CN110109643B - 一种无晶振的usb音频终端片上系统及同步时钟校准方法 - Google Patents

一种无晶振的usb音频终端片上系统及同步时钟校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无晶振的USB音频终端片上系统，所述系统包括：集成于系统内部的数控振荡器，用于输出原始时钟信号；同步时钟校准器，对第一同步时钟信号与第二同步时钟信号进行频率误差计数，将频率误差反馈至微处理器，并且，接收微处理器输出的频率同步数据，生成频率控制数据，对所述数控振荡器进行频率调整。本发明省去石英晶体及其无源元件，有效降低成本、减小产品尺寸。

Description

一种无晶振的USB音频终端片上系统及同步时钟校准方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种无晶振的USB音频终端片上系统及同步时钟校准方法。
背景技术
目前，USB Type-C耳机做为一种新型的数字音频终端，其利用USB协议传输音频数据，可以从手机获取到数字音频文件，较之传统的3.5mm插孔模拟耳机，拥有高清无损音源优势。
USB Type-C耳机需要通过芯片及其他无源器件组成系统，与手机进行USB协议数据交互并且进行编解码转换为音频信号驱动耳机喇叭进行声音播放。耳机产品通常都有体积小巧，成本优化的需求。但基于Type-C数字耳机现状，就成本来说，石英晶振的成本就占了整个产品成本的百分之四十；就占用的体积而言，石英晶振及其无源元件，通常需要占用整个印制电刷板面积百分之三十。
因此，为了解决现有技术中Type-C数字耳机对石英晶体依赖性强的问题，需要一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种无晶振的USB音频终端片上系统，所述系统包括：
集成于系统内部的数控振荡器，用于输出原始时钟信号；
同步时钟校准器，对第一同步时钟信号与第二同步时钟信号进行频率误差计数，将频率误差反馈至微处理器，并且，
接收微处理器输出的频率同步数据，生成频率控制数据，对所述数控振荡器进行频率调整。
在一个较佳的实施例中，所述同步时钟校准器包括：
频率误差计数器，用于对第一同步时钟信号与第二同步时钟信号进行频率误差计数；
滤波器，用于接收微处理输出的频率同步数据进行滤波处理；
调制器，用于生成频率控制数据。
在一个较佳的实施例中，所述系统还包括USB物理层，生成第二同步时钟信号，并传输至同步时钟校准器；
分频器，接收原始时钟信号，通过除法降频输出多路时钟信号；
音频编/解码器，将微处理器发送来的数字音频数据转换为音频信号输出。
在一个较佳的实施例中，所述多路时钟信号包括系统第一同步时钟信号、系统时钟信号和音频时钟信号；
所述第一同步时钟信号输出至同步时钟校准器，以生成频率控制数据；
所述系统时钟信号输出至微处理器，以完成系统程序的运行；
所述音频时钟信号输出至音频编/解码器，以完成音频信号的重采样。
本发明的另一个方面在于提供一种无晶振的USB音频终端片上系统同步时钟校准的方法，所述方法包括：
在无晶振的USB音频终端片上系统的最后测试阶段，存储第一温度数据：利用外灌的基准时钟对数控振荡器进行校准，同时读取温度传感器的第一温度数据，存储于存储器中；
微处理器读取开机时温度传感器的第二温度数据，并与第一温度数据对比，
当第一温度数据与第二温度数据的差值，超出预设频率随温度偏移的范围，则根据数控振荡器的频率随温度变化计算频率偏差，作为频率同步数据；
接收微处理器输出的频率同步数据，生成频率控制数据，对数控振荡器进行频率调整。
本发明的再一个方面在于提供一种无晶振的USB音频终端片上系统同步时钟校准的方法，所述方法包括：
获取第一同步时钟信号和第二同步时钟信号，进行频率误差计数；
将频率误差发送至微处理器，生成频率同步数据；
接收微处理器输出的频率同步数据，生成频率控制数据，对数控振荡器进行频率调整。
在一个较佳的实施例中，微处理器设置定时器，在每个定时器中断时，读取频率误差，
当第一同步时钟信号与第二同步时钟信号的频率误差超出预设频率偏差范围，则将频率误差作为频率同步数据。
本发明提供与现有技术相比具有以下优点：
