玩usb转数码就选XMOS方案

22-9-2013 10:03 PM| 发布者: admin | 评论: 111|原作者: 欢

摘要: 本文是《针对PC的解码器技术之ASRC篇》的姐妹篇。 2009年1月份的美国CES上，艺雅（Ayre）发布了一款型号为QB-9的解码器，在HiFi界引起轰动。这个售价$2500的小盒子其貌不扬，不像一般解码器有光纤、同轴等多个输入接 ...

本文是《针对PC的解码器技术之ASRC篇》的姐妹篇。
2009年1月份的美国CES上，艺雅（Ayre）发布了一款型号为QB-9的解码器，在HiFi界引起轰动。这个售价$2500的小盒子其貌不扬，不像一般解码器有光纤、同轴等多个输入接口，QB-9仅有一个USB输入端口，很明显它是专门给电脑用的。在QB-9出现之前，市场上各种各样USB解码器多如牛毛，究竟是什么原因使得QB-9一出现就引来世人的严重关注呢？是因为QB-9使用了一种叫做USB异步的技术，彻底解决了PC-HiFi中令人头疼的Jitter问题。

图一：艺雅的QB-9解码器，一问世就引起了广泛关注
在介绍USB异步之前，我们首先要记住：真正影响声音的Jitter是DAC芯片的时钟Jitter，而不是别的（比如送给解码器数据的Jitter）。如何把DAC芯片时钟的Jitter降到最低才是我们的终极任务。众多实验表明，无论是几百元的DVD、低档CD机、电脑抓轨播放还是几十万的顶级转盘，通过SPDIF数字口输出的数据都是一模一样的，误码的概率很小，不用考虑。但大家都知道低档转盘的声音比高档转盘差很多，原因就是转盘的数字信号Jitter导致了解码器时钟Jitter，低档转盘数字输出Jitter大，高档转盘Jitter小，音质就有差跟好的区别。
在本刊2009年11期上登过我翻译的一篇文章：《Jitter与数字接口》，其中提到了时钟信号经过长距离传输也会引入额外的Jitter，也就是说解码器的时钟最好不要通过外部设备输入，既然这样，我们就很容易想到最完美的方案就是：把一个很精确的时钟放在DAC芯片边上，并以该时钟作为整个系统的主时钟，即这个时钟不需要跟别的时钟同步，别的时钟与它保持同步。
根据这个要求，我们很容易想到完美的CD机架构，事实上有不少CD机就是按照这个架构做的：

图二：完美架构的CD机，将Jitter影响降到最低 一个时钟紧靠着DAC芯片，并作为整个CD机的主时钟
 这个时钟同时指挥伺服电路从CD盘上读出数据，当伺服电路发现FIFO欠载时，就加快主轴电机转速，数据读出速度加快；当伺服电路发现FIFO过载时，就减慢主轴电机转速，数据读出速度减慢，以保持FIFO半满。

图三：完美架构的CD机分成转盘和解码后，时钟应在解码器端，转盘受该时钟控制
由于读盘的伺服机构动作时，会产生电磁干扰，有害于音质，为此我们可以把伺服电路、FIFO、机芯部分与DAC、时钟分开，分别装在独立的机箱内，这就成了转盘和解码器，最大程度降低了伺服机构对解码部分的干扰。从以上示意图我们可以看到，完美架构的CD机分成转盘和解码器后，应当把时钟放在解码器一侧，这样就需要两条数据线（或者一条双向数据线）分别传输数据和时钟，才能依然保持完美的架构。虽然经过长距离传输，送到转盘的时钟和送到解码器的数据都有Jitter，但这些Jitter不会影响到声音，因为我们最关心的解码器时钟是本地的，没有经过传输，Jitter最小。可惜的是，当初制定SPDIF数据传输标准时，Jitter对声音的影响和来源未能得到充分研究，结果SPDIF定义成了一个单向的数据传输标准，时钟只能放在转盘一侧，使得解码器必须面对本来可以无需担心的Jitter问题。

