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[音频应用] USB音频的原理

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audioapp 发表于 2016-6-24 07:56:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
  USB(通用串行总线)经过几十年发展,已经成为一种在个人电脑领域大量使用的标准。记忆棒、移动硬盘、鼠标和网络摄像头都通过USB连接。本文将深入分析USB音频:一种用来将PC、智能手机和平板电脑中所使用的电子音频与扬声器、麦克风或调音台等音频外设连接在一起的标准。本文将描述USB音频的工作原理,需要注意什么事项,以及对于高保真多通道输入输出,应如何使用USB音频等。
. [" H' ~: c: t  d' l7 V5 S/ N8 F+ L' O, Q$ p# e
  USB基本原理% B% l& }: }6 L* q4 S: {/ _/ j! E" z
1 o, a& r* u. v- _4 G9 K
  USB是一种由PC(USB主机)发起一次传输,设备(例如一套USB扬声器)继而响应的通信协议。每次传输都寻址到一个特定设备,并寻址到该设备的一个特定端点。IN传输将数据发送至PC.当主机发起一次IN传输时,设备必须用主机所需的数据做出响应。OUT传输将数据传输至设备。当主机执行一次OUT传输时,它发送设备必须捕获的数据包。在USB音频领域,IN传输和OUT传输可以用于传输音频样本:一个OUT传输将音频数据从PC发送至扬声器,而IN传输用于将音频数据从麦克风发送至PC。
; C( @1 F4 \; |
. c5 F! ?3 l1 ^8 x, f4 S, G6 s) k  USB规范中有4种类型的IN传输和OUT传输:批量传输、同步传输、中断传输和控制传输。
9 X, ^; O7 I4 f( q; `
- a& F0 M4 W8 H( G  j2 h& _  批量传输用于在主机和设备之间可靠地传输数据。所有USB传输都带有CRC(校验和),它表明是否有错误发生。在一次批量传输中,数据的接收端必须验证CRC.如果CRC正确,传输被应答,数据被假定已经传输无误。如果CRC不正确,传输不会被应答,然后将会重试。如果设备未准备好接收数据,它将传送一个否定应答(NAK)信号,该信号将会使主机重试传输。批量传输不被认为对时间要求严格,因此将会安排在以下将要讨论的、对时间要求严格的各种传输的周边时间。
, C: E6 t: J% b6 q. [# U; E; E
; o* q& t5 `, h# a5 {  同步传输用于在主机和设备之间实时传输数据。若主机建立了同步端点,主机会为同步端点分配一定数量的带宽,并且它将在该端点上规律地执行IN传输或OUT传输。例如,主机可以每125μs对该设备OUT1KB数据。由于分配了固定的、有限数量的带宽,如果出现了任何异常,都将没有时间重发数据。数据具有正常的CRC,但是如果接收端检测到错误,将没有重发机制。
& {1 ?5 T3 n  a* E# Y9 H0 Q0 o# w- e1 _* }: T5 r( A: D8 ]
  中断传输被主机用于定期探询设备,以发现是否有值得做的事情发生。例如,主机可以探询音频设备,核对静音(MUTE)按钮是否已被按下。“中断”传输这个名称有一点混淆视听,因为其并不中断任何事情。然而,数据的定期探询给出了主机中断将会提供的相同类型的功能。
, U$ q. k! J# U& E. P1 t3 M, k" @4 ^' M
  控制传输与批量传输非常相似。控制传输会被应答(即可以被NAK),并且以非实时方式传送。控制传输用于正常数据流以外的操作,例如询问设备功能或端点状态。设备功能描述的说明在本文范畴之外,本文仅陈述诸如“USB音频类”或“USB大容量存储类”等预定义的类型,它们能够实现跨平台的互操作性。' C7 g* [; L9 v7 ~0 |: t
! b" c, z7 s" K+ D
  USB帧中制定了所有的传输类型。高速USB帧的长度为125μs(FullSpeedUSB帧为1ms),并由主机发送帧起始(SOF)消息进行标记。同步传输和中断传输每帧至多发送一次。1 c3 ?. c+ H- c9 D5 |

& h3 p3 l. s$ `  USB音频% F- i/ [2 u+ d  h- ?$ L

0 d, @. X& L' u  USB音频使用了同步传输、中断传输和控制传输。所有音频数据通过同步传输来传输;中断传输用于转发关于音频时钟可用性的信息;控制传输用于设置音量、请求采样率等(参见图1)。
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 楼主| audioapp 发表于 2016-6-24 07:57:11 | 显示全部楼层
  图1:主机和USB设备之间的传输--同步IN和OUT用于音频数据,控制用于设置参数,中断用于状态监视。* e3 Q$ z, d$ t" a) k- T

