Асинхронный usb что это

Обновлено: 04.07.2024

И это не просто модное увлечение любителей цифрового звука, а действительно серьёзный способ получения достойного цифрового источника (даже и высококачественного, при определённых условиях) в виде связки компьютер+ЦАП.

Правда, некоторую неопределённость вносит вопрос: почему же производители музыкальных серверов/цифровых проигрывателей класса high-end устанавливают на свои изделия цифровые выходы S/PDIF (RCA, BNC, оптический) и AES/EBU (XLR), а не используют возможности популярного интерфейса USB? Постараемся прояснить ответ на этот вопрос.

В передаваемых через USB-соединение пакетах данных, кроме данных, соответствующих звуковой информации, присутствует также информация конфигурирования, управления и состояния.

Однако этот тип USB-соединения не мог обеспечить высокое качество звука, так как вызывал повышенный уровень джиттера. Кроме этого, преобразователи с USB-входом на базе микросхемы PCM270x, действующие в адаптивном режиме, могли работать с частотами дискретизации не выше 48 кГц и разрядностью до 16 бит, то есть могли обеспечить качество уровня компакт-диска, но не высокого разрешения.

После нескольких этапов развития технологии передачи цифрового звука через USB в 2004 году компанией Wavelength Audio (США) был выпущен первый ЦАП, использующий асинхронный тип передачи данных. Преобразователь и необходимое для его работы ПО под названием Streamlength были разработаны Гордоном Ранкиным (Gordon Rankin). С тех пор асинхронный тип работы USB-интерфейса утвердился как основной для передачи музыкального сигнала от компьютера к ЦАПу, а ПО Streamlength для асинхронного USB используется во многих высококачественных ЦАПах, в том числе таких компаний, как Ayre, Aesthetix, Grace Design, Berkeley Audio Design и др. В настоящее время большинство выпускаемых цифроаналоговых преобразователей, которые оснащены интерфейсом USB для соединения с компьютером, работают по такому принципу.

В отличие от адаптивного, асинхронный тип работы USB-интерфейса для передачи звука является технически более совершенным, т.к. при его реализации происходит не только передача пакетов данных от компьютера к ЦАПу, но и осуществляется обратная связь с компьютером таким образом, чтобы управлять процессом этой передачи данных. Компьютер и ЦАП работают в этом случае согласованно, как связанные устройства.

Интересно, что асинхронный USB был выполнен на основе микросхемы TAS1020B, которая выпускалась одновременно с упомянутой PCM270x. USB-контроллер TAS1020B представляет собой интегральную схему с USB-трансивером, микропроцессором, буфером памяти и интерфейсом I 2 S для подключения к микросхеме цифроаналогового конвертора. В качестве примера на рис. 1 представлена блок-схема ЦАПа на базе USB-контроллера TAS1020B.

Universal Serial Bus (USB) является очень популярным последовательным интерфейсом передачи данных, что компьютеры могут использовать для подключения к внешним устройствам.

ЦАП 4398+2706

Левчук Александр Николаевич©

Проще говоря, эту передачу данных можно представить следующим образом:

USB аудиоданные считываются с жесткого диска и временно сохраняются в основной памяти компьютера. Оттуда каждую миллисекунду поступает на выход USB, где пакет данных, так называемый «кадр», отправляется на микросхему приемника в цифро-аналоговом преобразователе.

Furutech GT2 USB подключение

SB 2.0

USB и ЦАП

Сторона USB-приемника (то есть ЦАП) имеет буфер для входящих данных, и чтобы гарантировать, что он не будет ни полным, ни пустым, компьютер должен быть синхронизирован с USB-приемником в цифро-аналоговом преобразователе. Для этой задачи используется так называемый изохронный режим передачи (также есть режимы прерывания, группового и управления). Изохронный режим имеет три подгруппы: одна говорит о синхронной, адаптивной или асинхронной передаче данных.

