USB音頻的基本原理
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時(shí)間：2016-12-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
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圖2：一款帶有一個(gè)晶振用于穩(wěn)定音頻頻率的USB音頻板，并且有一個(gè)低抖動(dòng)PLL用于產(chǎn)生任何所需的頻率信號(hào)。
因此，系統(tǒng)中至少有2個(gè)不同的時(shí)鐘：USB時(shí)鐘由主機(jī)產(chǎn)生，頻率為8,000次傳輸/s；采樣時(shí)鐘由外部產(chǎn)生，例如，其采樣率為96,000Hz。
這些時(shí)鐘的頻率會(huì)略有不同，其差別會(huì)隨時(shí)間略微變化。因此，每幀音頻樣本的平均數(shù)會(huì)稍微高于或低于期望的比率。例如，在本文96,000Hz采樣率的情況下，樣本的平均數(shù)為12.001。為了確保主機(jī)發(fā)送正確數(shù)量的數(shù)據(jù)，并且不會(huì)太多或太低，主機(jī)向中斷端點(diǎn)請(qǐng)求當(dāng)前的采樣率。每隔幾個(gè)毫秒，上一個(gè)周期的平均采樣率將以16.16位定點(diǎn)數(shù)格式回報(bào)。如果上一個(gè)周期取平均數(shù)為12.001幀，那么報(bào)告值將為0x000C0041（65536×12.001）。
給定該平均速率，主機(jī)將能計(jì)算出在一次傳輸中在何時(shí)發(fā)送額外樣本；在此例中，每秒8次傳輸將運(yùn)送一個(gè)額外樣本。此外，主機(jī)能夠利用該值與音頻設(shè)備進(jìn)行同步。這使得DVD播放器等主機(jī)應(yīng)用能夠?qū)⒁曨l保持為與音頻同步。如果沒(méi)有同步，音頻會(huì)慢慢地跑到視頻前面，兩個(gè)小時(shí)以后，音頻將會(huì)有1s誤差。
為了保持反饋回路較短，訣竅是不對(duì)音頻包和反饋包做不必要的緩沖。任何附加的緩沖都會(huì)產(chǎn)生報(bào)告延遲，該延遲使得保持通信流的平滑變得更加困難。這意味著，底層USB棧和USB音頻棧應(yīng)緊密集成，而無(wú)需在它們之間緩沖。盡管這在應(yīng)用處理器上難以達(dá)到，但是把軟件在執(zhí)行時(shí)間可預(yù)測(cè)的嵌入式處理器上來(lái)實(shí)現(xiàn)，這點(diǎn)將非常容易達(dá)到。諸如XMOS等公司現(xiàn)在可以提供這種可預(yù)測(cè)的嵌入式處理器，如XMOS的xCORE多核MCU等處理器系列。借助其豐富的內(nèi)置USB接口，它們緊密地將底層USB棧和USB音頻棧集成在一起。
多個(gè)時(shí)鐘源
以上方案僅考慮了兩個(gè)時(shí)鐘源——或者USB設(shè)備提供時(shí)鐘，或是主機(jī)提供時(shí)鐘。在調(diào)音臺(tái)等更復(fù)雜的設(shè)備中，可能還有其他設(shè)備提供采樣率，例如，通過(guò)ADAT或S/PDIF等數(shù)字接口，或通過(guò)攜帶字時(shí)鐘的BNC連接器提供。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，USB音頻標(biāo)準(zhǔn)使設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)備當(dāng)中置入時(shí)鐘選擇器。
時(shí)鐘選擇器規(guī)定采用哪個(gè)時(shí)鐘作為采樣率。時(shí)鐘選擇器有多個(gè)輸入時(shí)鐘（例如，一個(gè)S/PDIF接口上的輸入時(shí)鐘、本地晶振、以及一個(gè)ADAT接口上的輸入時(shí)鐘），并帶有一個(gè)用戶(hù)可選擇哪個(gè)時(shí)鐘用作輸入的控制傳輸，例如S/PDIF接口上的輸入時(shí)鐘。
符合性及原生支持
一旦一款設(shè)備符合USB音頻類(lèi)協(xié)議，它將會(huì)很便捷地集成到操作系統(tǒng)中。圖3顯示了USB音頻設(shè)備插入到Mac OS/X系統(tǒng)中的控制界面截屏。它表明，時(shí)鐘選擇、采樣率選擇、通道音量控制以及靜音控制等都是可以控制的，就像對(duì)于任何其他的音頻設(shè)備那樣。
圖3：一款可互操作的設(shè)備出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)O/S對(duì)話(huà)框（例如本例中的OS/X）中，并且O/S可以設(shè)置音量和采樣率等。
設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)符合性使其可以實(shí)現(xiàn)互操作。O/S供應(yīng)商能夠提供一種單獨(dú)的USB音頻驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)程序可驅(qū)動(dòng)大量設(shè)備，并具有眾多功能。
的確，相同的USB音頻實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行參數(shù)化，以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)量的通道，并且相同的驅(qū)動(dòng)程序能夠用于連接設(shè)備。
小結(jié)與展望
USB-Audio Class 2.0利用了高速USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)，支持在PC和一臺(tái)所連接的音頻設(shè)備之間對(duì)音頻進(jìn)行低延遲傳輸。高速USB 2.0的高吞吐率可用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)音頻通道，并且具有高的音頻質(zhì)量。USB音頻類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)可服務(wù)于多種設(shè)備的，從復(fù)雜的、具備多個(gè)通道、多個(gè)時(shí)鐘源和復(fù)雜控制的調(diào)音臺(tái)，到環(huán)繞立體聲系統(tǒng)、PC揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)。
目前，頂級(jí)的消費(fèi)性音頻產(chǎn)生已經(jīng)推出了各種USB-Audio產(chǎn)品，并且受到了市場(chǎng)的好評(píng)，如Sony和OPPO已經(jīng)推出了基于XMOS公司xCORE多核MCU產(chǎn)品的USB-Audio耳機(jī)放大器和音響組合單元。預(yù)計(jì)該項(xiàng)應(yīng)用將在不遠(yuǎn)的將來(lái)為更多用戶(hù)所選用。
評(píng)論