CN102387369B - 接收信号的装置以及接收时钟信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接收信号的装置以及接收时钟信号的方法，该方法包括以下步骤：根据一符号时钟信号接收多组数据，且根据一第一时钟信号读出该多组数据并产生一水位值；接收一第二时钟信号以产生一第三时钟信号，并根据该水位值来调整该第三时钟信号的速率；根据一单位时间中该多组数据的数据量或该多组数据中的参数值决定该多组数据的取样频率；以及根据该取样频率决定一除值，并将该第三时钟信号除以该除值得到该第一时钟信号以调节该水位值。

Description

接收信号的装置以及接收时钟信号的方法

技术领域

本发明涉及一种接收时钟信号的装置以及接收时钟信号的方法，具体涉及重建取样频率并据以快速锁定信号的方法与装置，尤其涉及一种数字多媒体系统中重建取样频率并据以快速锁定信号的方法与装置。

背景技术

为了减少失真，并且避免许多信号线在家中缠绕，影音家电采用数字音频是必要的。以往以光纤传送数字信号，缺点在于成本较高。而数字多媒体系统将音频与视频整合在同一接口，将大量取代传统AV端子，并提供高质量音频表现。

从技术层面要来摸索音频传输，传输数字音频颇为复杂。一来，音频频道的多寡、数据格式、取样频率、是否压缩，以及单位元音频(One Bit Audio)等细节，都足以让工程人员旷日废时研究。二来，数字多媒体系统如高解析多媒体接口(HDMI)是利用封包来载送，工程人员对于传输机制也必须了解。再者，影片中音频与视频之间的同步，也不能有差错。

数字多媒体系统如高解析多媒体接口连接上所载送的音频数据，仅能依赖TMDS亦即视频的频率。换句话说，数据的传送并不会包含或保留原来音频的取样频率。因此，接收端(Sink)装置必须重建这个取样频率，这个动作称为“音频时钟再生(Audio ClockRegeneration)”。这个观念在任何输出入标准，如USB、DP与1394等也完全适用。主要重点是该用何种方法来达成。

图1提供一个可能的态样，即一种锁定信号的接收装置10。其包括一第一除法器101、一第二除法器102、以及一锁相环103。

在多数数字多媒体系统中，视频的来源端(Source)装置，其音频与视频数据的时钟，其实是由一个共通时钟来源所产生，这种组态称为“连贯时钟(Coherent Clocks)”。在此情形下，它们之间存在着数字关系，也就是可使用整数予以整除。该系统的基本观念是，来源端装置必须算出视频时钟与音频时钟的分数关系。

以高解析多媒体接口为例，如图1所示，两者之间关系的呈现数学式如下：128*fs＝f_{TMDS_CLOCK}*N/CTS(在DisplayPort中是512*fs＝f_{TMDS_CLOCK}*M_aud/N_aud)。很明显，来源端装置必须决定分子的N与分母的周期时戳(Cycle Time Stamp，CTS)并经由数据传送该N/CTS(或M_aud/N_aud)即为该第一除法器101及该第二除法器102的除值比。如果视频时钟与音频时钟两者是同步的，就可以轻易决定出CTS是一个固定值。如果两者不同步，就表示存在着信号抖动量，那么CTS就可能会有不同的数值。图1所揭示者，其N与CTS是通过“音频时钟再生”封包向外传送，视频时钟则是由“TMDSClock Channel”的传输通道来载送。

以上现有技术存在的问题，其至少有：

(1)N与CTS是通过“音频时钟再生”封包向外传送，因此，图1中的该锁相环103必须等到该“音频时钟再生”封包被收到并解读其参数后才能开始锁定的程序，这导致了反应时间较慢；

(2)当“音频时钟再生”封包传送错误的N或CTS值时，导致判断错误的取样率，因而处理器错误设定相关电路如该锁相环103中的参数，也会导致送出不正确的声音；

(3)当变换音频取样率时，会有一段来不及反应的时期，导致送出不正确的声音，也就是说，如果视频时钟与音频时钟两者不同步，就表示存在着信号抖动量，那么CTS就可能会有不同的数值；

(4)N与CTS的建议值往往很大，如图2A～2C中的表2a～2c，其分别列出音频取样率为32/44.1/48kHz(这三种频率也是最常见的取样基准)相对应的N与CTS的建议值，这使得与图1中的该锁相环103共同运作的该除法器101及102复杂而难以设计；

