異步信號輸入設備和採樣頻率轉換設備的製作方法
2023-06-10 05:59:36
專利名稱：異步信號輸入設備和採樣頻率轉換設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在不同設備之間穩定地傳輸異步信號的異步信號輸入設備，並涉及一種使用該異步信號輸入設備的採樣頻率轉換設備。
背景技術：
數字音頻設備等使用各種聲音採樣頻率，例如32kHz、44.1kHz和48kHz。可能有一種情況是，將具有不同採樣頻率的設備互相連接。如果接收設備直接讀取從發送設備提供的原始信號波形的數據串，則輸出信號波形將沿時間方向變形。原始波形不能被正確地重現。為解決該問題，接收設備使用採樣頻率轉換設備。採樣頻率轉換設備接收第一採樣頻率的輸入數據串。根據該輸入數據串，採樣頻率轉換設備產生第二採樣頻率的、形成與輸入數據串類似的信號波形的輸出數據串。
本發明人已提出了使用先進先出(FIFO)技術的這種類型採樣頻率轉換設備(見專利文獻1)。在該整個說明書中，專利文獻1中所述的技術被稱為「常規採樣頻率轉換設備」。
專利文獻1是日本未審查的專利公開No.11-55075，其對應於美國專利No.6263036。
在常規採樣頻率轉換設備中，以與第一採樣頻率相同的頻率的時鐘，把要處理的輸入數據串順序地寫到FIFO緩衝器。另一方面，該常規採樣頻率轉換設備產生具有與第二採樣頻率相同的頻率的輸出時鐘。與該輸出時鐘同步，常規採樣頻率轉換設備產生具有第二採樣頻率的輸出數據串。輸出數據串一般具有與輸入數據串相同的信號波形。因為採樣頻率不同，因此輸出數據串和輸入數據串的採樣點一般被分配到沿各個時間軸的不同位置。為找到組成輸出數據串的各個採樣點的單個輸出數據，利用在輸出數據的採樣點之前和之後可用的指定數量的輸入數據(以下稱為「插值輸入數據串」)，來與輸出時鐘同步地執行插值處理。插值處理包括兩級處理。第一處理是，找到指示要沿時間軸產生的輸出數據的採樣點的位置的相位信息。第二處理是，將用於插值的係數串與插值輸入數據串進行卷積。在該情況下，與相位信息相對應地準備用於插值的係數串。通過每當輸出時鐘出現時累積具有合適值的頻率控制信息，來產生相位信息。通過重複累積頻率控制信息，來逐漸地增加相位信息作為累積結果，並且移動由相位信息指示的採樣點。由相位信息指示的採樣點可以超過相對於插值輸入數據串中的最近輸入數據的採樣點。在該情況下，在與輸出時鐘同步的定時產生讀時鐘，以便讀出FIFO緩衝器中存儲的最早輸入數據串。讀出的輸入數據被加到插值輸入數據串上，並且插值輸入數據串中的最早輸入數據被丟棄。該處理提供了具有與輸入數據串類似的信號波形的輸出數據串。
如果用於將輸入數據串寫入FIFO緩衝器中的輸入時鐘的頻率與第一採樣頻率準確地對應，並且用於插值處理的定時控制的輸出時鐘的頻率與第二採樣頻率準確地對應，則頻率控制信息可以是一個等效於第一採樣頻率與第二採樣頻率之比的固定值。然而實際上，無論可能為輸入時鐘和輸出時鐘指定怎樣精確的頻率，在這些頻率之間以及由此在第一和第二採樣頻率之間，都會存在精確對應的極限。例如，輸入時鐘頻率可能隨時間變得比第一採樣頻率高。作為選擇，輸出時鐘頻率可能隨時間變得比第二採樣頻率低。在這些情況下，隨著時間流逝，FIFO緩衝器中包含了漸增數量的剩餘數據(漸增數量的駐留輸入數據)，並最終上溢(overflow)。相反，輸入時鐘頻率可能隨時間變得比第一採樣頻率低。作為選擇，輸出時鐘頻率可能隨時間變得比第二採樣頻率高。在這些情況下，隨著時間流逝，FIFO緩衝器中包含了漸減數量的剩餘數據，並最終下溢(underflow)。
為解決這些上溢和下溢問題，常規採樣頻率轉換設備配備了異步信號輸入設備，其根據FIFO緩衝器中剩餘的數據量來增大或減小頻率控制信息，以防止FIFO緩衝器上溢或下溢。
尤其是，異步信號輸入設備將FIFO緩衝器中的剩餘數據量與目標值進行比較。當剩餘數據量大於目標值時，增大頻率控制信息，以增大從FIFO緩衝器讀輸入數據的速度。當剩餘數據量小於目標值時，減小頻率控制信息，以減小從FIFO緩衝器讀輸入數據的速度。這樣，異步信號輸入設備執行鎖相環(PLL)操作，以防止FIFO緩衝器上溢或下溢。PLL操作使剩餘數據量收斂到目標值，從而使寫入FIFO緩衝器的輸入數據與從FIFO緩衝器讀出的輸入數據之間的相位差的按時間順序平均或時間平均收斂到合適的值。
然而，當在常規異步信號輸入設備中上述PLL操作開始時，可以發現以下缺點。如果讀FIFO緩衝器的初始速度沒有被設成一個合適的值，則FIFO緩衝器中的剩餘數據量將繼續在目標值附近以指定幅度振蕩。當在初始讀速率與合適值之間存在漸增的差，剩餘數據量的振蕩幅度將增大。這造成了從採樣頻率轉換設備獲得的輸出數據波形中的噪聲或起伏。為防止這種問題，必須使讀FIFO的初始速度儘可能地接近合適值，以及減小剩餘數據量的振幅。然而，合適值具有獨特的差異。即使為指定採樣頻率轉換設備中的FIFO讀速率找到一個合適值，該合適值也不一定適用於同一型號的不同採樣頻率轉換設備。為此，常規採樣頻率轉換設備必須單獨地為每個設備設置FIFO讀速率的合適值，並將讀速率初始化為該合適值。
發明內容
