Brevet FR2866131A1 — publié le 20050812

SYNCHRONISATION DE SYSTEMES ASYNCHRONES Dans la description qui va suivre, les abréviations utilisées auront la signification suivante: SSA: Synchronisation de Systèmes Asynchrones DAC: Digital to Analog Converter (convertisseur 5 numérique/analogique) ADC: Analog to Digital Converter (convertisseur analogique/numérique) PLL: Phase Locked Loop (boucle à verrouillage de phase) ASRC: Asynchronous Sample Rate Converter (convertisseur de fréquence d'échantillonnage asynchrone) MCU: Micro- Controller Unit (microcontrôleur) DSP: Digital Signal Processeur (processeur de traitement numérique) DVD: Digital Versatile Disc SACD: Super Audio CD. Successeur du CD audio développé par Sony et Philips MP3: Codage de réduction de données développé par le groupe MPEG Dans la description qui va suivre, les figures représenteront les éléments suivants: 2866131 2 Figure 1 Schéma de principe d'un convertisseur numérique/analogique avec SSA Figure 2. Schéma de principe d'un périphérique de stockage synchrone avec SSA Figure 3 Schéma de principe d'un convertisseur numérique/analogique sans SSA La technologie de Synchronisation de Systèmes Asynchrones (SSA) est un principe de réduction du nombre d'horloges dans un système numérique, permettant des applications dans de nombreux domaines. Le domaine clef d'application envisagé par l'invention est la conversion numérique/analogique (DAC) ou analogique/numérique (ADC) de signaux audio, ainsi que l'amplification audio numérique. Ce principe peut s'appliquer d'ailleurs à tout système comportant une conversion numérique/analogique ou analogique/numérique du signal, par exemple dans le domaine des capteurs ou dans le domaine vidéo. Problème adressé Contexte général Dans le domaine de l'audio numérique, beaucoup de formats de signaux sont disponibles et toutes les vitesses d'échantillonnage ne sont pas liées entre elles par un facteur de multiplication entier. Lorsqu'un système comporte plusieurs sources audio numériques à vitesses d'échantillonnage différentes et qu'il s'agit de convertir ces sources dans le domaine analogique, il y a plusieurs manières de procéder: - Le système traite chaque fréquence d'échantillonnage distinctement et il faut utiliser des boucles à verrouillage de phase (PLL) de haute qualité afin de convertir correctement les signaux numériques en analogique. - Le système convertit la fréquence d'échantillonnage d'entrée en une autre fréquence d'échantillonnage audio connue et fixe à l'aide d'un convertisseur de fréquence d'échantillonnage asynchrone (ASRC). Cette approche permet de se 2866131 3 passer de PLL de qualité mais ne réduit pas la complexité du circuit. Si le système comporte un microcontrôleur (MCU) et/ou un processeur de traitement de signal (DSP), le nombre d'horloge augmente de une ou deux unités, ce qui augmente les coûts, engendre de la pollution électromagnétique difficile à maîtriser et peut générer des signaux d'intermodulation dans le spectre des signaux analogiques. Besoins du marché L'utilisation de processeur de traitement de signal est devenue commune aujourd'hui, à cause des possibilités offertes qui n'existent pas dans le domaine analogique. De même, le CD n'est plus le seul format audio numérique utilisé par le public: le DVD est implanté, le Super Audio CD (SACD) cherche à remplacer le CD, les gravures encodées en MP3 sont courantes pour ne citer que ces nouveaux formats. On dénombre aujourd'hui plus de 10 formats différents qui peuvent tous se trouver par exemple dans un seul système: l'autoradio la voiture. Du coup, l'invention décrite permettra aux systèmes toujours plus complexes de fonctionner dans les meilleures conditions, avec un coût et une complexité acceptables. Etat de l'art antérieur Description générale de l'art antérieur Il existe des publications sur la manière de mettre en oeuvre un convertisseur de fréquence d'échantillonnage, mais pas sur les implications matérielles d'un tel composant dans un système complet, du point de vue des perturbations ainsi que de la complexité du système. Solution proposée L'invention concerne un système permettant de convertir de manière simple des signaux audio ayant une vitesse d'échantillonnage hétérogène, sans générer de pollutions électromagnétiques et/ou de signaux d'intermodulation liés à la mise en uvre d'une pluralité d'horloges. Les signaux audio sont destinés à être convertis d'un format numérique à un format 2866131 4 analogique et/ou d'un format analogique à un format numérique. Le système est caractérisé en ce qu'il comporte au moins une horloge unique (6) associée