我來(lái)說(shuō)說(shuō)究竟什么是“USB異步傳輸” (Asynchronous USB)吧

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http://www.erji.net/read.php?tid=767228&fpage=0&toread=&page=1

參考資料：

http://www.usbdacs.com/Concept/Concept.html

A:

廢話不多說(shuō)，直奔主題吧。

對(duì)于USB音頻傳輸，有一個(gè)規(guī)范，叫做“標(biāo)準(zhǔn)USB音頻規(guī)范”。這個(gè)規(guī)范有什么用處和好處？
它的用處就在于，實(shí)現(xiàn)了以USB接口實(shí)時(shí)傳輸音頻信號(hào)。（汗）
它的好處就在于，直接集成在WINDOWS系統(tǒng)內(nèi)，也就是說(shuō)，只要符合這個(gè)規(guī)范的USB音頻產(chǎn)品，WINDOWS系統(tǒng)內(nèi)的集成驅(qū)動(dòng)就能直接支持，而不用廠商另外開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。相反，如果某款USB音頻產(chǎn)品有自己的驅(qū)動(dòng)程序，那么它就是不支持這個(gè)規(guī)范的。（但不表示這個(gè)產(chǎn)品就不好，自己開發(fā)驅(qū)動(dòng)本身是有研發(fā)實(shí)力的表現(xiàn)。）

在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB音頻規(guī)范下，有三種傳輸模式：同步、自適應(yīng)，和異步。
同步：標(biāo)準(zhǔn)的同步模式其實(shí)很少見，基本不太用到的，這里省略。
自適應(yīng)：大多數(shù)的產(chǎn)品（比如TI PCM270X、PCM290X系列）都是用的自適應(yīng)傳輸模式。
異步：這里的異步，才真正是AYRE QB9所大肆宣傳的異步USB傳輸模式。
所以嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，所謂“異步USB傳輸”，有個(gè)大前提，就是在標(biāo)準(zhǔn)USB音頻規(guī)范下而言。

那么自適應(yīng)傳輸模式和異步傳輸模式到底有何區(qū)別呢？
這里先要了解一下USB音頻處理的大致流程。電腦通過(guò)USB接口將音頻數(shù)據(jù)流傳遞給DAC上的USB接收芯片，USB接收芯片一邊接收數(shù)據(jù)，一邊合成時(shí)鐘信號(hào)，然后轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的I2S或者SPDIF信號(hào)，再傳遞給后面的數(shù)據(jù)接收芯片，再之后的流程與一般的DAC就沒(méi)有分別了。
而在這個(gè)過(guò)程中，影響USB音頻音質(zhì)的關(guān)鍵，就是USB接收芯片所合成的時(shí)鐘信號(hào)。

在自適應(yīng)模式下，USB接收芯片，在合成時(shí)鐘信號(hào)的過(guò)程中，會(huì)根據(jù)USB傳輸速率的變化，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整。也就是說(shuō)，在這種情況下，USB傳輸速率的變化，會(huì)直接影響到合成的時(shí)鐘信號(hào)。
舉個(gè)夸張點(diǎn)的例子：比如現(xiàn)在播放一段44.1K的音頻，當(dāng)然就要求USB接收芯片合成一個(gè)44.1K的時(shí)鐘。而這個(gè)44.1K的時(shí)鐘，對(duì)應(yīng)于USB傳輸?shù)乃俾?，比如，胡亂說(shuō)一個(gè)，是200個(gè)數(shù)據(jù)包每秒。
也就是說(shuō)，如果要讓USB接收芯片穩(wěn)定的合成44.1K 的時(shí)鐘，USB傳輸速率，也必須穩(wěn)定在200個(gè)數(shù)據(jù)包每秒。
但現(xiàn)在的問(wèn)題是，USB傳輸?shù)乃俣炔豢赡苓@么穩(wěn)定，也許這一秒傳遞了200個(gè)數(shù)據(jù)包，而下一秒，突然增加到了400個(gè)。而這個(gè)時(shí)候，USB接收芯片會(huì)怎么做?它會(huì)把實(shí)際合成的時(shí)鐘，提高到88.2K。如果再下一秒的USB速率又變?yōu)?00個(gè)數(shù)據(jù)包每秒，那么相應(yīng)的合成時(shí)鐘就變成了22.05K。當(dāng)然，這是一個(gè)極端夸張的例子。
可是為什么USB接收芯片要這么做？很簡(jiǎn)單。因?yàn)槿绻鸘SB接收芯片只是單純的合成44.1K的時(shí)鐘，每秒處理200個(gè)數(shù)據(jù)包，那么一旦真的收到了400個(gè)或者100個(gè)數(shù)據(jù)包，緩存就會(huì)溢出，或者斷流。
所以，在自適應(yīng)模式下，USB接收芯片所合成的時(shí)鐘信號(hào)，是隨USB口的傳輸速率實(shí)時(shí)變化的，傳輸速率是主，時(shí)鐘信號(hào)為從，USB傳輸速率的變化直接影響到合成的時(shí)鐘信號(hào)。那么可想而知，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的JITTER有多大。從而你也可以理解，為什么有人會(huì)說(shuō)，換質(zhì)量好的USB線能提高音質(zhì)。