Синхронный, адаптивный и асинхронный режимы в ЦАП

Furutech GT2 USB + ЦАП R2R11

USB 2.0 A-B

Однако в асинхронном режиме восстановление тактовой частоты, выполняемое контуром управления ФАПЧ, но не зависящее от главных часов компьютера в цифро-аналоговом преобразователе, определяет время, в которое синхронизация независимо от недостатков компьютера и от шины USB вызывает джиттер.
Отношения ведущий / ведомый изменяются на обратное: теперь часы в цифро-аналоговом преобразователе (внешний ЦАП) работают, и через аудиоконтроллер USB устанавливается контур обратной связи, который гарантирует, что компьютер имеет буфер на входе USB в правильном измерении, т.е. не позволять ему работать пустым или полным.

подключение USB к ЦАП

Для того, чтобы вывести звук из компьютера в микроконтроллер, у современного распространенного компьютера есть четыре подходящих интерфейса: Ethernet, Bluetooth, USB и S/PDIF. В МК, три из них требует использования внешнего железа (S/P DIF вход напрямую стал поддерживаться начиная с STM32F446), а Ethernet, кроме того — еще и специального драйвера на стороне компьютера. Поэтому выбор пал на USB.

Архитектура шины USB предполагает, что все данные передаются пакетами. Пакеты объединяются в кадры. Кадры отделяются друг от друга специальными маркерами (это просто один из видов пакетов) — SOF, в котором передается 11-ти битный номер кадра и другая информация. Спецификация USB Audio class определяет, что для передачи звука используется изохронный тип передач. Это значит, что звуковой сигнал поступает пакетами с интервалом 1 миллисекунда. Поскольку Для синхронизации поступления данных от USB и вывода их в ЦАП стандарт определяет три типа синхронизации:
-синхронный, когда частота воспроизведения выделяется из частоты маркеров SOF;
-адаптивный, когда частота воспроизведения подстраивается на основе частоты маркеров SOF;
-асинхронный, когда устройство само генерирует частоту воспроизведения, а ее отношение к частоте маркеров SOF передает в специально выделенную конечную точку (explicit feedback endpoint).
Первые два алгоритма требует использования петли ФАПЧ, поскольку для работы сопременных ЦАПов с передискретизацией нужна опорная частота, так называемый мастерклок, кратный частоте дискретизации аудиосигнала. Третий алгоритм требует организации петли обратной связи. В процессорах STM32 существует аппаратная поддержка как для петли ФАПЧ (из внешних компонентов нужен фазовый детектор, ФНЧ и ГУН) — путем вывода сигнала SOF на вывод PA8 и деления мастерклока кодека таймером в 256 раз — так и для асинхронного режима: таймер 2 умеет измерять период сигналов SOF относительно своего источника тактирования. Используя в качестве источника тактирования таймера мастерклок кодека, напрямую измеряем отношение мастерклока к SOF, а, поскольку оно является кратным к частоте дискретизации, — то и требуемое стандартом Fs/Fsof.
Для этого таймер 2 настраиваем с внешним тактированием от сигнала ETR, сбросом от канала 1 и захватом канала 1. Сигнал SOF при этом аппаратно передается в процессоре от модуля USB в канал 1 таймера 2.

Чтобы рассказать хосту об используемом способе синхронизации, нужно изменить дескриптор интерфейса — это самая простая часть,
.
Кроме нее, потребуется изменить дескриптор конечной точки для приема аудиопотока (меняем тип синхронизации и адрес конечной точки синхронизации) и дописать дескриптор конечной точки синхронизации

Поскольку в асинхронном USB аудио синхронизация идет с помощью изменения длины пакета данных в кадре, код приема данных в кольцевой буфер должен учитывать длину принятого пакета.

Дальше — сплошные грабли. В виде неотключаемого фильтра четности фрейма на конечных точках.

Обработчик маркера SOF обновляет данные для конечной точки синхронизации

Если данные успешно отправлены — все повторяется

В обработчике прерываний от DMA аудиокодека обновляем положение указателя буфера чтения

В архиве USB_STM32F4 версия с подключением внешнего генератора (на PC7, PC9, PA15 — осциллятор 12,288 МГц), USB_STM32F4_int_osc.zip — с PLLI2S в качестве источника тактирования, требуется только перемычка PC7-PA15
UPD: Обновил вложение с USB_STM32F4_int_osc.zip, была небольшая ошибка, из-за которой звук не включался
В заключение, выражаю свою благодарность автору проекта audio-widget Børge Strand-Bergesen и Dr. Tsuneo Chinzei.
UPD:Обновил вложение (768khz.zip), теперь там еще и стереокодер для ФМ-вещательного сигнала (вывод PA5) и исправлен хруст в звуке в кодеке. Схема подключения DDS AD9951 и микроконтроллера в архиве.