考慮以上問題提出了本發明。因此，本發明的目的是提供一種能夠充分減小剩餘數據量的變化幅度的異步信號輸入設備和採樣頻率轉換設備。
為實現上述目的，本發明提供一種異步信號輸入設備，包括存儲部分，能夠接連地存儲輸入數據，同時存儲的輸入數據被接連地讀出，以致在存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量可以隨時間在預置的目標數據量附近變化；寫控制部分，響應具有第一頻率的輸入時鐘信號，接連地將輸入數據寫入存儲部分中；剩餘數據量檢測部分，檢測在存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量；矢量檢測部分，檢測在存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量的時間變化；環路濾波器部分，根據由剩餘數據量檢測部分檢測的剩餘數據量和由矢量檢測部分檢測的剩餘數據量時間變化，將由剩餘數據量和預置目標數據量之間的差分數據量(differential data amount)所表示的誤差轉換為校正數，以及根據該校正數產生頻率控制信息；讀信號產生部分，產生由一序列脈衝組成的讀信號，該一序列脈衝與具有第二頻率的輸出時鐘信號同步地出現，以致每一時間的脈衝出現數目(occurrencenumber of the pluses per time)依據頻率控制信息被動態地調節；以及讀控制部分，響應由讀信號產生部分調節的讀信號脈衝，接連地從存儲部分讀出輸入數據，從而存儲部分中的輸入數據的剩餘數據量收斂到預定的目標數據量。
本發明根據存儲部分中的剩餘數據量和剩餘數據量的時間變化來控制校正數，以便有效地抑制剩餘數據量的振蕩。詳細來說，如果檢測的剩餘數據量大於預定目標數據量，並且檢測的時間變化指示剩餘數據量正在增加，則環路濾波器部分產生負校正數，來有效地抑制剩餘數據量的增加，以及如果檢測的剩餘數據量小於預定目標數據量，並且檢測的時間變化指示剩餘數據量正在減少，則環路濾波器部分產生正校正數，來有效地抑制剩餘數據量的減少。
在一種優選的方式下，矢量檢測部分包括存儲器，存儲由剩餘數據量檢測部分接連地檢測的、且包括最後一個剩餘數據量的多個剩餘數據量；控制器，當在剩餘數據量檢測部分新近檢測的新剩餘數據量與存儲器中存儲的最後一個剩餘數據量之間存在±2片的差，該控制器操作，以便將剩餘數據量檢測部分檢測的新剩餘數據量存儲到存儲器中；以及檢測器，根據在存儲器中存儲的、且包括最後一個剩餘數據量和新剩餘數據量的多個剩餘數據量，來檢測剩餘數據量的時間變化。
根據該方式，有可能使收斂狀態下的剩餘數據量的起伏減到最小，也使輸入數據存儲部分的讀速率的正常振蕩降到最小。
在一種優選的方式下，本發明被實施為一種採樣頻率轉換設備，該採樣頻率轉換設備包括存儲部分，能夠接連地存儲輸入數據，同時存儲的輸入數據被接連地讀出，以致在存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量可以隨時間在預置的目標數據量附近變化；寫控制部分，響應具有第一頻率的輸入時鐘信號，接連地將輸入數據寫入存儲部分中；剩餘數據量檢測部分，檢測在存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量；矢量檢測部分，檢測在存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量的時間變化；環路濾波器部分，根據由剩餘數據量檢測部分檢測的剩餘數據量和由矢量檢測部分檢測的剩餘數據量時間變化，將由剩餘數據量和預置目標數據量之間的差分數據量所表示的誤差轉換為校正數，以及根據該校正數產生頻率控制信息；讀信號產生部分，產生由一序列脈衝組成的讀信號，該一序列脈衝與具有第二頻率的輸出時鐘信號同步地出現，以致每一時間的脈衝出現數目依據頻率控制信息被動態地調節；讀控制部分，響應由讀信號產生部分調節的讀信號脈衝，接連地從存儲部分讀出輸入數據，從而存儲部分中的輸入數據的剩餘數據量收斂到預定的目標數據量；插值信息產生部分，在以第二頻率產生輸出時鐘信號的每個定時產生插值信息，同時該插值信息根據由環路濾波器部分產生的頻率控制信息被控制；以及插值部分，根據由插值信息產生部分產生的插值信息，對從存儲部分讀出的輸入數據執行插值操作，以便輸出與輸出時鐘信號產生的定時相對應的插值輸入數據。
進一步，本發明的方法被設計用來控制先進先出(FIFO)緩衝存儲器的數據輸入和輸出操作，以便在目標數據量附近調節FIFO緩衝存儲器中駐留的數據量。本發明的方法包括以下步驟以可變輸入速率接連地將數據寫到FIFO緩衝存儲器中，從而數據在FIFO緩衝存儲器中被累積；以可變輸出速率接連地從FIFO緩衝存儲器讀出累積的數據，從而FIFO緩衝存儲器中駐留的數據量隨時間變化；檢測FIFO緩衝存儲器中駐留的當前數據量；檢測FIFO緩衝存儲器中駐留的數據量的當前變化方向；根據檢測的當前數據量和檢測的當前數據量變化方向，來產生控制信息；以及根據該控制信息調節輸出速率，從而迅速地使FIFO緩衝存儲器中駐留的當前數據量收斂到目標數據量。