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，将数控振荡器集成于系统(芯片)内部，省去石英晶体及其无源元件，有效降低成本、减小产品尺寸。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，在系统内集成数控振荡器，产生原始时钟信号，通过同步时钟校准器对外部同步时钟和内部同步时钟之间的频率误差计数，有效解决无外部晶振的USB全速(Full-Speed)和高速(High-Speed)通信的时钟频率随工艺波动偏移的问题。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，在正常开机时，通过对比存储的温度数据与读取的温度传感器的温度数据，有效解决无外部晶振的USB全速(Full-Speed)和高速(High-Speed)通信的时钟频率随温度偏移的问题。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，向音频编解码器(Audio Codec)提供无晶振的低时钟抖动(Low-jitter)时钟，能够达到良好的音频指标。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，同步时钟校准器将USB同步时钟与数控振荡器时钟的频率误差计数，并且将误差结果输送给微处理器，微处理器通过拟合计算将频率偏差的控制数据反馈给同步时钟校准器，同时温度传感器可辅助微处理器完成温度数据与频率偏差数据的结合；最终同步时钟校准器将处理的数据输出到数控振荡器以完成时钟频率偏移的校准。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明无晶振的USB音频终端片上系统的结构框图。
图2示出了在第一模式下，无晶振的USB音频终端片上系统同步时钟校准的流程框图。
图3示出了在第二模式下，无晶振的USB音频终端片上系统同步时钟校准的流程框图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
为了解决现有技术中基于Type-C数字耳机对石英晶振的依赖，本发明提供一种无晶振的USB音频终端片上系统，如图1所示本发明无晶振的USB音频终端片上系统的结构框图，根据本发明的实施例，一种无晶振的USB音频终端片上系统包括，微处理器101、温度传感器104、分频器105、音频编/解码器106，以及USB物理层。
微处理器101为系统(芯片)的核心计算模块，对输入的数据进行处理。分频器105用于将输入的原始时钟信号分为多个信号，分别提供给不同的模块。音频编/解码器106处理输入的音频数据和音频时钟信号，将音频数据转换为音频信号输出。温度传感器104用于检测系统(芯片)的温度，并向微处理器101提供温度数据。USB物理层107，提供USB同步包以及由外部设备(主机设备)传入的音频数据。
微处理器101完成USB数据的处理以及音频信号的预处理，将音频数据输出到音频编/解码器106以输出音频信号。
根据本发明的实施例，一种无晶振的USB音频终端片上系统还包括，集成于系统内部的数控振荡器102，用于输出原始时钟信号。
同步时钟校准器103，对第一同步时钟信号与第二同步时钟信号进行频率误差计数，将频率误差反馈至微处理器，并且，接收微处理器101输出的频率同步数据，生成频率控制数据，对数控振荡器102进行频率调整。
本发明在系统(芯片)内集成数控振荡器102，用于输出原始时钟信号，替代外部石英晶振的内部时钟振荡电路。数控振荡器102输出原始时钟信号至分频器105，分频器105接收原始时钟信号，通过除法降频输出多路时钟信号，多路时钟信号分别输出至不同模块。
具体地，根据本发明的实施例，多路时钟信号包括系统第一同步时钟信号、系统时钟信号和音频时钟信号。
第一同步时钟信号输出至同步时钟校准器103，用以生成频率控制数据，以完成数控振荡器102频率误差的校准。系统时钟信号输出至微处理器101，以完成系统程序的运行。音频时钟信号输出至音频编/解码器106，以完成音频信号的重采样。音频编/解码器106，将微处理器发送来的数字音频数据转换为音频信号输出。
根据本发明的实施例，一种无晶振的USB音频终端片上系统还包括USB物理层107，生成第二同步时钟信号，并传输至同步时钟校准器。
本实施例中，USB物理层107以USB同步包的形式向同步时钟校准器103发送第二同步时钟信号。
具体地，USB物理层107将主机发来的差分数据流按USB协议要求，完成同步时钟恢复，以及完成USB数据的接收。提取USB数据流中的SOF(Start of frame，起始帧)令牌包作为第二同步时钟信号传送到同步时钟校准器103。