/ D! D' U6 X' j; e5 H: u/ x  USB音频系统的数据需求取决于通道数、代表每个样本的位数,以及采样率。典型的通道数为2(立体声)、6(5.1声道)或者更高(用于录音室或DJ应用)。尽管传统音频可用16位,典型的采样率为24位,而高质量音频为32位。典型的采样率为44.1、48、96及192kHz,后者为高质量音频所使用。1 Y& ?8 s: z& j' `3 t! a3 s
4 F8 ~" l2 {9 r: V0 v  n; t# H
  这里假设去设计一个具有96kHz采样率和24位样本的立体声音频扬声器系统,为了简化主机和设备上的数据编组,24位值一般用一个零字节填充,因此,总数据吞吐速率为96,000×2通道×4B=768,000Bps。同步端点以每125μs进行一次传输(或8000次传输/s)的速率工作。用所需的字节速率除以帧速率,可以得到每次同步传输的字节数:768,000/8,000=每次传输96B。
  k) k: R7 C+ B" x6 [" `' ?% M" i! [8 P7 R0 h9 _$ q. B
  假若使用例如44,000Hz的CD唱片速率,传输速率经计算为44.1次传输/s。在USB音频中,每次传输总是运送整数个样本;传输在48B和40B(6个和5个立体声样本)之间交替进行,以至于平均速率算出为每次传输44.1B。9 q0 X5 v9 r# S+ V/ ?
: P, @& n$ d; x. B
  单次同步传输可运送1024B,最多能够运送256个样本(在24/32位时)。这意味着,单个同步端点在48kHz时能传输42个通道,或者在192kHz时能传输10个通道--假定使用的是高速USB(HighSpeedUSB)--全速USB(FullSpeedUSB)在48kHz时无法运送多于一个立体声IN和OUT对。
2 w4 F  x; O+ u0 Y! w" K) e) h' \2 @/ ^: `# c- y8 P
  当发送数字音频时,将会有延迟引入。在高速USB的情况下,延迟为250μs.数据包在每个125μs窗口中传输一次,但是考虑到它可能会在该窗口中的任何时候发送,需要有一个250μs的缓冲器。在该250μs延迟的顶端,操作系统(O/S)驱动程序和编解码器(CODEC)中可能引起额外延迟。注意:全速USB的固有延迟远远更高(为2ms),因为数据在每个1ms窗口中仅发送一次。# \: k; D8 N) e5 h% o4 [

: k: ~4 |7 E9 ^- c  1s在“朋友”之间是什么?
* m1 f4 _9 W; q# M* f1 P4 |* x9 ]9 A7 q( V' l
  在数字音频中,商定一个共同的时间概念是大问题。上文已经定义了USB帧的传输速率为8,000次/s,并设定了扬声器播放样本的速率为96,000次/s。仅当扬声器和主机约定了1s的长度,这才能够奏效。USB音频提供了3种模式,来确保主机和扬声器共同约定时序:& y8 i# e5 M3 F  s( b
2 E4 S% g" e6 r6 o# Q
  ●在同步模式中,1s的长度由主机设备定义。这就是说,主机以某个速率发送数据,设备必须精确匹配这个速率。) T) r$ B. x4 P9 t, k

2 G" O6 V) V8 C: ?* G  ●在异步模式中,这正好相反--设备设置1s的定义,主机必须对设备进行匹配。8 Z$ u& W. p' d& X# u) J$ L

6 e) t1 O: `' M. c  ●在自适应模式中,数据流决定时钟。8 k0 s2 M# R6 ]: H* d
9 h5 V5 C, |. m
  自适应模式和同步模式并不理想,因为PC保持时钟稳定的能力非常差,而且经常有其他音频源介入,例如一台外部数字录音机。异步模式使外部时钟源(或是设备内的低抖动时钟)能够用作主时钟。一般两者都依赖于基于晶振的锁相环(PLL),如图2所示。9 G8 t- A4 z& `4 T4 N: V$ `. f

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 楼主| audioapp 发表于 2016-6-24 07:58:08 | 显示全部楼层
  图2:一款带有一个晶振用于稳定音频频率的USB音频板,并且有一个低抖动PLL用于产生任何所需的频率信号。
3 s1 l/ E' p/ ?  r# t  I0 F. [) c6 l# s9 k4 \
  因此,系统中至少有2个不同的时钟:USB时钟由主机产生,频率为8,000次传输/s;采样时钟由外部产生,例如,其采样率为96,000Hz。7 K% o0 u! g" Z# _5 Z

