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USB音频的基本原理

XMOS首席技术专家Henk Muller?? 2014年12月23日 ?? 收藏6
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。

USB基本原理

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。

作者:XMOS首席技术专家Henk Muller
作者:XMOS首席技术专家Henk Muller

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。

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。

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OUT 1KB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。

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。

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。

USB帧中制定了所有的传输类型。高速USB帧的长度为125μs(Full Speed USB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。

USB音频

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)。

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。
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。

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。

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。

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。

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(High Speed USB)——全速USB(Full Speed USB)在48kHz时无法运送多于一个立体声IN和OUT对。

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。

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USB? 数字音频? 晶振? 时钟源?

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