以一種實際可行的形式，所述產生步驟包括如果檢測的當前數據量大於目標數據量，並且檢測的當前變化方向指示剩餘數據量正在增加，則產生負控制信息，來有效地減小輸出速率；如果檢測的當前數據量小於目標數據量，並且檢測的當前變化方向指示剩餘數據量正在減少，則產生正控制信息，來有效地增大輸出速率。
圖1所示為根據實施例的採樣頻率轉換設備的結構的框圖。
圖2顯示了在採樣頻率轉換設備中使用的轉換表。
圖3顯示了在採樣頻率轉換設備中將校正數ΔT設置為「0」的例子。
圖4所示為採樣頻率轉換設備的操作的時序圖。
圖5顯示了在採樣頻率轉換設備中FIFO的剩餘數據量ΔS和讀速率FR的時間變化。
圖6顯示了在採樣頻率轉換設備中矢量更新條件之間的關係和FIFO的讀速率FR和剩餘數據量ΔS的收斂極限。
具體實施例方式
以下將參考附圖來更詳細地描述作為本發明實施例的採樣頻率轉換設備。
圖1所示為根據本發明實施例的採樣頻率轉換設備的結構。
該採樣頻率轉換設備接收第一採樣頻率f1的輸入數據串Din。採樣頻率轉換設備根據該輸入數據串Din，來產生第二採樣頻率f2的、顯示與輸入數據Din等效的信號波形的輸出數據串Dout。採樣頻率轉換設備提供處理的定時控制，以產生並輸出輸出數據串。為此，時鐘產生電路(未顯示)產生具有與第二採樣頻率f2相同的頻率的時鐘CKout。
採樣頻率轉換設備大致包括異步信號輸入設備100和插值部分200。異步信號輸入設備100具有三個功能。當採樣頻率轉換設備以第一採樣頻率f1接收並存儲輸入數據串，並且插值部分200需要新的輸入數據時，第一功能在與輸出時鐘CKout同步的定時向插值部分200提供新數據。每當輸出時鐘CKout出現，第二功能就更新代表要在插值部分200中產生的輸出數據的採樣點的相位的插值比Δt，並將插值比Δt提供給插值部分200。第三功能控制作為插值比Δt的增量的頻率控制信息。當通過異步信號輸入設備100提供輸入數據時，插值部分200用作把過去的指定片數的這些輸入數據存儲為插值輸入數據串的裝置。在輸出時鐘CKout出現的定時，插值部分200也用作將取決於那時的插值比Δt的插值係數串與插值輸入數據串進行卷積、並產生輸出數據的裝置。
以下描述異步信號輸入設備100的結構。
FIFO 10是先進先出緩衝器，其由隨機存儲器(RAM)等構成，並且能夠存儲直到16片32位的輸入數據。FIFO 10臨時存儲從外部發送設備提供的輸入數據Din，並從最早的輸入數據順序地傳送輸入數據Din。寫控制部分30產生寫地址和寫使能信號WE，並根據具有與輸入數據Din的採樣頻率f1相同的頻率的輸入時鐘CKin，將寫地址和寫使能信號WE提供給FIFO 10。當輸入數據Din被提供給FIFO 10時，寫使能信號WE將輸入數據Din寫到由寫地址信號指定的FIFO 10中的區域。
當「與」門41輸出讀時鐘CKR，讀控制部分40產生讀地址和讀使能信號RE，並將讀地址和讀使能信號RE提供給FIFO 10。提供控制，以便指定FIFO 10中剩餘的未讀輸入數據中的最早讀地址。響應讀使能信號RE，由該讀地址指定的輸入數據從FIFO 10中被讀出，並被提供給插值部分200。當向「與」門41提供讀允許信號RP和讀請求信號RR時，「與」門41輸出讀時鐘CKR。讀允許信號RP和讀請求信號RR將在後面更詳細地描述。
剩餘數據量檢測部分50是一種用於檢測由寫控制部分30產生的寫地址與由讀控制部分40產生的讀地址之間的差的電路。也就是說，這個差表示剩餘數據量ΔS，其等效於FIFO 10中當前剩餘的未讀數據的片數。矢量檢測電路51檢測從剩餘數據量檢測部分50輸出的剩餘數據量ΔS的時間變化，並輸出指示時間變化方式的矢量dΔS。
矢量檢測電路51具有三個指針，Valid0、Valid1和Valid_ptr。指針Valid_ptr存儲當前的剩餘數據量ΔS。以下公式(1)顯示了更新條件。如果該條件滿足，則指針Valid_ptr的值被指針Valid0所代替。迄今為止指針Valid0的值被指針Valid1代替。
Valid_ptr＝Valid0±2...(1)指針Valid1存儲剛好在指針Valid0之前的剩餘數據量。因此，在Valid0＞Valid1的情況下，一般假設FIFO 10中的剩餘數據量ΔS正在增加。在Valid0＜Valid1的情況下，假設FIFO 10中的剩餘數據量ΔS正在減少。然而，剩餘數據量ΔS可以從增加狀態變為減少狀態，或者從減少狀態變為增加狀態。不能僅僅參考指針Valid0和Valid1來確定這種變化。為了解決該問題，根據本實施例的矢量檢測電路51參考三個指針Valid0、Valid1和Valid_ptr，來輸出指示剩餘數據量ΔS的時間變化方式的矢量dΔS。
剩餘數據量檢測部分50輸出指示FIFO 10中數據的剩餘數據量的剩餘數據量ΔS。此外，剩餘數據量ΔS指示通過輸入時鐘CKin最後寫入的數據Din與通過讀時鐘CKR最後讀出的數據Din之間的相位差。矢量檢測電路51輸出指示該相位差的時間變化的矢量dΔS。讀控制部分40、寫控制部分30、「與」門41、剩餘數據量檢測部分50、矢量檢測電路51、環路濾波器部分60和可變頻率振蕩部分70組成了鎖相環(PLL)80，PLL 80使相位差收斂到指定的目標相位差。
環路濾波器60包括轉換部分61、第一全加器62、第一鎖存電路63和限幅器64。
轉換部分61存儲如圖2所示的轉換表。根據該轉換表，轉換部分61把剩餘數據量ΔS和矢量dΔS轉換為校正數ΔT。本實施例使用合適的目標值「8」用於FIFO 10中的剩餘數據量。在圖2中，在某種情況下，剩餘數據量ΔS小於合適值「8」，並且矢量dΔS顯示剩餘數據量ΔS正在減少。在該情況下，轉換部分61輸出負校正數ΔT，其大小等效於剩餘數據量ΔS與合適值之間的差。相反，在另一種情況下，剩餘數據量ΔS大於合適值「8」，並且矢量dΔS顯示剩餘數據量ΔS正在增加。在該情況下，轉換部分61輸出正校正數ΔT，其大小等效於剩餘數據量ΔS與合適值之間的差。校正數ΔT的大小等效於由對剩餘數據量ΔS應用非線性變換而產生的校正數大小。另一方面，在某些情況下，剩餘數據量ΔS小於合適值「8」，且矢量dΔS不顯示剩餘數據量正在減少，或者剩餘數據量ΔS大於合適值「8」，且矢量dΔS不顯示剩餘數據量ΔS正在增加。在這種情況下，轉換部分61輸出值被設置為「0」的校正數ΔT。將校正數ΔT的值設置為「0」的情況包括，在剩餘數據量不變的同時時間變化方向改變的情況。
圖3(a)至圖3(d)顯示了校正數被設置為「0」的例子。在圖3(a)的例子中，指針Valid_ptr指示當前的剩餘數據量ΔS小於合適值「8」。如指針Valid_ptr、Valid1和Valid0所指示的，剩餘數據量ΔS正在向合適值「8」增加。因此，校正數ΔT取為0。在圖3(b)的例子中，指針Valid_ptr指示當前的剩餘數據量ΔS大於合適值「8」。如指針Valid_ptr、Valid1和Valid0所指示的，剩餘數據量ΔS正在向合適值「8」減少。因此校正數ΔT取為0。圖3(c)顯示了剩餘數據量ΔS從減少狀態變為最小值，然後又變為增加狀態。該例子顯示了剩餘數據量ΔS正在減少，這是因為Valid1和Valid0顯示了Valid0＜Valid1的關係。因為Valid_ptr≤8，因此當前的剩餘數據量ΔS小於合適值「8」。僅根據指針Valid1和Valid0來判斷，剩餘數據量ΔS好像正在減少。因為Valid_ptr＞Valid0，矢量檢測電路51判定剩餘數據量ΔS從減少狀態變為增加狀態，並輸出指示該變化的矢量dΔS。在該情況下，校正數ΔT取為「0」。圖3(d)顯示了剩餘數據量ΔS從增加狀態變為最大值，然後又變為減少狀態。該例子顯示了剩餘數據量ΔS正在增加，這是因為Valid1和Valid0顯示了Valid0＞Valid1的關係。因為Valid_ptr≥8，因此當前的剩餘數據量ΔS大於合適值「8」。僅根據指針Valid1和Valid0來判斷，剩餘數據量ΔS好像正在增加。因為Valid_ptr＞Valid0，矢量檢測電路51判定剩餘數據量ΔS從增加狀態變為減少狀態，並輸出指示該變化的矢量dΔS。在該情況下，校正數ΔT取為「0」。
已經詳細描述了剩餘數據量檢測部分50、矢量檢測電路51和轉換部分61所執行的處理。
全加器62根據校正數ΔT和從第一鎖存電路63提供的值y(n)，來執行如以下公式(2)所示的操作。以下的y(n+1)為第一全加器62的輸出數據，並且在與輸出時鐘CKout同步的定時被第一鎖存電路63鎖存。限幅器將數據限制為小於或等於某一指定上限的值。數據從環路濾波部分60輸出，作為頻率控制信息被供給可變頻率振蕩部分70。
y(n+1)＝y(n)+ΔT...(2)第一鎖存電路63被配置成能夠初始化。當採樣頻率轉換設備開始操作時，第一鎖存電路63被賦予一個指定值作為初始值y(0)。
可變頻率振蕩部分70包括第二全加器71、第二鎖存電路72、第三鎖存電路73和上溢檢測部分74。第二鎖存電路72與輸出時鐘CKout同步，鎖存來自第二全加器71的輸出數據，並再次把該數據反饋給第二全加器71。也就是說，第二全加器71以輸出時鐘CKout的時間間隔來累積頻率控制信息y(n)。頻率控制信息y(n)作為環路濾波器部分60的輸出數據被提供。第二鎖存電路72的輸出被反饋給第二全加器71，並被第三鎖存電路73延遲輸出時鐘CKout的一個時鐘頻率。該結果作為插值比Δt被提供給插值部分200。
插值比Δt具有上限。如果頻率控制信息y(t)的累積結果超出了該上限，則超出量變為新的插值比Δt。當第二鎖存電路72輸出的插值比Δt減小時，即當判定頻率控制信息y(t)的累積結果超出了上限並且超出量變為新的插值比Δt時，上溢檢測部分74輸出上述的讀允許信號RP。當上溢後的插值比Δt從第三鎖存電路73被提供給插值部分200時，讀允許信號RP從上溢檢測部分74被發送給「與」門41和插值部分200。
插值部分200具有用於存儲插值輸入數據串的移位寄存器。插值部分200將用於插值的係數串與來自該移位寄存器每一級的輸出數據進行卷積。用於插值的係數串與從第三鎖存電路73提供的插值比Δt相對應。插值部分200在與輸出時鐘CKout同步的定時輸出卷積結果，作為輸出數據Dout。當收到數據讀允許信號RP時，插值部分200在與輸出時鐘CKout同步的定時輸出讀請求信號RR。當該讀請求信號RR被輸出時，然後讀允許信號RP被輸出。「與」門41發送讀時鐘CKR給讀控制部分40。讀控制部分40使讀地址遞增「1」，並輸出讀使能信號RE。結果，FIFO 10中的最早未讀數據被讀出，並被供給插值部分200。插值部分200將從FIFO 10提供的數據寫到移位寄存器的第一級。移位寄存器中的現有數據順序地向後一級移位。最後一級的數據被丟棄。
圖4所示為根據實施例的異步信號輸入設備的操作的時序圖。如上所述，輸入數據Din作為信號波形樣本，與具有與採樣頻率f1相同頻率的輸入時鐘CKin同步地被提供給FIFO 10。FIFO 10具有與「A1」至「A16」16個地址相對應的區域。每當輸入時鐘CKin出現，寫控制部分30就提供寫使能信號WE給FIFO 10，並且按照「A1」、「A2」至「A16」、然後「A1」等的順序，循環地改變要提供給FIFO 10的寫地址。該操作將FIFO 10中與地址「A1」至「A16」相對應的區域指定為寫目的地，以便順序地寫輸入數據Din。在圖4中，輸入數據Din被寫到FIFO 10中的地址「Ax」，其中x為1至16之一，並且表示為Din(Ax)。
每當「與」門41提供讀時鐘CKR，讀控制部分40就向FIFO 10提供讀使能信號RE和讀地址。此時，讀控制部分40按照「A1」、「A2」至「A16」、然後「A1」等的順序，循環地改變要與讀使能信號RE一起提供的讀地址。
剩餘數據量檢測部分50輸出剩餘數據量ΔS，即提供給FIFO 10的寫地址與讀地址之間的差。該ΔS不僅代表FIFO 10中的剩餘數據量，而且還代表寫入FIFO 10的數據Din與從FIFO 10讀出的數據Din之間的相位差。矢量檢測電路51輸出指示剩餘數據量ΔS的時間變化方式的矢量dΔS。轉換部分61根據剩餘數據量ΔS和矢量dΔS，產生校正數ΔT。這樣，環路濾波器部分60中的第一全加器62和隨後的電路沿時間軸對轉換部分61順序輸出的校正數ΔT進行平均，並輸出結果作為頻率控制信息y(n)。
每當輸出時鐘CKout被提供，可變頻率振蕩部分70就累積頻率控制信息y(n)，以計算插值比Δt。每當在該累積過程中插值比Δt上溢，讀允許信號RP就出現，由此讀時鐘CKR出現。由讀時鐘CKR產生的時間密度取決於頻率控制信息y(n)。大頻率控制信息y(n)造成了讀時鐘CKR的大時間密度。相反，小頻率控制信息y(n)造成了讀時鐘CKR的小時間密度。讀時鐘CKR的時間密度變化反映在FIFO 10中的剩餘數據量ΔS上。也就是說，增大讀時鐘CKR的時間密度減少了剩餘數據量ΔS。減小讀時鐘CKR的時間密度增加了剩餘數據量ΔS。PLL 80提供反饋控制，以便根據剩餘數據量ΔS和指示剩餘數據量ΔS的時間變化方式的矢量dΔS，來使剩餘數據量ΔS收斂到合適值。作為執行反饋控制的結果，讀時鐘CKR與具有與第二採樣頻率f2相同的頻率的輸出時鐘CKout同步地產生。然而，讀時鐘CKR的每一時間的脈衝出現密度都收斂到與第一採樣頻率f1等效的頻率。即，每一時間的讀時鐘脈衝出現數目指示FIFO緩衝器10的讀速率，並且當讀時鐘信號與第二採樣頻率f2同步地產生時，該讀時鐘脈衝出現數目通過反饋控制收斂到第一採樣頻率f1。另外聲明，根據校正頻率控制信息動態地使讀時鐘脈衝變細，從而讀時鐘脈衝的有效頻率收斂到第一採樣頻率f1，而不是第二採樣頻率f2。
在圖4的例子中，輸出時鐘CKout在時間t1、t2、t3、t4和t5出現。讀時鐘CKR與輸出時鐘CKout同步地在時間t1、t2、t3、t4和t5出現。在時間t4沒有讀時鐘CKR出現。這樣，該實施例以適當地略過單個輸出時鐘CKout的方式，來產生具有等效於第一採樣頻率f1的時間密度的讀時鐘。讀時鐘CKR以這種方式產生，並且被使用，從而FIFO 10中的輸入數據Din從最早的輸入數據被順序地讀出，並被提供給插值部分200。插值部分200將與插值比Δt相對應的插值係數串和如上所述的、過去提供的指定數量數據進行卷積。所得的輸出數據Dout與具有第二採樣頻率f2的輸出時鐘CKout同步地輸出。
對於上述操作，該實施例的第一特徵在於，不僅考慮了剩餘數據量ΔS，而且還考慮了指示剩餘數據量ΔS的時間變化方式的矢量dΔS，以便產生用於改變頻率控制信息y(n)的校正數ΔT。圖5(a)顯示了根據現有技術的FIFO 10中的剩餘數據量ΔS以及讀速率(讀時鐘CKR的時間脈衝)FR。在圖5(a)中，沒有考慮對校正數ΔT即矢量dΔS的控制。當剩餘數據量ΔS大於合適值時，提供控制，以產生具有與剩餘數據量ΔS和合適值之間的差相對應的大小的正校正數ΔT。當剩餘數據量ΔS小於合適值時，提供控制，以產生具有與剩餘數據量ΔS和合適值之間的差相對應的大小的負校正數ΔT。相反，圖5(b)顯示了根據該實施例的FIFO 10中的剩餘數據量ΔS和讀速率FR。在圖5(b)中，提供對校正數ΔT的控制，即提供控制，以根據剩餘數據量ΔS和矢量dΔS兩者來產生校正數ΔT。參考圖5(a)和5(b)，以下描述該實施例的效果。
在圖5(a)的例子中，讀速率FR被設置為與低於合適值的指定數量ΔFR相對應的初始值，即等效於第一採樣頻率f1的速度。在把該初始值賦予第一鎖存電路63後，採樣頻率轉換設備開始操作。一旦操作開始之後，FIFO 10的讀速率FR立即低於寫速率。因此，FIFO 10的剩餘數據量ΔS增加。當剩餘數據量ΔS大於合適值「8」時，正校正數ΔT出現，對應於剩餘數據量ΔS與合適值「8」之間的差。因此，頻率控制信息y(n)增大，並且讀速率FR增大。