( o$ e( \8 y* q  }6 Y  r4 K0 x4 \  这些时钟的频率会略有不同,其差别会随时间略微变化。因此,每帧音频样本的平均数会稍微高于或低于期望的比率。例如,在本文96,000Hz采样率的情况下,样本的平均数为12.001.为了确保主机发送正确数量的数据,并且不会太多或太低,主机向中断端点请求当前的采样率。每隔几个毫秒,上一个周期的平均采样率将以16.16位定点数格式回报。如果上一个周期取平均数为12.001帧,那么报告值将为0x000C0041(65536×12.001)。1 R: c1 |1 k4 W/ x
- Z, h) d- X& G. S6 f
  给定该平均速率,主机将能计算出在一次传输中在何时发送额外样本;在此例中,每秒8次传输将运送一个额外样本。此外,主机能够利用该值与音频设备进行同步。这使得DVD播放器等主机应用能够将视频保持为与音频同步。如果没有同步,音频会慢慢地跑到视频前面,两个小时以后,音频将会有1s误差。
+ k2 e: Y# ~, |1 `: n4 S3 A
9 H$ f$ R$ V. Z  为了保持反馈回路较短,诀窍是不对音频包和反馈包做不必要的缓冲。任何附加的缓冲都会产生报告延迟,该延迟使得保持通信流的平滑变得更加困难。这意味着,底层USB栈和USB音频栈应紧密集成,而无需在它们之间缓冲。尽管这在应用处理器上难以达到,但是把软件在执行时间可预测的嵌入式处理器上来实现,这点将非常容易达到。诸如XMOS等公司现在可以提供这种可预测的嵌入式处理器,如XMOS的xCORE多核MCU等处理器系列。借助其丰富的内置USB接口,它们紧密地将底层USB栈和USB音频栈集成在一起。
5 D" @) P, C; G3 D( K7 i) v6 c# d; P9 U6 n) b
  多个时钟源
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# G; v1 a5 Y' E( l  以上方案仅考虑了两个时钟源--或者USB设备提供时钟,或是主机提供时钟。在调音台等更复杂的设备中,可能还有其他设备提供采样率,例如,通过ADAT或S/PDIF等数字接口,或通过携带字时钟的BNC连接器提供。对于这样的系统,USB音频标准使设计人员能够在设备当中置入时钟选择器。
0 p/ V8 n  R& i! F0 Y( b1 C8 O" q8 M
  时钟选择器规定采用哪个时钟作为采样率。时钟选择器有多个输入时钟(例如,一个S/PDIF接口上的输入时钟、本地晶振、以及一个ADAT接口上的输入时钟),并带有一个用户可选择哪个时钟用作输入的控制传输,例如S/PDIF接口上的输入时钟。' Q, D: [& K% S& h4 j

. F! ^8 j, Z4 j. S: d  符合性及原生支持
3 v* h. i, v7 v7 f6 `3 ?6 f" e; y# q6 N, E! m! A
  一旦一款设备符合USB音频类协议,它将会很便捷地集成到操作系统中。图3显示了USB音频设备插入到MacOS/X系统中的控制界面截屏。它表明,时钟选择、采样率选择、通道音量控制以及静音控制等都是可以控制的,就像对于任何其他的音频设备那样。
0 `' A2 \  G4 R7 y" w( K# ~- S: g: w; ~6 N# [$ U% Q' ?
   2014122314556742.jpg
$ d' q$ p4 }, W. j1 l) V) ?
% o0 C3 W8 P1 Z' t- w  图3:一款可互操作的设备出现在标准O/S对话框(例如本例中的OS/X)中,并且O/S可以设置音量和采样率等。, u, `0 m' n. ^6 B: J! ]

- f8 v  i9 U8 x+ f  ~/ m: X  设备的标准符合性使其可以实现互操作。O/S供应商能够提供一种单独的USB音频驱动程序,该驱动程序可驱动大量设备,并具有众多功能。
2 O% S8 i* J  V9 r+ _6 w7 u0 w# F1 I
  的确,相同的USB音频实现能够进行参数化,以实现不同数量的通道,并且相同的驱动程序能够用于连接设备。
" U& `4 h/ {3 @" y+ c9 S
5 r: c. ^& _" \  小结与展望
" p% F" N( e8 o" N" [- Y
- J9 _  E' n* ]7 X! z) j; }& J) A  USB-AudioClass2.0利用了高速USB2.0标准,支持在PC和一台所连接的音频设备之间对音频进行低延迟传输。高速USB2.0的高吞吐率可用于实现多个音频通道,并且具有高的音频质量。USB音频类标准可服务于多种设备的,从复杂的、具备多个通道、多个时钟源和复杂控制的调音台,到环绕立体声系统、PC扬声器和麦克风。" b; G( X2 Z& w8 c+ d8 F! L

2 I& a/ Q; }; \( v! R+ f  目前,顶级的消费性音频产生已经推出了各种USB-Audio产品,并且受到了市场的好评!
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