à un module logiciel de conversion de fréquences d'échantillonnages asynchrones (2, 10), un convertisseur (4) de type analogique-numérique ou numérique-analogique, un microcontrôleur (5). Présentation de la solution Pour les figures 1, 2 et 3 qui suivent dans ce document, les flèches représentent les différents types de signaux dans les schémas de principe selon le code suivant: Signaux audio: flèches 20 Signaux de commande: flèches 21 Signaux d'horloge: flèches en pointillés La figure 1 représente le schéma de principe de la synchronisation de systèmes asynchrones dans le cas d'un convertisseur numérique/analogique. Les références numériques portées sur la figure 1 correspondent aux éléments suivants: Signaux audio: flèches 20 Signaux de commande: flèches 21 Signaux d'horloge: flèches en pointillés Entréel, Entrée2, Entrée 3, Entrée 4: 20 Multiplexeur: 1 Receiver: 2 DSP avec ASRC software: 3 DAC: 4 MCU: 5 Horloge: 6 Clavier: 7 Ecran: 8 La figure 2 représente un deuxième schéma de principe pour un périphérique de stockage - par exemple disque dur, lecteur CD, lecteur MP3 - avec synchronisation. Les références numériques portées sur la figure 2 correspondent aux éléments suivants: Signaux audio: flèches 20 2866131 5 Signaux de commande: flèches 21 Signaux d'horloge: flèches en pointillés DSP avec ASRC software et décompression: 16 DAC: 4 MCU: 5 Horloge: 6 Clavier: 7 Ecran: 8 Périphérique de stockage: 9 Différences avec l'art antérieur La principale différence entre les systèmes actuels et la solution proposée consiste à n'utiliser qu'une seule horloge de référence dans le schéma de principe. La vitesse de cette horloge n'est pas forcément liée à une fréquence d'échantillonnage audio, grâce à l'utilisation du convertisseur de fréquence d'échantillonnage asynchrone. Dans les deux exemples représentés par les figures 1 et 2, le convertisseur de fréquence d'échantillonnage est réalisé en logiciel pour les raisons suivantes: - réduction du nombre de composants dans le système, - inadéquation des ASRC hardware actuels à travailler hors des fréquences d'échantillonnage audio. Actuellement, les convertisseurs de fréquence d'échantillonnage sont utilisés pour passer d'une fréquence d'échantillonnage audio à une autre fréquence d'échantillonnage audio, ce qui correspond à un cas particulier de notre solution que nous n'excluons pas. Le finalité de la synchronisation des systèmes asynchrones présentée dans ce document n'est pas de préférer une solution de conversion de fréquence d'échantillonnage par rapport à une autre, mais de simplifier au maximum les systèmes qui tendent à se complexifier. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 3 un schéma de principe pour un convertisseur numérique/analogique 2866131 6 conventionnel avec ASRC. Les références numériques portées sur la figure 3 correspondent aux éléments suivants: Signaux audio: flèches 20 Signaux de commande: flèches 21 Signaux d'horloge: flèches en pointillés Entréel, Entrée2, Entrée 3, Entrée 4: 20 Multiplexeur: 1 Receiver: 2 ASRC hardware: 13 DSP: 14 DAC: 4 MCU: 5 Horloge 1: 11 Horloge 2: 12 Horloge 3: 15 Clavier: 7 Ecran: 8 Exemples d'application Conversion numérique/analogique: c'est le cas d'étude 20 du document et le principe SSA s'y applique naturellement; voir figure 1. Conversion analogique/numérique: le même principe SSA peut être appliqué pour ce type conversion et il devient un facteur important de qualité du signal lorsque le convertisseur doit se synchroniser sur une fréquence extérieure au système. Amplification numérique: quel que soit le type de modulation utilisé (PWM, PDM, hybride) le principe SSA s'applique comme pour un convertisseur numérique/analogique. Périphérique de stockage audio: voir figure 2 Périphérique de stockage audio/vidéo: cas identique au périphérique de stockage audio seul, la synchronisation peut se faire sur les signaux vidéos par exemple. 7 REVENDICATION 1. Système permettant de convertir de manière simple des signaux audio ayant une vitesse d'échantillonnage hétérogène, sans générer de pollutions électromagnétiques et/ou de signaux d'intermodulation liés à la mise en uvre d'une pluralité d'horloges; lesdits signaux audio étant destinés à être convertis d'un format numérique à un format analogique et/ou d'un format analogique à un format numérique; ledit système étant caractérisé en ce qu'il camp orte au moins une horloge unique (6) associée à un module logiciel de conversion de fréquences d'échantillonnages asynchrones (2, 10), un convertisseur (4) de type analogique-numérique ou numérique-analogique, un microcontrôleur (5).