UPD2:Добавил возможность выбора нескольких частот дискретизации и разрешения (16 бит — до 192 кГц,24 бит — до 96 кГц), работа с обратной связью улучшена

Родина данного устройства вовсе не Китай, а бывший соратник по социалистическому лагерю- Болгария.
Устройство построено по типовой схеме, сердце которой, популярный ныне специализированный чип XMOS.

Привожу заявленные параметры :

XMOS 500 MIPS processor
Sampling frequencies: 44.1kHz, 48kHz, 88.2kHz, 96kHz, 176.4kHz, 192kHz, 352.8kHz and 384kHz
16-, 24- and 32-bit resolution
DSD Audio over PCM frames. DSD64 (2.8224MHz and 3.0720MHz) and DSD128 (5.6448MHz and 6.1440MHz) by method DoP with 0x05/0xFA markers
DSD Native DSD64 (2.8224MHz and 3.0720MHz), DSD128 (5.6448MHz and 6.1440MHz) and DSD256 (11.2896MHz and 12.2880MHz) on Linux and MAC OS
DSD Native playback is available on firmware versions 3.06 and above
Directly supports PCM1704, PCM63, PCM61, PCM58, PCM56, AD1862, AD1865, AD1861, AD1860, AD1851 and other compatible with listed DACs
Galvanic isolation (outputs, two oscillators and reclock are after the isolator)
NDK NZ2520SD low jitter oscillators 45.158MHz and 49.152MHz
Input for external master clock
LP5900 ultra low noise linear power regulator
No switch mode power supplies in the PCB board
Output for DAC configuration in DSD mode
I2S, right-justified data or left-justified data (external pin configuration) in 32-bit (channel frame)
SPDIF output (through DA101C/DA102C transformer)
44.1kHz, 48kHz, 88.2kHz, 96kHz, 176.4kHz, 192kHz (16-24 bits)
I2S, LJ, RJ and S/PDIF outputs work simultaneously up to 192kHz
Automatic detection of data type (PCM or DSD)
Master clock outputs: 45.1584/49.1520MHz and 22.5792/24.5760MHz (I2S2.5792/24.5760MHz are reclocked by edge from 45.1584/49.1520MHz)
Three different ways to power the board, possible configurations:
Power by USB bus
The USB part is powered by USB bus, but the generators and the reclock are fed by a separate external power supply -Both the USB part and the generators with the reclock are fed by two different external power supplies. -Dimensions: (LxWxH): 64.0 x 42.3 x 13.9 mm

Драйверы для выложены на сайте производителя.

Сам производитель вполне дружелюбен и общителен, я общался с ним по Skype причём по русски)

Все перечисленные характеристики типичны для данных устройств, кроме одной — работа в режиме NOS. Данная опция позволяет подключать к устройству напрямую чипы DAC, заявлена поддержка PCM1704, PCM63, PCM61, PCM58, PCM56, AD1862,AD1865, AD1861, AD1860, AD1851

При желании реализовать цифровую фильтрацию и (или) оверсэмплинг, можно на компьютере, чьи возможности гораздо шире, чем обычной микросхемы цифрового фильтра. Конфигурируемый выход данных выполнен очень удобно ( по крайней мере для меня)и позволяет установить необходимую плату DAC сверху «Этажеркой»

Заключение

Несколько лет назад я приобрёл несколько подобных устройств и выполнил на них ЦАП(ы), я использовал микросхемы AD1865K, PCM63K результат меня порадовал. Изделие выполнено на хорошем уровне и имеет не очень высокую стоимость 67 евро.

На момент написания появилась уже новая ревизия платы, с некоторыми усовершенствованиями.

Читайте также: