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USB解码同步还是异步？-对比测试HEGEL HD2 和M2T HIFACE [复制链接]

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kkman2002
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发表于 2011-05-19 21:50 |显示全部
　USB解码近两年势头迅猛，新款不断推出的同时，老款升级也大多“时髦”地选择增加一个USB接口，仿佛一夜之间USB接口成了众多HFII厂商的香馍馍。说到USB，总要问:是异步的吗？能降低抖动吗？这样的问题，充实各大论坛，老手新手都不亦乐乎。
　USB异步真的这么神奇吗?下面让我们来聊聊这个话题，顺便进行相应的对比测试
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IMG_1200.jpg

最后编辑kkman2002 最后编辑于 2011-05-19 21:51:46
本主题由 版主 eric 于 2011/5/31 18:05:07 执行 主题置顶/取消 操作
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发表于 2011-05-19 21:54 |显示全部

      在对比测试前，有必要了解几个小概念，关于异步、同步的原理和技术资料，通过百度或gogole有很多探讨和讨论，过于枯燥的理论，容易让人转晕了头，不妨通过一些简单的思路把握下：
　1、USB Audio Class协议
　　由Intel和微软主导的USB即插即用通讯接口，自诞生之日起就通过USB Audio Class协议来制定游戏规则和接口规范，即所有USB设备只有符合USB Audio Class协议规定的硬件指标，并通过微软提供的内核驱动（*.sys，内核模式下的驱动，一般都对应相应的被驱动硬件，而其功能其实就是提供windows系统对该硬件的支持），进行辨识，才能正常或者“合法”的工作。

        从下面这张流程图图，可以清晰的看到USB音频传输的过程：播放软件播放音频文件--通过设置播放软件，采用客户端驱动ASIO或KS直接驱动硬件-硬件通过.SYS内核驱动被windows系统识别-USB音频设备通过设备驱动程序正常工作-通过USB总线传输带有时钟信息的串流数据-USB DAC 通过USB接受芯片接受数据，并进行后续的时钟合成和恢复、传输I2S或S/P信号、DAC转换等等工作完成最后的模拟输出。



       从这个流程可以看到，关键的class driver是USB音频设备得到 “合法”身份的关键。因此，无论是采用同步还是异步，无论是公版驱动，还是自行编写驱动，无论你吹的如何天花乱坠，都走不出USB Audio Class协议这个框框。
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发表于 2011-05-19 22:04 |显示全部

       从HIFACE编写的驱动来看，前3个SYS驱动，只能采用微软提供的内核驱动，而无法自己去编造，而最后一个SYS驱动的意义在于结合硬件可编程FPGA模块和缓存技术，突破USB 2.0最大传输24/96制约，通过硬件升频(SRC)还原并转换成24/192 的S/P信号输出。因此可以说，目前USB2.0规范是不支持24/192传输的（跟传输率关系不大，但跟缓存大小很有关，以艺雅QB9使用的TAS1020B为例，它的1304byte缓存，甚至不能完全满足16/44.1-1764bytes的要求），要实现24/192传输，在USB 3.0真正普及之前，只能靠自力更生了。
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4#
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发表于 2011-05-19 22:09 |显示全部


2、什么是同步，什么是异步？

       USB Audio Class协议规定USB同步传输周期为1ms。即每隔1ms，USB设备通过接受芯片接受一次主机传输过来的数据包，这个数据包带有时钟信号的，需要通过I2S控制器进行解包后恢复时钟信息实现同步，为确保这种主机时钟和I2S的同步，采用FIFO缓存暂存数据，然后再给I2S。

      下面这张图，作为一个简单示意图，每隔1MS，主机发送一次数据（倒一杯水），通过缓存蓄水，然后通过I2S(水龙头）传输到下一个环节。因此，USB传输对于倒水和放水的控制，就是同步、自适应和异步的区别：

        同步模式:水龙头流量固定（主机时钟确定），不管倒多少水。理想状态下，倒水的频率、时间、流量固定，缓存（蓄水）固定，水龙头放水流量固定，形成一个完整循环。而由于抖动偏差的存在，这种理想状态往往无法保证的，因此，会出现水放完了（中断），水放多溢出了（失真爆音）等等情况。
       自适应模式：为解决抖动偏差引起的倒水频率和倒水量的变化（主时钟的变化），通过控制水龙头的流量（重整时钟）来适应这种变化，形成可控制的理想循环。

       异步模式：固定水龙头流量（异地时钟确定），通过建立I2S反馈机制，控制倒水频率和倒水量，形成可控制的理想循环。
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t T
发表于 2011-05-19 22:15 |显示全部

      再通过Xilinx工程师提供的原理图看看，异步模式的原理其实是建立一个异地时钟，利用异步先进先出(FIFO)存贮器作为一个弹性缓存当接受到来自主机的时钟信号，在缓存内与自建时钟进行比较，并通过控制软件反馈给主机，让主机按正确的时钟信息进行调整。


      因此，上述三种方式，均是建立在主机时钟的基础上，只是前2种是以主机时钟为主（归类于同步，意思就是确保与主机时钟同步），而后一种则是以自建时钟为准（归类于异步，意思就是与主机时钟不同步），USB规范中明确对这种双时钟指令冲突的异步方式不赞成的：“Such slips/stuffs will cause audible degradation in audio applications. ”（这种方式会导致音质的退化）； 而微软同样不支持这种异步方式，因此，采用异步模式，只能在内核驱动的基础上，通过自行编写的扩展驱动获得正常运行，而这类驱动是无法得到微软认证的。
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发表于 2011-05-19 22:26 |显示全部