上述集成于系统内部的数控振荡器102，本领域技术人员可以根据需要进行选择，例如在一些较佳的实施例中，数控振荡器102可以选择环形振荡器(ROSC ring oscillatorcircuit)，或者电感电容式振荡电路(LCOSC，inductor-capacitor oscillator circuit)。本实施例中采用电感电容式振荡器通过数字逻辑控制开关调节电容的大小实现频率的调整，并且可提供低时钟抖动(Low-jitter)的时钟源以满足音频编解码器106的采样时钟要求。
根据本发明的实施例，同步时钟校准器包括频率误差计数器301，用于对第一同步时钟信号与第二同步时钟信号进行频率误差计数。滤波器302，用于接收微处理101输出的频率同步数据，并进行滤波处理。调制器303，用于生成频率控制数据。
同步时钟校准器103通过频率误差计数器301接收USB同步包的第二同步时钟信号，与分频器105输出的第一同步时钟信号，并进行频率误差计数。
频率误差计数器301将频率误差结果反馈到微处理器101，微处理器101进行拟合计算后，输出频率同步数据。
同步时钟校准器103通过滤波器302接收频率同步数据进行滤波处理。优选采用低通滤波的处理，将高频的噪声以及干扰信号进行滤波处理。
得到频率滤波数据输出至调制器303，最终生成频率控制数据。频率控制数据以数字逻辑方式输出到数控振荡器102以完成频率的调整。
在较佳的实施例中，调制器选用Σ-Δ(Sigma-delta)调制器，对频率滤波数据进行高速时钟的过采样调制，通过积分器用来误差进行求和，完成更高分辨率的数字信号向低分辨率数字信号的转化，最终生成频率控制数据，向数控振荡器输出频率控制数据来完成时钟频率的校准。
在一些实施例中，温度传感器104检测系统(芯片)的实时温度，将温度量化为二进制数字逻辑结果输送给微处理器101用于校准数控振荡器的频率随温度的偏移。
具体地，微处理器101读取温度传感器104的实时的第二温度数据，将存储器中存储的第一温度数与第二温度数据对比。当第一温度数据与第二温度数据的差值超出预设频率随温度偏移的范围，则根据数控振荡器的频率随温度变化计算频率偏差，作为频率同步数据。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统，在系统内部集成数控振荡器代替外部晶振，在系统内部通过同步时钟校准器对数控振荡器进行同步时钟频率校准。本发明同步时钟校准分为开机时的校准和正常工作过程中的校准两种模式。
下面详细对本发明一种无晶振的USB音频终端片上系统的同步时钟校准的方法进行说明。
如图2所示在第一模式下，无晶振的USB音频终端片上系统同步时钟校准的流程框图，一种无晶振的USB音频终端片上系统同步时钟校准的方法包括如下方法步骤：
步骤S101、TF阶段，存储第一温度数据。
在无晶振的USB音频终端片上系统的最后测试(Final Test，TF)阶段，存储第一温度数据：利用外灌的基准时钟对数控振荡器进行校准，同时读取温度传感器的第一温度数据，存储于存储器中。
步骤S102、开机时，对比第一温度数据和第二温度数据。
微处理器读取开机时温度传感器的第二温度数据，并与存储在存储器中的第一温度数据对比。
步骤S103、根据数控振荡器的频率随温度变化计算频率偏差，作为频率同步数据。
当第一温度数据与第二温度数据的差值，超出预设频率随温度偏移的范围，则根据数控振荡器的频率随温度变化计算频率偏差，作为频率同步数据。
同步时钟校准器接收微处理器输出的频率同步数据，生成频率控制数据，对所述数控振荡器进行频率调整。
上述过程中，如果当第一温度数据与第二温度数据的差值，未超出预设频率随温度偏移的范围，则系统通过第二模式下(正常工作模式下)同步时钟校准的方法。
如图3所示在第二模式下，无晶振的USB音频终端片上系统同步时钟校准的流程框图。一种无晶振的USB音频终端片上系统同步时钟校准的方法包括如下方法步骤：
步骤S201、正常工作过程中，微处理器设置定时器，在每个定时器中断时，读取频率误差。
同步时钟校准器，获取第一同步时钟信号和第二同步时钟信号，对第一同步时钟信号与第二同步时钟信号进行频率误差计数。
将频率误差发送至微处理器，微处理器设置定时器，在每个定时器中断时，读取频率误差。
步骤S202、频率误差是否超出预设频率偏差范围。
当第一同步时钟信号与第二同步时钟信号的频率误差超出预设频率偏差范围，则将频率误差作为频率同步数据。
当第一同步时钟信号与第二同步时钟信号的频率误差未超出预设频率偏差范围，则返回步骤S201，重新读取频率误差。
步骤S203、将频率误差作为频率同步数据。