(5)来源端装置必须决定分子的N与分母的CTS，这样一来造成增加来源端装置设计的复杂度；以及

(6)该锁相环103的参数调校需经由该处理器处理，处理器也需要外来的驱动程序，这也增加了制造难度和成本。

在DisplayPort的规格中和N与CTS相对的是Maud与Naud，存在的问题也相同，在此不再赘述。

因此，本发明的发明人研究出重建取样频率并据以快速锁定信号的方法与装置，尤其是关于一种数字多媒体系统中重建取样频率并据以快速锁定信号的方法与装置，其可改善现有技术制造难和成本高的现状。

发明内容

本发明的一个目的为在数字多媒体系统中提供一种以特定应用集成电路/硬件以快速重建取样频率并据以快速锁定信号的方法与装置。

本发明的另一目的为在数字多媒体系统中变换音频取样率时快速锁定音频而避免送出不正确的声音的方法与装置。

本发明的又一目的在于简化与相位锁定回路共同运作的除法器并降低其除法值(与视频时钟与音频时钟有关的值)，该除法值可为“音频时钟再生”封包中对与相位锁定回路的参数，如N与CTS以及M_aud与N_aud。

本发明的又一目的在于一种方法与装置，其在数字多媒体系统中若无音频时钟再生封包时或音频时钟再生封包错误或音频时钟再生封包中的相关参数错误时，仍可正确并快速重建取样频率并据以快速锁定音频。

本发明的又一目的在于一种方法与装置，其在数字多媒体系统中能正确并快速使视频时钟与音频时钟达到同步。

因此，本发明提供一种接收信号的装置，包括：

一缓冲单元，其根据一符号时钟信号来接收多组数据，且根据一第一时钟信号来读出该多组数据并产生一水位值，其中，该水位值为该缓冲单元所暂时储存的数据量；

一时钟产生单元，其接收一控制信号及一第二时钟信号以产生一第三时钟信号；

一判断单元，接收该水位值并根据该水位值的大小来产生该控制信号，以控制时钟产生单元产生第三时钟信号的速率；

一频率检测器，根据一单位时间中该多组数据的数据量或该多组数据中的参数值决定该多组数据的取样频率；以及

一时钟产生器，将该第三时钟信号除以一除值或乘以一乘值得到该第一时钟信号以调节该水位值。

本发明亦提供一种接收信号的方法，包括：

根据一符号时钟信号使一缓冲单元接收一多组数据，且根据一第一时钟信号由该缓冲单元读出该多组数据并产生一水位值；

接收一第二时钟信号以产生一第三时钟信号，并根据该水位值来调整该第三时钟信号的速率；

根据一单位时间中该多组数据的数据量或该多组数据中的参数值决定该多组数据的取样频率；以及

根据该取样频率决定一特定值，并将该第三时钟信号除以或乘以该特定值得到该第一时钟信号以加速调节该水位值。

为使贵审查委员对于本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，现配合图标范例详细说明如后。

附图说明

图1是现有技术重建取样频率并锁定信号的示意图；

图2A～2C是现有技术的音频取样率的参数示意图；

图3是用于本发明的高解析多媒体接口的子封包的配置图；

图4是高解析多媒体接口的子封包有效的配置组态图；

图5是用于本发明的信号接收装置的架构示意图；

图5A是用于本发明的信号接收装置的查找表示意图；

图5B是用于本发明的信号接收装置的缓冲单元中暂存数据的读出及写入的总量(或流量)示意图；以及

图6是本发明的接收频率信号方法的示意图。

主要元件符号说明

10接收装置            101第一除法器

102第二除法器         103锁相环

520接收装置           521缓冲单元

522频率检测器         523时钟产生单元

524时钟产生器         525判断单元

526查找表             527多工器

S601～S604步骤

具体实施方式

数字多媒体中数字音乐势必存在“取样频率”的课题。按照一般多媒体系统规格，如HDMI/DP的来源端，其允许传送取样频率32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz或192kHz的压缩音频数据。音频与其它信号(如视频数据)往往一起传递，但是数字多媒体中音频封包是在影像空白(blanking)区域摆放音频封包，(这是因为数字多媒体中如HDMI/DP或其它规格如USB/1394目前的速度皆远大于音频封包至少10倍到100倍以上)，而且摆放的方式是有规范的，单位时间摆放音频封包的个数变化得尽量越小越好。同时，当取样频率越大时，单位时间摆放音频封包的个数也会随之对应增加；也就是说在接收端我们可以将这些音频封包在单位时间于接收端出现的数目用来还原音频封包的取样频率。

以HDMI为例，首先，我们只要计算单位时间T内有效的取样数N，单位时间T我们收到几个具有如图3所示的标头(Header)的封包，(所谓有效，稍后会介绍)，N除以T后就可以得到音频采样率，而完全不需要参考前述的N/CTS信息。

HDMI定义了两种子封包的配置：Layout＝0与Layout＝1(如图3)。在音频取样封包标头(Header)中有四个“取样陈述(Sample_Present)”位元，每一个位元对应到子封包，表示该子封包是否含有音频取样。“Layout0”的配置允许从单一IEC 61937或IEC 60958的双声道串流音频，载送最多4个取样。而4个取样陈述位元也仅有5种有效的配置组态。假设取样数N中的第M个封包我们欲计算其有效值，而该第M个封包的音频取样封包标头(Header)中的Layout值为0时，表示该第M个封包为双声道，其载送1～4个取样，如图4，而由sample_present计算该1～4个取样为1的数目即为该音频封包的取样值。如：sample_present.sp0/1/2/3为0000时其取样值为0，1000时其取样值为1，为1110时其取样值为3...依此类推。

而该第M个封包的Layout值为1时，表示该第M个封包为3～8声道，其必然只载送0或1个取样，此时，我们只要看取样0的值为0或1即可。

也就是说，对于单位时间T内的M个音频封包，我们可以由其每一个Layout值及其相关sample_present.sp0～3去推得其个别封包的有效值后将其相加再除以单位时间T即为取样频率。而DisplayPort规格中其封包中四位元组承载的第3位元组的第7位元亦为sample_present，故其有效值的推定方法为与HDMI雷同，在此不再赘述。

本发明的一态样中显示，既然数字多媒体系统中音频封包的取样频率依规格为32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz或192kHz中选择其中的一种频率，熟悉该项技艺者自可由该音频采样率与32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz或192kHz中比较并选择其中接近的一种频率。例如若该N除以T为49.1kHz则可知其取样频率为较接近的48kHz。

本发明的另一态样，如图5，其提供一种以特定应用集成电路/硬件完成的信号接收装置520，其包括一缓冲单元521，一频率检测器522，一时钟产生单元523，一时钟产生器524，以及一判断单元525。

其中，该缓冲单元521可为一先进先出存储器(FIFO)，可为一音频缓冲单元，其根据一符号时钟信号来接收多组可为封包型式的数据并产生一水位值，该水位值可为该缓冲单元所储存的数据流或数据量。同时，储存于该缓冲单元521的数据依序输出时，则依一第一时钟信号来读出该多组数据，而当符号时钟信号与该第一时钟信号一致时，进出该缓冲单元521中单位时间平均数据量会相同。在本实施例中，该时钟产生单元523接收一第二时钟信号及一控制信号up/dn以产生一第三时钟信号；而在该频率检测器522接收到的频率为音频采样率的较大值，如176.4kHz或192kHz时，该第三频率信号即为该第一时钟信号使进出该缓冲单元521中单位时间平均数据量既不超过该缓冲单元521的容量也不使该缓冲单元521的数据量为零或接近零。

也就是说，该频率检测器522以音频采样率的较大值，如176.4kHz或192kHz做为预设状态值(default)，此时该第一时钟信号及该第三时钟信号即约略等于该符号时钟信号以使进出该缓冲单元521中单位时间的平均数据量相同。而该时钟产生单元523，其可为一锁相环(Phase-locked loop)或一直接数字合成装置(Directdigital synthesis device)，而其参数的设定即依据音频采样率的较大值，如176.4kHz或192kHz时使该缓冲单元521中单位时间平均数据量会相同者做为其预设状态值。

而当该频率检测器522在单位时间检测到的有效数据数即某特定时间的该多组数据的取样频率降低时，如192kHz降至48kHz时，熟悉该项技艺者亦可设置一查找表(Look-up Table)526(该查找表526的一态样详见图5A)，经由该时钟产生器524，此时可为一除法器，将该第三时钟信号除以4(192kHz除以48kHz最接近的整数是4)以加快该时钟产生单元523的锁定速率。该时钟产生单元523的输入时钟即该第二时钟信号可由该符号时钟信号或一外接时钟信号经由一多工器527所选择。当然，若不使用除法器及查找表，本发明的实施例亦可运作，唯该缓冲单元521的容量则需更大而锁定时间则更长。同时，以高解析多媒体接口或DisplayPort为例，该查找表526亦可由高解析多媒体封包中的N与周期时戳或DisplayPort封包中的M_aud与N_aud来决定，仍能达到降低与时钟产生单元523共同运作的除法器的值及数量，在此不再赘述。