剩餘數據量ΔS變化得比讀速率FR遲。剩餘數據量ΔS達到最大值，在該最大值附近讀速率FR達到合適值(f1)。然後剩餘數據量ΔS在那裡(時間t10a)減少。因為剩餘數據量ΔS大於合適值「8」，因此仍然產生正校正數ΔT。因此，讀速率FR繼續增大，並且達到最大值，在該最大值處剩餘數據量ΔS達到合適值「8」(時間t11a)。這是因為，當FIFO 10中的剩餘數據量ΔS達到合適值時，校正數ΔT變為±0。因為讀速率FR高於寫速率(f1)，因此FIFO 10中的剩餘數據量繼續減少。當剩餘數據量ΔS小於合適值「8」時，負校正數ΔT出現，對應於剩餘數據量ΔS與合適值「8」之間的差。因此，頻率控制信息y(n)減小，並且讀速率FR減小。
剩餘數據量ΔS變化得比讀速率FR遲。剩餘數據量ΔS達到最小值，在該最小值附近讀速率FR達到合適值(f1)。然後剩餘數據量ΔS在那裡(時間t12a)增加。因為剩餘數據量ΔS小於合適值「8」，因此仍然產生負校正數ΔT。因此，讀速率FR繼續減小，並且達到最小值，在該最小值處剩餘數據量ΔS達到合適值「8」(時間t13a)。如上所述，這是因為，當FIFO 10中的剩餘數據量ΔS達到合適值時，校正數ΔT變為±0。因為讀速率FR低於寫速率(f1)，因此FIFO 10中的剩餘數據量隨後繼續增加。此後，剩餘數據量ΔS和讀速率FR的每一個都以指定的恆定幅度周期地重複增加和減少。已證實了該幅度取決於讀速率FR的初始值。因此，現有技術需要儘可能地使讀速率FR的初始值與合適值接近，以便減小剩餘數據量ΔS和讀速率FR的幅度。
另一方面，如以後將描述的，該實施例通過提供控制以根據剩餘數據量ΔS和矢量dΔS兩者產生校正數ΔT，來解決該問題。在圖5(b)的例子中，同圖5(a)一樣，讀速率被設置為與低於合適值(f1)的指定數量ΔFR相對應的初始值。在把該初始值賦予第一鎖存電路63後，採樣頻率轉換設備開始操作。一旦操作開始之後，FIFO 10的讀速率FR立即低於寫速率。當矢量dΔS指示剩餘數據量ΔS大於合適值「8」並且正在增加時，正校正數ΔT出現，對應於剩餘數據量ΔS與合適值「8」之間的差。因此，頻率控制信息y(n)增大，並且讀速率FR增大。
剩餘數據量ΔS變化得比讀速率FR遲。剩餘數據量ΔS達到最大值，在該最大值附近讀速率FR達到合適值(f1)。然後剩餘數據量ΔS在那裡(時間t10b)減少。因此，矢量dΔS不指示剩餘數據量ΔS正在增加。校正數ΔT被取為「0」。結果，讀速率FR停止增大。當矢量dΔS不指示剩餘數據量ΔS大於或等於合適值且正在增加時，校正數ΔT被取為「0」，並且讀速率FR不變。因為在此期間讀速率FR高於寫速率(f1)，因此FIFO 10中的剩餘數據量ΔS繼續減少。剩餘數據量ΔS變得比合適值「8」小(時間t11b)。當矢量dΔS指示剩餘數據量ΔS小於合適值「8」且正在減少時，負校正數ΔT出現，對應於剩餘數據量ΔS與合適值「8」之間的差。因此，頻率控制信息y(n)減小，並且讀速率FR減小。
剩餘數據量ΔS變化得比讀速率FR遲。剩餘數據量ΔS達到最小值，在該最小值附近讀速率FR達到合適值(f1)。然後剩餘數據量ΔS在那裡(時間t12b)增加。此時，剩餘數據量ΔS小於合適值「8」。然而，因為矢量dΔS不指示剩餘數據量ΔS正在減少，因此校正數ΔT被取為「0」。結果，讀速率FR停止減小。當矢量dΔS不指示剩餘數據量ΔS小於或等於合適值且正在減少時，校正數ΔT被取為「0」，並且讀速率FR不變。因為在此期間讀速率FR低於寫速率(f1)，因此FIFO10中的剩餘數據量ΔS繼續增加。剩餘數據量ΔS變得比合適值「8」大(時間t13b)。當矢量dΔS指示剩餘數據量ΔS大於合適值「8」且正在增加時，正校正數ΔT出現，對應於剩餘數據量ΔS與合適值「8」之間的差。因此，頻率控制信息y(n)增大，並且讀速率FR增大。此後，剩餘數據量ΔS和讀速率FR周期地重複增加和減少。在此期間，幅度逐漸衰減。
其原因如下。即使剩餘數據量ΔS大於或等於合適的目標值，當矢量dΔS指示剩餘數據量ΔS正在增加時，也產生正校正數ΔT來抑制剩餘數據量ΔS的增加。即使剩餘數據量ΔS小於或等於合適值，當矢量dΔS指示剩餘數據量ΔS正在減少時，也產生負校正數ΔT來抑制剩餘數據量ΔS的減少。該方案防止了將不利地助於剩餘數據量ΔS和讀速率FR的振蕩起伏的過量校正數ΔT。
已經詳細描述了實施例的第一特徵。即，本發明的方法被設計用於控制FIFO緩衝存儲器10的數據輸入和輸出操作，以便在例如目標值「8」附近調節FIFO緩衝存儲器10中駐留的數據量。通過以下步驟來執行本發明的方法以可變輸入速率f1接連地將數據寫入FIFO緩衝存儲器10中，從而數據在FIFO緩衝存儲器10中被累積；以可變輸出速率FR接連地從FIFO緩衝存儲器10中讀出累積的數據，從而FIFO緩衝存儲器10中駐留的數據量ΔS隨時間變化；檢測FIFO緩衝存儲器10中駐留的當前數據量ΔS；檢測指示FIFO緩衝存儲器10中駐留的數據量ΔS的當前變化方向的矢量dΔS；根據檢測的當前數據量ΔS和檢測的數據量ΔS的當前變化方向dΔS，按照校正數ΔT來產生控制信息；以及根據控制信息ΔT調節輸出速率FR，以便迅速地使FIFO緩衝存儲器中駐留的當前數據量ΔS收斂到目標數據量「8」。詳細地說，產生步驟包括如果檢測到的當前數據量ΔS大於目標數據量「8」，並且檢測到的當前變化方向dΔS指示剩餘數據量ΔS正在增加，則產生負控制信息-ΔT，來有效地減小輸出速率；以及如果檢測到的當前數據量ΔS小於目標數據量「8」，並且檢測到的當前變化方向dΔS指示剩餘數據量ΔS正在減少，則產生正控制信息+ΔT，來有效地增大輸出速率。
