS_CTS的最低有效位TMDS_CTS[0]的累计值TMDS_CTS_ACC。在一优选实施例中，该特定时间是至少半毫秒。
图5是显示本发明所提供的粗调与细调步骤的一实施例。在此实施例中，假设时钟再生器执行六个调节步骤S1至S6。一般而言，此六步骤发生的顺序可为S1、S2、S3、S4、S5以及S6。由于调节步骤S1、S2、S3以及S4位于粗调范围内，因此控制信号FINE会依据粗调步骤的比较结果来作调整。而当调节步骤位于细调范围内时，由于控制信号FINE的最小解析度无法辨认步骤S5及S6的差别，因而控制信号FINE无法被适当地调整。
图6是显示本发明所提供的粗调与细调步骤的另一实施例。在时间点t1及t2，粗调步骤在参考周期时间戳记TMDS_CTS及所产生的周期时间戳记APLL_CTS两者互异时执行以调节晶体振荡器；而在时间点t3及t4，细调步骤在参考周期时间戳记TMDS_CTS及所产生的周期时间戳记APLL_CTS两者相等或相近时执行以调节晶体振荡器。当细调步骤执行时，可采用种种不同的时序。举例而言，时间点t4及t3间的时间间隔可比时间点t3及t2间的时间间隔来得长，其中该时间间隔可约为1毫秒。
根据一实施例，一HDMI(高解析度多媒体接口(High DefinitionMultimedia Interface))系统的一接收装置可使用一种具有精确追踪机制的时钟再生器。此时钟再生器包括一振荡器、一锁相回路电路、一计数器，以及一追踪电路。计数器接收一图像时钟以及一周期时间参数，继而依据该图像时钟而提取出一声音时钟的周期。锁相回路电路的输入是一由该振荡器所产生的晶体时钟。追踪电路将计数器所提取的周期与所接收的周期时间参数相比较，并随之改变振荡器的晶体时钟的频率。
此时钟再生器可还包括一周期时间除法器，用以在上述晶体时钟进入锁相回路振荡器之前根据该周期时间参数而对该晶体时钟执行除法运算。此外，追踪电路可还包括一累加器，用以累计周期时间参数与所提取周期两者间的差值。举例而言，如果周期时间参数与所提取周期采用数字位来表示，则累加器可累计每一最低有效位，以能达到精确的频率控制。如此一来，声音信号即被再生出来并且与图像信号相同步。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种声音时钟再生器，其供一高解析度多媒体接口HDMI接收装置使用，其中该HDMI接收装置接收一图像时钟、一周期时间戳记，以及一因子，该声音时钟再生器包括：
一除法器，用以对一晶体时钟的频率进行除法运算；
一锁相回路电路，用以产生一声音时钟，并对一反馈时钟执行相位锁定，其中该反馈时钟通过将该声音时钟除以该因子而获得；
一恢复电路，用以以该图像时钟为基础来提取该声音时钟的周期，并产生一恢复周期时间戳记；
一数字控制晶体振荡器，用以产生该晶体时钟；以及
一追踪电路，用以比较该恢复周期时间戳记的值与该周期时间戳记的值，以调节该晶体振荡器的该晶体时钟。
2.如权利要求1所述的声音时钟再生器，其中当该周期时间戳记的值小于该恢复周期时间戳记的值时，该晶体时钟的频率被增高。
3.如权利要求1所述的声音时钟再生器，其中当该周期时间戳记的值大于该恢复周期时间戳记的值时，该晶体时钟的频率被降低。
4.如权利要求1所述的声音时钟再生器，其中该恢复电路包括一恢复除法器及一周期时间计数器，其中该恢复除法器接收所产生的该声音时钟并且将该声音时钟进行除法运算而成为一较慢的时钟信号。
5.如权利要求1所述的声音时钟再生器，其中该数字控制晶体振荡器包括一除法器。
6.如权利要求1所述的声音时钟再生器，其中该追踪电路累计该恢复周期时间戳记值与该周期时间戳记值间的比较结果，并且调节该数字控制晶体振荡器的该晶体时钟。
7.如权利要求1所述的声音时钟再生器，其中该追踪电路执行：
1)分别累计该恢复周期时间戳记值的最低有效位与该周期时间戳记值的最低有效位达至少半毫秒；
2)比较该累计结果；以及
3)依据该比较结果来调节上述的数字控制晶体振荡器的该晶体时钟。
8.一种接收装置，其用于一高解析度多媒体接口系统中，该接收装置接收一图像时钟及一周期时间参数，该接收装置包括：
一振荡器，用以产生一时钟信号；
一锁相回路电路，用以根据该晶体时钟而再生一声音信号；
一计数器，用以以该图像时钟为基础而提取出该声音信号的周期；以及
一追踪电路，其用以比较提取的该声音信号的周期与该周期时间参数，并且根据提取的该声音信号的周期与该周期时间参数之间的比较结果来改变该振荡器的该晶体时钟。
9.如权利要求8所述的接收装置，其中该振荡器包括一除法器。
10.如权利要求8所述的接收装置，其中该计数器包括一除法器，其中于该计数器提取该声音信号的周期前，该除法器以该图像时钟为基础而对该声音信号执行除法运算。
11.如权利要求8所述的接收装置，其中该追踪电路包括一累加器，其用以累计提取的该声音信号的周期的最低有效位与该周期时间参数的最低有效位。
12.如权利要求11所述的接收装置，其中当该所提取的周期与该周期时间参数相等时，该追踪电路根据该累加器的累计结果以改变该振荡器的该晶体时钟。
13.一种时钟恢复方法，其用于一高解析度多媒体接口系统的一接收装置，包括：
接收一图像时钟及一周期时间参数；
产生一晶体时钟；
根据该晶体时钟以再生一声音时钟，其中该声音时钟的相位与该晶体时钟相同步；
以该图像时钟为基础来提取该声音时钟的周期；
比较提取的该声音时钟的周期与该周期时间参数；以及
根据该提取得的周期与该周期时间参数间的比较结果来改变该晶体时钟。
14.如权利要求13所述的时钟恢复方法，还包括下述步骤：
在提取出该声音时钟的周期前，以该图像时钟为基础来对该声音时钟执行除法运算；以及
当提取的该声音时钟的周期与该周期时间参数相等时，累计提取的该声音时钟的周期的最低有效位及该周期时间参数的最低有效位。
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