图四：SPDIF将时钟放在转盘一侧，使得解码器不可避免地受到Jitter影响
在一些High-End级别的转盘和解码器中，设有专门的时钟接口，转盘可以接收解码器的时钟。启用时钟接口后，用户可以明显感受到音质的提升。可惜由于缺乏标准，这种时钟接口的通用性不强，通常要求转盘和解码配套使用，有其局限性。
小结：一个完美的转盘、解码器解决方案应该同时满足以下条件：
1. 时钟在解码器侧，并作为系统主时钟，不需要与别人保持同步
2. 解码器和转盘之间支持双向数据传输：时钟信号从解码器传给转盘，数据从转盘传给解码器。
3. 传输接口必须是业界标准，具有可互换性，即不同厂家的转盘和解码器能随意搭配使用
4. 传输接口具有足够的传输带宽，能满足音频数据流的传输
条件1、2都不难满足，绝大部分数据接口标准都支持双向数据传输，但条件3、4却很难满足，尤其是条件3。直到USB和Windows XP\MAC OS/X等操作系统出现后，满足以上条件才成为了现实。
USB规范充分考虑了多媒体音视频应用的需求，提供了完善的支持，这里仅对跟本文相关的数据传输部分作一些介绍。
先介绍一下相关的名词定义：
主机：一个USB环境中只能有一个主机，通常是PC机，数据只能在主机与USB设备之间传输，设备之间需要通过主机转发数据。
端点：与主机进行的数据传输都是通过端点来进行的，一个设备可能会有很多端点，进行不同功能的数据传输。
管道：端点与主机的连接称为管道，可以想象成一根数据线。
帧：USB规定每1毫秒发送一个数据帧，一个帧内可以有多个数据包。数据帧以SOF标志开始，以EOF标志结尾。
USB支持数据的双向传输，针对音频应用，专门有音频设备类定义规范，最高版本是USB Audio 2.0，支持多声道高清规格音频，目前仅有OS/X lion操作系统支持，市面上见到的支持高清规格音频的USB解码器要在Windows下使用都必须安装专门的驱动程序。而较早版本的USB Audio 1.0得到Winodw XP\Vista\7、MAC OS\X等主流操作系统系统支持，按照该规范设计的解码器可以即插即用，无需安装专门的驱动程序，最高支持24/96规格两声道音频。
音视频等数据流的实时性要求持续不断地按固定带宽传送数据，USB中与音频应用相关的数据传输类型叫做等时传输，英文Isochronous Data Transfer，也有译作同步传输的，但容易与后文提到的时钟同步方式中“同步型”混淆，因此本文译为等时传输。
USB Audio 1.0是USB 1.1框架下的规范，最大传输带宽限制在12Mbps（1.5M字节/秒）之内。USB规定每毫秒发送一个数据帧，因此每帧能传输的数据不超过1500字节。同时USB规定，等时传输方式下，一次发送的有效数据（即不包括协议开销）长度不超过1023字节，下表是一次发送不同长度有效数据时带宽的使用情况，可以看到在一次发送有效数据在64、128、256字节时，每帧能传输1280字节（每秒1.28兆字节），因此 USB Audio 1.0最高支持两声道24bit96KHz音频，能满足绝大多数场合的需求。

表一：USB 1.1等时传输模式下数据传输效率表
USB等时传输模式下，支持三种时钟同步类型的端点：
 自适应端点：自适应端点的适应能力最强，可以说是逆来顺受，完全根据对方的要求来调整自己的时钟节拍，达到同步目的。
自适应发送端根据接收端的传输速率来调整自身时钟，为此接收端和发送端之间需要建议一根反馈管道，将接收端的数据传输速率通知给发送端。
自适应发送端可以与所有类型的接收端通讯。对于自适应接受端，则不需要与发送端建立反馈管道，它可以直接从数据流中获取传输速率信息。
 同步端点：同步型端点的特点就是它的时钟通过USB帧开始标志（SOF）来控制。有两种方式，一种是用锁相环将自己的时钟与SOF同步，这跟自适应无异；另一种是控制SOF的发送，使得每帧传输数据量保持一致。由于只有主机才能控制SOF发送，因此对于不能改变SOF的外部设备来说，只能通过扔掉多余数据或插入插值来保持SOF之间数据量一致。
 异步端点：异步端点的时钟不会与外界同步，对于异步接受端来说，必须与发送端建立一条反馈管道，将自己的数据传输速率信息告诉发送端。由于这个反馈信息是随时可以发送的，发送端随时根据反馈信息调整传输速率，这样就能消除时钟频率漂移的影响。
从以上介绍我们可以看出，一个解码器如果是自适应的或者是同步的，它的时钟要求与外界同步，容易引入Jitter，这不符合我们的要求，唯有异步端点的时钟与外界无关，由发送端根据它反馈的传输速率来发送数据，以保持同步。因此如果解码器是异步端点，这就完全符合我们前面提到的四条，与电脑一起构成完美的转盘、解码器架构。
USB异步使用了两根管道实现双向数据传输：一根数据管道从电脑向解码器发送数据，另一根反馈管道让解码器向电脑报告自己需要的数据传输速率。这跟高级转盘+解码器用时钟接口直接传输时钟的方式有所不同，但效果是一样的。