實施例的第二特徵在於，上述公式(1)用作更新矢量檢測電路51中的指針Valid0和Valid1的條件。以下描述使用上述公式(1)所提供的效果。從穩定FIFO 10的讀速率FR的觀點來看，最好是使用小閾值來更新剩餘數據量ΔS的增加和減少，並檢測剩餘數據量ΔS的微小變化，以確定剩餘數據量ΔS的時間變化。這是因為，小閾值可以造成在FIFO 10的讀速率FR所收斂的衰減區中的剩餘數據量ΔS的小幅度。然而，剩餘數據量只能取整數值，例如0、1、2、3等。可能的解決方法是使用最小整數1作為用來檢測剩餘數據量ΔS的變化的閾值，以及使用以下公式(3)作為更新條件。
Valid_ptr＝Valid0±1... (3)然而，即使在正常狀態下，剩餘數據量ΔS也以±1的幅度振蕩。即使使用更新條件，也僅僅等效於正常振蕩的出現。假設剩餘數據量ΔS交替地增加和減少。要獲得的矢量遠非剩餘數據量ΔS的實際時間變化。為解決該問題，實施例通過取2，即除1以外的最小整數，作為閾值，來使用上述公式(1)作為更新條件。
把閾值設置為大於2的值將造成與閾值被設置為1時不同的另一個問題。圖6顯示了在使用以上的公式(1)和以下的公式(4)作為更新條件的情況下，FIFO 10的讀速率FR和剩餘數據量ΔS的收斂極限。
Valid_ptr＝Valid0±3... (4)在圖6中，讓我們注意使用公式(4)作為更新條件的例子。當剩餘數據量ΔS的變化在點A落入±2範圍內時，此後矢量檢測電路51不更新指針。有可能進一步使剩餘數據量ΔS和讀速率FR收斂到合適值。然而，當使用公式(1)作為更新條件時，矢量檢測電路51在點A和以後更新指針。有可能進一步使剩餘數據量ΔS和讀速率FR收斂到合適值。也就是說，使用公式(1)代替公式(4)作為更新條件，使得剩餘數據量ΔS和讀速率FR的收斂極限從點A延伸到點B，並且使得能夠更有效地收斂到合適值。
如上所述，本實施例只在可用於抑制剩餘數據量ΔS和讀速率FR的振蕩的期間，才根據剩餘數據量ΔS和指示剩餘數據量ΔS的時間變化的矢量dΔS，來產生校正數ΔT，以便抑制振蕩。因此，有可能減小剩餘數據量ΔS和讀速率FR的振幅，並防止輸出數據波形變形。進一步，實施例使用剩餘數據量ΔS的±2變化作為更新矢量dΔS的條件。有可能使收斂狀態下的剩餘數據量ΔS和讀速率FR的正常信號的幅度減到最小。
在上述實施例中，矢量檢測電路51使用三個指針來檢測剩餘數據量ΔS的4種時間變化方式，即在進行中的增加，在進行中的減少，從增加變為減少，以及從減少變為增加。此外，矢量檢測電路51可以只配備兩個指針，用來僅僅檢測兩種方式，即在進行中的增加和在進行中的減少。在這種情況下，轉換部分61可以如下控制校正數ΔT。
a.當ΔS大於合適值並且正在增加時，產生正校正數ΔT。
b.當ΔS大於或等於合適值並且正在減少時，將校正數ΔT設為「0」。
c.當ΔS小於合適值並且正在減少時，產生負校正數ΔT。
d.當ΔS小於或等於合適值並且正在增加時，將校正數ΔT設為「0」。
權利要求
1.一種異步信號輸入設備，包括存儲部分，能夠接連地存儲輸入數據，同時存儲的輸入數據被接連地讀出，以致在所述存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量可以隨時間在預置的目標數據量附近變化；寫控制部分，響應具有第一頻率的輸入時鐘信號，接連地將輸入數據寫入所述存儲部分中；剩餘數據量檢測部分，檢測在所述存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量；矢量檢測部分，檢測在所述存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量的時間變化；環路濾波器部分，根據由所述剩餘數據量檢測部分檢測的剩餘數據量和由所述矢量檢測部分檢測的剩餘數據量的時間變化，將由剩餘數據量和預置目標數據量之間的差分數據量所表示的誤差轉換為校正數，以及根據所述校正數產生頻率控制信息；讀信號產生部分，產生由一序列脈衝組成的讀信號，所述一序列脈衝與具有第二頻率的輸出時鐘信號同步地出現，以致每一時間的脈衝出現數目依據頻率控制信息被動態地調節；以及讀控制部分，響應由所述讀信號產生部分調節的讀信號脈衝，接連地從所述存儲部分讀出輸入數據，從而所述存儲部分中的輸入數據的剩餘數據量收斂到預定的目標數據量。
2.根據權利要求1所述的異步信號輸入設備，其中所述矢量檢測部分包括存儲器，存儲由剩餘數據量檢測部分接連地檢測的、且包括最後一個剩餘數據量的多個剩餘數據量；加載器，當在剩餘數據量檢測部分新近檢測的新剩餘數據量與所述存儲器中存儲的最後一個剩餘數據量之間存在±2片的差，所述加載器將所述新剩餘數據量存儲到所述存儲器中；以及檢測器，根據在所述存儲器中存儲的、且包括最後一個剩餘數據量和新剩餘數據量的多個剩餘數據量，來檢測剩餘數據量的時間變化。