那么異步傳輸是怎么工作的呢？說(shuō)起來(lái)更簡(jiǎn)單，USB接收芯片現(xiàn)在只需要穩(wěn)定的合成44.1K的時(shí)鐘，也就是說(shuō)，現(xiàn)在這個(gè)時(shí)鐘與USB傳輸速率無(wú)關(guān)了。
可是如果這樣的話，緩存的問(wèn)題怎么解決？答案是，軟件控制。通過(guò)一套軟件，根據(jù)緩存的負(fù)載情況，實(shí)時(shí)的控制USB口的傳輸速率，從而保證緩存不會(huì)溢出或者斷流。在這種情況下，時(shí)鐘信號(hào)為主，傳輸速率為從，時(shí)鐘信號(hào)不受傳輸速率變化的影響，理論上這時(shí)的JITTER源，就只有工作晶振本身的誤差了。

這個(gè)方案，就是AYRE QB9所大肆宣傳的“異步USB傳輸”模式。它的實(shí)現(xiàn)方式，就是通過(guò)TAS1020B這塊芯片，配合本地的6M晶振，還有關(guān)鍵的控制傳輸速率的固件，來(lái)完成。
而TAS1020B這塊芯片，是一塊可編程的芯片，并不是說(shuō)用了這塊芯片就一定是異步USB傳輸。DAC1 USB，DA11用的也是這塊芯片，但都只用到了它 的自適應(yīng)模式，關(guān)鍵還是看固件怎么寫。所以從某種程度上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的DAC設(shè)計(jì)，比拼的已經(jīng)不是硬件，而是軟件了。

B:

USB聲卡的播放流程是這樣的

在主機(jī)應(yīng)用程序中播放音樂(lè)前，USB聲卡就會(huì)從主機(jī)端收到如下的兩個(gè)包：Setup包 和 控制數(shù)據(jù)包

　　根據(jù)USB音頻類協(xié)議分解Setup包，可以得知，本次控制傳輸?shù)淖饔檬窃O(shè)置USB聲卡的采樣頻率，那么在播放音樂(lè)前，必須把I2S控制器的采樣頻率做相應(yīng)的設(shè)置。才能和主機(jī)端保持同步。

這是在主機(jī)開始播放音樂(lè)時(shí)做的事。

然后在播放過(guò)程中

USB音頻類規(guī)定的USB同步傳輸周期為1ms，每隔1ms，USB設(shè)備就會(huì)收到一次主機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。而USB設(shè)備會(huì)在接收緩存中暫時(shí)性的存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。（TAS1020B的接受緩存剛好能存儲(chǔ)24BIT/96K的數(shù)據(jù)）然后再進(jìn)行處理，然后送到I2S控制器。在這個(gè)過(guò)程中，USB1.1因?yàn)閹捄蛢?yōu)先度的原因，系統(tǒng)其他操作比較繁忙的時(shí)候容易出現(xiàn)丟包的狀況，在丟包的狀況下，USB芯片會(huì)把生成一個(gè)空數(shù)據(jù)包（就是全部都是0000000）。因此USB1.1的USB聲卡經(jīng)常出現(xiàn)小爆音。

異步模式的USB DAC中，I2S控制器自己生成時(shí)鐘，然后向USB芯片發(fā)出反饋，USB芯片再對(duì)音頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣的轉(zhuǎn)換（SRC），轉(zhuǎn)換成I2S控制器所需要的采樣，再發(fā)給I2S控制器。這時(shí)I2S控制器的時(shí)鐘是自己生成的。沒(méi)有和USB總線時(shí)鐘同步，所以很在接收USB處理后的數(shù)據(jù)時(shí)，容易受時(shí)鐘誤差和抖動(dòng)等影響。在《USB協(xié)議及規(guī)范》中這樣的處理是十分不推薦的。
“Such slips/stuffs will cause audible degradation in audio applications. ”


自適應(yīng)模式的USB DAC中，USB芯片會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，根據(jù)播放開始前主機(jī)端發(fā)來(lái)的采樣信息，加進(jìn)數(shù)據(jù)包中，而I2S信號(hào)控制器在讀取數(shù)據(jù)包后，會(huì)根據(jù)采樣信息建立相應(yīng)的時(shí)鐘，并解包，裝載音頻數(shù)據(jù)。

就從USB本身的協(xié)議來(lái)看，作為“目的”端來(lái)說(shuō)，自適應(yīng)模式無(wú)疑比異步模式更加適合音頻。


從電路上來(lái)看，QB9是通過(guò)FPGA讀取播放前主機(jī)發(fā)來(lái)的采樣格式信號(hào)，然后選擇相應(yīng)頻率的時(shí)鐘，在FPGA上對(duì)TAS1020B輸出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘重整。而TAS1020B異步模式時(shí)所采用的時(shí)鐘依然是內(nèi)置的時(shí)鐘。









參考資料：

《USB協(xié)議及規(guī)范》
《USB Audio Class協(xié)議規(guī)范》

同步類型

? ? ? ? ? ——異步：不同步、但目的（sink）能提供數(shù)據(jù)速率反饋

? ? ? ? ? ——同步：同步到USB的SOF時(shí)鐘

? ? ? ? ? ——可調(diào)：用反饋或feed forward 的數(shù)據(jù)速率信息實(shí)現(xiàn)同步