时钟产生器524亦可为一倍频器，如信号接收装置520根据一符号时钟信号来接收多组可为封包型式的数据单位时间增加时，如48kHz升至192kHz时，时钟产生器524即倍频器将该第三时钟信号乘以4(192kHz除以48kHz最接近的整数是4)以加快该时钟产生单元523的锁定速率。

而该倍频器及除法器的使用时机则根据信号接收装置520中的该频率检测器522以音频采样率的较大值(使用除法器)，如176.4kHz或192kHz做为预设状态值(default)或是该频率检测器522以音频采样率的较小值(使用倍频器)，如32kHz、44.1kHz、48kHz做为预设状态值(default)而决定。而当该频率检测器522以音频采样率的中间值，如88.2kHz或96kHz做为预设状态值(default)时，该时钟产生器524同时包含一倍频器及一除法器。

本发明所揭示的查找表提供该倍频器及该除法器所需的特定值，熟悉该项技艺者可依倍频器及除法器的运用而变化，在此不再赘述。

若时钟产生单元523的输出发生抖动或其它环境因素导致符号时钟信号频偏因而与该第一时钟信号不一致时，于缓冲单元521进出的单位时间平均数据量便会发生变动，产生水位值WL上升或下降的趋势。如图5B所示，缓冲单元521亦可根据此暂存的数据的流量或总量，或根据写入数据的总量W减去读出数据的总量R来产生一水位值WL。举例而言，视频缓冲单元321可依据该多组数据的一写入地址减去该多组数据的一读出地址而产生水位值WL。

而判断单元525根据该水位值WL的大小来产生一控制信号up/dn，以控制时钟产生单元523产生第三时钟信号的速率。其中，当该缓冲单元521中的数据暂存量(水位)为“满”或“接近满”时，如图5B所示的时间t₂，控制信号up用以控制时钟产生单元523以加速第三时钟信号；当该缓冲单元521中的数据暂存量(水位)为“空”或“接近空”如图5B所示的时间t₁时，控制信号dn用以控制时钟产生单元523以降低第三时钟信号。该时钟产生单元523接收该符号时钟信号或外部时钟来产生并根据控制信号up/dn来调整上述第三时钟信号以进一步调节该缓冲单元521的水位值。

如图6，是关于本发明的一种接收频率信号的方法，其包括以下步骤：

步骤S601：根据一符号时钟信号使一缓冲单元接收多组数据，且根据一第一时钟信号由该缓冲单元读出该多组数据并产生一水位值；

步骤S602：接收一第二时钟信号以产生一第三时钟信号，并根据该水位值来调整该第三时钟信号的速率；

步骤S603：根据一单位时间中该多组数据的数据量或该多组数据中的参数值决定该多组数据的取样频率；以及

步骤S604：根据该取样频率决定一特定值，并将该第三时钟信号除以或乘以该特定值加速得到该第一时钟信号。

图6所揭示的方法，其可应用于一DisplayPort、HDMI、USB或1394规格的电路中，该除值及该取样频率进一步可经由查表获得，同时，该多组取样频率由32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz、192kHz等等中选择，而该多组数据是一音频数据封包。

图6所揭示的方法，其可进一步包括以下技术特征：

(1)该相对的特定值为根据176.4kHz或192kHz除以该取样频率或根据该取样频率除以32kHz或44.1kHz或48kHz所得到较接近的整数值；

(2)根据该多组数据的一写入地址与该多组数据的一读出地址的差值来产生该水位值；

(3)根据较大的取样频率为预设状态值(default)以产生该第三时钟信号；该第二时钟信号由该符号时钟信号或一外接时钟信号所选择；以及

(4)依据该DisplayPort、HDMI、USB或1394规格去取得该多组数据的数据量的有效值，并将该有效值之和除以单位时间以得到该取样频率。

唯以上所述，仅为本发明的优选实施例，当不能以此限定本发明所实施的范围。即凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (27)