3.根據權利要求1所述的異步信號輸入設備，其中如果檢測的剩餘數據量大於預定目標數據量，並且檢測的時間變化指示剩餘數據量正在增加，則環路濾波器部分產生負校正數，來有效地抑制剩餘數據量的增加，以及如果檢測的剩餘數據量小於預定目標數據量，並且檢測的時間變化指示剩餘數據量正在減少，則環路濾波器部分產生正校正數，來有效地抑制剩餘數據量的減少。
4.根據權利要求1所述的異步信號輸入設備，其中所述寫控制部分響應具有第一頻率的輸入時鐘信號，接連地將由預定數量的位組成的輸入數據寫到存儲部分中。
5.一種採樣頻率轉換設備，包括存儲部分，能夠接連地存儲輸入數據，同時存儲的輸入數據被接連地讀出，以致在所述存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量可以隨時間在預置的目標數據量附近變化；寫控制部分，響應具有第一頻率的輸入時鐘信號，接連地將輸入數據寫入所述存儲部分中；剩餘數據量檢測部分，檢測在所述存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量；矢量檢測部分，檢測在所述存儲部分中存儲的輸入數據的剩餘數據量的時間變化；環路濾波器部分，根據由所述剩餘數據量檢測部分檢測的剩餘數據量和由所述矢量檢測部分檢測的剩餘數據量的時間變化，將由剩餘數據量和預置目標數據量之間的差分數據量所表示的誤差轉換為校正數，以及根據所述校正數產生頻率控制信息；讀信號產生部分，產生由一序列脈衝組成的讀信號，所述一序列脈衝與具有第二頻率的輸出時鐘信號同步地出現，以致每一時間的脈衝出現數目依據頻率控制信息被動態地調節；讀控制部分，響應由所述讀信號產生部分調節的讀信號脈衝，接連地從所述存儲部分讀出輸入數據，從而所述存儲部分中的輸入數據的剩餘數據量收斂到預定的目標數據量；插值信息產生部分，在以第二頻率產生輸出時鐘信號的每個定時產生插值信息，同時所述插值信息根據由所述環路濾波器部分產生的頻率控制信息被控制；以及插值部分，根據由所述插值信息產生部分產生的插值信息，對從所述存儲部分讀出的輸入數據執行插值操作，以便輸出與輸出時鐘信號產生的定時相對應的插值輸入數據。
6.根據權利要求5所述的採樣頻率轉換設備，其中所述矢量檢測部分包括存儲器，存儲由剩餘數據量檢測部分接連地檢測的、且包括最後一個剩餘數據量的多個剩餘數據量；加載器，當在剩餘數據量檢測部分新近檢測的新剩餘數據量與所述存儲器中存儲的最後一個剩餘數據量之間存在±2片的差，所述加載器將所述新剩餘數據量存儲到所述存儲器中；以及檢測器，根據在所述存儲器中存儲的、且包括最後一個剩餘數據量和新剩餘數據量的多個剩餘數據量，來檢測剩餘數據量的時間變化。
7.根據權利要求5所述的異步信號輸入設備，其中如果檢測的剩餘數據量大於預定目標數據量，並且檢測的時間變化指示剩餘數據量正在增加，則環路濾波器部分產生負校正數，來有效地抑制剩餘數據量的增加，以及如果檢測的剩餘數據量小於預定目標數據量，並且檢測的時間變化指示剩餘數據量正在減少，則環路濾波器部分產生正校正數，來有效地抑制剩餘數據量的減少。
8.一種控制先進先出緩衝存儲器的數據輸入和輸出操作、以便在目標數據量附近調節先進先出緩衝存儲器中駐留的數據量的方法，所述方法包括以下步驟以可變輸入速率接連地將數據寫到所述先進先出緩衝存儲器中，從而數據在所述先進先出緩衝存儲器中被累積；以可變輸出速率接連地從所述先進先出緩衝存儲器讀出累積的數據，從而所述先進先出緩衝存儲器中駐留的數據量隨時間變化；檢測所述先進先出緩衝存儲器中駐留的當前數據量；檢測所述先進先出緩衝存儲器中駐留的數據量的當前變化方向；根據檢測的當前數據量和檢測的當前數據量變化方向，來產生控制信息；以及根據所述控制信息調節所述輸出速率，從而迅速地使所述先進先出緩衝存儲器中駐留的當前數據量收斂到目標數據量。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述產生步驟包括如果檢測的當前數據量大於目標數據量，並且檢測的當前變化方向指示剩餘數據量正在增加，則產生負控制信息，來有效地減小輸出速率；如果檢測的當前數據量小於目標數據量，並且檢測的當前變化方向指示剩餘數據量正在減少，則產生正控制信息，來有效地增大輸出速率。
全文摘要
一種異步數據輸入設備，其中寫部分以可變輸入速率接連地將數據寫入先進先出(FIFO)緩衝存儲器中，從而數據在FIFO緩衝存儲器中被累積。讀部分以可變輸出速率接連地從FIFO緩衝存儲器讀出累積的數據，從而FIFO緩衝存儲器中駐留的數據量隨時間變化。檢測器檢測FIFO緩衝存儲器中駐留的當前數據量，以及FIFO緩衝存儲器中駐留的數據量的當前變化方向。環路濾波器根據檢測的當前數據量和檢測的當前數據量變化方向，來產生控制信息。控制器根據該控制信息調節輸出速率，以便迅速地使FIFO緩衝存儲器中駐留的當前數據量收斂到目標數據量。
文檔編號H03H17/06GK1625052SQ20041010002
公開日2005年6月8日 申請日期2004年11月30日 優先權日2003年12月4日
發明者西岡直俊 申請人:山葉株式會社