Tiliqua项目SC3版本USB音频采样率偏差问题分析

Tiliqua项目SC3版本USB音频采样率偏差问题分析

在Tiliqua项目开发过程中，SC3版本硬件(R3)的USB音频功能模块被发现存在一个采样率偏差问题。该问题表现为实际运行采样率为48.8kHz，但系统对外宣称支持48kHz标准采样率，导致音频处理可能出现时序问题。

问题背景

Tiliqua项目是一个开源音频处理平台，其SC3版本硬件采用了ECP5系列FPGA。在项目开发过程中，为了支持-25K LUT SC变体，开发团队对PLL配置进行了调整，从原来的3个PLL减少到2个PLL使用。这一变更虽然简化了系统设计，但导致了音频采样率精度的下降。

技术细节

原始设计中，系统使用12.288MHz时钟生成精确的48kHz音频采样率(12.288MHz/256=48kHz)。修改后的配置使用12.50MHz时钟，导致实际采样率变为48.8kHz(12.50MHz/256≈48.8kHz)，与标准48kHz存在约1.67%的偏差。

这种偏差在音频系统中可能引起以下问题：

1. 音频设备间的时钟不同步
2. 长时间播放可能产生累积性时序误差
3. 与其他48kHz设备的互操作性问题

解决方案

开发团队提出了几种可能的解决方案：

1. 添加重采样器：在IO和USB流之间插入数字重采样器，将48.8kHz转换为标准48kHz。这种方法可以保持现有硬件设计不变，但会增加系统复杂性和处理延迟。

2. 重构I2S逻辑：将原有的eurorack-pmod门级设计迁移到Amaranth硬件描述语言框架，实现不依赖精确系统时钟的I2S逻辑，采用过采样技术提高灵活性。这种方法需要较大的重构工作，但能提供更好的长期可维护性。

3. 移除视频支持：由于视频功能需要精确的时钟同步，移除视频支持可以恢复使用高精度PLL配置，确保音频采样率精度。这种方法简化了系统，但牺牲了部分功能。

后续发展

在硬件R4+版本中，项目组增加了专用外部PLL，彻底解决了ECP5内部PLL的限制问题。对于R3硬件用户，建议采用软件重采样方案作为临时解决方案，或考虑升级到新版硬件以获得更精确的时钟性能。

经验总结

这一案例展示了音频系统设计中时钟精度的重要性，以及在资源受限环境下进行设计权衡的复杂性。开发团队通过硬件迭代最终解决了根本问题，同时为类似设计提供了宝贵的参考经验。