同步时钟校准器接收微处理器输出的频率同步数据，生成频率控制数据，对数控振荡器进行频率调整。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，将数控振荡器集成于系统(芯片)内部，省去石英晶体及其无源元件，有效降低成本、减小产品尺寸。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，在系统内集成数控振荡器，产生原始时钟信号，通过同步时钟校准器对外部同步时钟和内部同步时钟之间的频率误差计数，有效解决无外部晶振的USB全速(Full-Speed)和高速(High-Speed)通信的时钟频率随工艺波动偏移的问题。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，在正常开机时，通过对比存储的温度数据与读取的温度传感器的温度数据，有效解决无外部晶振的USB全速(Full-Speed)和高速(High-Speed)通信的时钟频率随温度偏移的问题。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，向音频编解码器(Audio Codec)提供无晶振的低时钟抖动(Low-jitter)时钟，能够达到良好的音频指标。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，数控振荡器可通过数字逻辑控制输出频率可调整的低时钟抖动(Low-jitter)时钟。
本发明提供的一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，同步时钟校准器将USB同步时钟与数控振荡器时钟的频率误差计数，并且将误差结果输送给微处理器，微处理器通过拟合计算将频率偏差的控制数据反馈给同步时钟校准器，同时温度传感器可辅助微处理器完成温度数据与频率偏差数据的结合；最终同步时钟校准器将处理的数据输出到数控振荡器以完成时钟频率偏移的校准，解决无外部晶振的USB全速(Full-Speed)和高速(High-Speed)通信的时钟频率随温度以及工艺波动偏移的问题。
本发明可提供一种一种无晶振的USB音频终端片上系统及其同步时钟校准的方法，使得USB音频终端片上系统整体产品尺寸减小，能够达到降低成本的目的。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种无晶振的USB音频终端片上系统，其特征在于，所述系统包括：
集成于系统内部的数控振荡器，用于输出原始时钟信号；
USB物理层，生成第二同步时钟信号，并传输至同步时钟校准器；
同步时钟校准器，对第一同步时钟信号与所述第二同步时钟信号进行频率误差计数，将频率误差反馈至微处理器；并且，
接收所述微处理器输出的频率同步数据，生成频率控制数据，对所述数控振荡器进行频率调整；
对应于系统开机时的校准，所述系统还包括：
温度传感器，用于检测系统的温度，并向所述微处理器提供温度数据，其中，在系统的最后测试阶段，利用外灌的基准时钟对数控振荡器进行校准，同时读取温度传感器的第一温度数据，存储于存储器中；所述微处理器读取开机时温度传感器的第二温度数据，并与第一温度数据对比，当第一温度数据与第二温度数据的差值，超出预设频率随温度偏移的范围，则根据数控振荡器的频率随温度变化计算频率偏差，作为频率同步数据；接收微处理器输出的频率同步数据，生成频率控制数据，对数控振荡器进行频率调整；
对应于系统正常工作时的校准，所述系统还包括：
微处理器中设置定时器，在每个定时器中断时，读取频率误差，当第一同步时钟信号与第二同步时钟信号的频率误差超出预设频率偏差范围，则将频率误差作为频率同步数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述同步时钟校准器包括：
频率误差计数器，用于对第一同步时钟信号与第二同步时钟信号进行频率误差计数；
滤波器，用于接收微处理输出的频率同步数据进行滤波处理；
调制器，用于生成频率控制数据。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括：分频器，接收原始时钟信号，通过除法降频输出多路时钟信号；
音频编/解码器，将微处理器发送来的数字音频数据转换为音频信号输出。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述多路时钟信号包括系统第一同步时钟信号、系统时钟信号和音频时钟信号；
所述第一同步时钟信号输出至同步时钟校准器，以生成频率控制数据；
所述系统时钟信号输出至微处理器，以完成系统程序的运行；
所述音频时钟信号输出至音频编/解码器，以完成音频信号的重采样。
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