图五：USB异步解码器架构
在USB异步传输过程中，解码器端的微处理器根据本地时钟频率和USB的SOF间隔，计算出自己的数据速率，并通过反馈管道向电脑报告自己每帧需要多少个数据，电脑则按照这个反馈信息，你要多少数据我就给你多少数据，不会多也不会少。微处理器同时按照本地时钟的节拍从FIFO中取出数据送给DAC解码。
USB异步架构完全符合完美转盘+解码的要求：
1. 时钟在解码器侧，是系统主时钟，不需要与别人保持同步
2. 解码器和电脑之间通过USB双向传输数据，解码器告诉电脑我需要多少个数据，电脑则按照要求发送数据
3. USB接口是业界标准，不同厂家的解码器可以接在不同的电脑上使用
4. USB接口具有足够的传输带宽，能满足24/96规格两声道音频的传输，将来可以支持更高规格的多声道音频传输
USB1.1早在1998年就制定完毕，但由于当时操作系统仅支持自适应解码器，直到最近Windows XP SP3出现之后，才能支持异步解码器。因此很久一段时间内市场上USB声卡、解码器一直都是工作在自适应模式下的，接口芯片以Ti的PCM27XX居多。这类芯片仅支持
自适应模式，最高采样率也只有48KHz，其输出时钟Jitter高达2-3ns，若直接驱动DAC芯片的话，听起来有很明显的数码声。发烧友普遍认为USB音质不佳正是源自于此。为了解决Jitter问题，可以在PCM27XX后面加一级ASRC芯片来消除绝大部分Jitter，采用这种方案的有国产ARCE MDAC、美国的Benchmark DAC1等解码器。
2002年出现了比较高级的音频专用的USB接口控制芯片，如TAS1020B，支持所有USB数据传输模式和同步类型，并内置了音频Codec。然而，这款芯片内置的官方固件只能支持自适应模式，若要它工作在异步模式下，必须自己写相关程序，使得编程和调试变得极为困难，开发者必须对USB底层工作原理、Windows USBAudio内核驱动程序工作原理以及TAS1020B芯片的工作原理有着深刻的理解才能完成这项工作。加上操作系统迟迟未能支持USB异步，因此很多解码器虽然用了这款芯片，但仅仅是用到了它支持24/96的特性，依然工作在自适应模式下，输出时钟Jitter高达2ns以上。比如Benchmark的DAC1，USB接口采用的就是TAS1020B，工作在自适应模式下，不得不在后面加了一级ASRC来抑制Jitter。
这几年来很多人都看到了USB异步的潜力，尝试为TAS1020B写异步程序，然而都遭到了失败，只有一个高手获得了成功。他重写了TAS1020B的固件，加入对USB异步的支持，并将这套软件许可给了艺雅和DCS，于是市场上便有了本文开头的艺雅QB-9解码器。目前XMOS推出了支持异步模式的USB Audio 2.0开发套件，市面上符合USB Audio 2.0规范的异步解码器无一例外的使用了该方案。
USB异步是一项不算太新的技术，但正式获得应用仅两年多，就凭借其优异的性能和互操作性，在越来越多的解码器中得到了应用。现在了解这项技术的人还不算多，大多数发烧友还是认为USB音质不好、PC-HiFi不行。相信会有越来越多的解码器使用这项优异的技术，让PC彻底取代CD成为现实。
转自http://blog.sina.com.cn/s/blog_69f6f0ee0100zf1t.html

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