1.一种接收信号的装置，包括： 

一缓冲单元，其根据一符号时钟信号来接收多组数据，且根据一第一时钟信号来读出所述多组数据并产生一水位值，其中，所述水位值为所述缓冲单元暂时储存的数据量； 

一时钟产生单元，接收一控制信号及一第二时钟信号以产生一第三时钟信号； 

一判断单元，接收所述水位值并根据所述水位值的大小来产生所述控制信号，以控制所述时钟产生单元产生所述第三时钟信号的速率； 

一频率检测器，根据一单位时间中输入所述缓冲单元的所述多组数据的数据量或所述多组数据中的参数值决定所述多组数据的取样频率；以及 

一时钟产生器，将所述第三时钟信号除以一除值或乘以一乘值得到所述第一时钟信号以调节所述水位值，其中 

所述接收信号的装置还包括一查找表，所述查找表耦合于所述频率检测器及所述时钟产生器之间，且所述查找表具有多组取样频率及相对的所述除值或所述乘值。 

2.根据权利要求1所述的接收信号的装置，所述装置应用于一DisplayPort、HDMI、USB或1394规格的电路中。 

3.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述查找表具有的所述多组取样频率由32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz、192kHz中选择。 

4.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，与所述多组取样频率中的一个相对的除值为所述查找表所记载的较大频率除以所述频率检测器所决定的取样频率所得到的较接近的整数值，而所述乘值为所述频率检测器所决定的取样频率除以所述查找表所记载的较小频率所得到的较接近的整数值，所述较大频率为176.4KHz或192KHz，所述较小频率为32KHz。 

5.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述缓冲单元为一音频缓冲单元。 

6.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述缓冲单元根据所述多组数据的一写入地址与所述多组数据的一读出地址的差值来产生所述水位值。 

7.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述时钟产生器包括一除法器及一倍频器。 

8.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述时钟产生单元根据所述查找表所记载的较大频率为预设状态值以产生所述第三时钟信号，所述较大频率为176.4KHz或192KHz。 

9.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述时钟产生单元为一锁相环。 

10.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述时钟产生单元为一直接数字合成装置。 

11.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述第二时钟信号从所述符号时钟信号或一外接时钟信号选择。 

12.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述缓冲单元是一先进先出存储器。 

13.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述频率检测器是依据DisplayPort、HDMI、USB或1394规格去取得所述多组数据量的一有效值，并将所述有效值的和除以单位时间以得到所述取样频率。 

14.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述多组数据是封包型式。 

15.根据权利要求1所述的接收信号的装置，其中，所述装置为特定应用集成电路。 

16.一种接收时钟信号的方法，包括： 

根据一符号时钟信号使一缓冲单元接收多组数据，且根据一第一时钟信号由所述缓冲单元读出所述多组数据并产生一水位值； 

接收一第二时钟信号以产生一第三时钟信号，并根据所述水位值来调整所述第三时钟信号的速率； 

根据一单位时间中输入所述缓冲单元的所述多组数据的数据量或所述多组数据中的参数值决定所述多组数据的取样频率；以及 

根据所述取样频率决定一特定值，并将所述第三时钟信号除以或乘以所述特定值得到所述第一时钟信号以加速调节所述水位值， 

其中，所述特定值及所述取样频率进一步经由查找表获得。 

17.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，所述方法应用于一DisplayPort、HDMI、USB或1394规格的电路中。 

18.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，其中，所述取样频率是由32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz、192kHz中选择。 

19.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，其中，所述多组数据是音频数据。 

20.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，其中，所述特定值为根据176.4kHz或192kHz除以所述取样频率或根据所述取样频率除以32kHz或44.1kHz或48kHz所得到的较接近的整数值。 

21.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，其中，产生水位值的步骤还包括： 

根据所述多组数据的一写入地址与所述多组数据的一读出地址的差值来产生所述水位值。 

22.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，还包括: 

判断所述水位值的高低来产生一控制信号；以及 

根据所述控制信号来调整所述第三时钟信号的速率。 

23.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，还包括: 

根据较大的取样频率为预设状态值以产生所述第三时钟信号。 

24.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，还包括: 

所述第二时钟信号从所述符号时钟信号或一外接时钟信号选择。 

25.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，其中，所述多组数据是封包型式。 

26.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，其中，所述缓冲单元为一先进先出存储器。 

27.根据权利要求16所述的接收时钟信号的方法，还包括: 

依据DisplayPort、HDMI、USB或1394规格去取得所述多组数据的数据量的有效值，并将所述有效值的和除以单位时间以得到所述取样频率。