异步也好，同步也好，最核心的问题是：降低数字音频传输过程中的抖动偏差（jitter），提供良好的音质。
       对于jitter除了用耳朵去听之外，目前可以采用Audio Precision 2722A之类专业仪器进行可量化的测试和分析。

       Audio Precision 2722A是AP公司延续了前期工业界标准System One/Two系列产品的最高型号，价值不菲（二手也超过10W），具备 2通道、双模拟/数字测试并带DSP功能，作为行业标准的高精密音频分析仪器，同时也是美国杜比公司测试Digital Dolby/AC-3的指定标准型号。AP2700系列，可以通过控制软件与电脑连接（支持Windows98/2000/XP），可以同时完成多项功能自动测试和实时控制；对于音频设备可以进行电平比率、频率、相位、THD+N（即失真，小于-112dB）、互调失真、噪声、带通幅度、串音干扰、抖晃、抖动等参数测试。其中数字分析已达到单通道192kHz的采样能力，具备全功能界面协议分析：可模仿衰减和抖动信号源； 能测试脉冲幅度，上升和下降时间，抖动幅度和频谱；能进行共态模式幅度，采样速度，同步到输出延迟等等全面分析。总之，是一台很NB的很专业的具备行业标准的测试仪器。
Audio Precision 2722A 2.jpg (, 下载次数:3)

jpg(2011/5/19 22:28:22 上传)

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发表于 2011-05-19 22:33 |显示全部

        对于解码器（DAC）的测试，最常用的两个参考参数就是失真和抖动，这样的测试在 stereophile网站有大量的AP测试图表，有兴趣的网友可以去看看。下面我们用stereophile网站提供的解码器HRT Music Streamer Pro AP测试图表做个简单分析，对DAC这两个关键测试参数，怎么测试，怎么看好和坏，有个初步的印象（同时，可以对比后面挪威人对同一款解码器的测试结果）


    失真 （forvrengning）
    这里测试的失真，主要是指信号传输过程中对原有频率各种倍频的有害干扰-即我们常说的谐波失真（THD）。测量方式一般采用输入一个1KHZ频率信号，通过测试设备进行放大，因此，产生2khz（2次）、3khz（3次）。。。以及更高次的谐波，这些在原信号基础上产生的2倍、3倍、4倍。。。以及更高倍数的谐波，会导致波形走样（产生如图表标识的波形突起），就是谐波失真，理论上，谐波数值越小，失真度越低；同时，经试验发现，噪音多来自高次谐波，并对音质产生影响。这些高次谐波会产生音乐声学中的“不谐和音”，越多，则听感上就越觉得音色粗粝并刺耳。挪威人认为：2次，3次谐波失真，对音质影响不大，而4次及以上的谐波失真，肯定会产生严重的不谐和音，并且在听感上能有所反应。（有意思的是，胆机正是这些规律性并且数值在允许范围内的谐波失真，造成了听感上的神话，因此，可以说，谐波失真是胆机美丽而失真的音色的另一个技术上可证实的依据。）
     这个参数也同时进行本底噪音的测试，一般认为小于-120dB的数据是比较漂亮的。
HRTStreamer2_forvregning2 2.jpg (, 下载次数:5)

jpg(2011/5/19 22:33:14 上传)

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发表于 2011-05-19 22:43 |显示全部

     抖动 （jitter）

      抖动产生的原因，多种多样，一般归纳有时钟精度上的固有抖动(interface jitter)、采样精度上的抖动(sampling jitter)和传输过程的干扰抖动(Noise or Line jitter)，如下图所示:  


测试方式一般采用输入一个简单的固定频率正弦波（例如11.025khz），那么，由于jitter的存在，会产生数个对称的失真（边带）信号。理论上，这些失真的数值越小抖动偏差越小，而这些对称的波形失真之外而产生的失真信号，则是抑制抖动能力的表现。出现非对称波形突起（失真）越多，那么抑制抖动能力越差。有意思的是，挪威人认为：这些抖动偏差，高频部分的jitterstøy，会形成音色主调，而造成音频输出冷或暖的表现，而在中低频部分，则会造成厚或薄的感觉。这与我曾经总结的jitter处理好的声音，会有6种表现类似，处理的好，高频会更加顺滑，减少毛糙感；中低频层次会更加清晰并丰富，充满弹力。
HRTStreamerPro_Jitter 2-1.jpg (, 下载次数:1)

jpg(2011/5/19 22:44:33 上传)

HRTStreamerPro_Jitter 2-1.jpg

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发表于 2011-05-19 22:54 |显示全部

今年3月份，挪威音响杂志《Lyd&Bilde》与法国同行们，对市场上1000克朗到10000克朗的11款USB解码器进行的对比测试，在用AP 2722A进行了相关数据的测试中，他们发现：异步技术在可测量的范围内，并不能提供比同步技术令人满意的数据。

      他们对与测试数据是这样表述的：
      请注意，你不会仅仅通过测量两个参数，就能获得全部真相。 我们不会简单的认为一个测量参数，就可以让我们了解一个产品的声音。 对于穷人（汗。。估计意思是没有条件用AP之类专业设备测试的烧友，包括他们自己，AP是别人借给他们的）来说，或许他的耳朵和主观听感，更保险一些。但是，既然给出了客观的测量的定性指标，那么无论如何，也会成为一个重要参考。
        比较有趣的是：昂贵的DAC并不一定会提供最漂亮的数据；进行测试的两个异步DAC的数据，也是迄今为止最糟糕的表现（虽然主观听感上，他们2个并不是最坏的，但也从来没有处于领先）。可以肯定的是：主观听感上，我们认为最好的声音，是属于那些测量数据同样也是最好的。
Lyd&Bilde.jpg (, 下载次数:2)

jpg(2011/5/19 22:56:50 上传)

Lyd&Bilde.jpg

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