为PC HiFi而做的USB解码器.docx

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为PCHiFi而做的USB解码器

为PCHi-Fi而做的USB解码器

作者/卓韦

【期刊名称】电子制作

【年（卷）,期】2015（000）021

【总页数】6

从Hi-Fi的角度来看，电脑播放音乐的效果总是不那么令人满意。

贵价的声卡基本上都是为游戏而设计的，注重音效而难以兼顾保真；专业声卡虽然注重保真却又不能兼顾娱乐性。

S/PDIF端口在笔记本电脑上并不像台式机那样普及，想要用外置的独立解码器，就只有选择USB了。

经过相当长一段时间的准备，最终发现可选的方案并不多。

USB解码器的实质是将USB总线转换为I2S总线，然后送给DAC进行解码。

如果把USB只是看作一个接口，它与标准的解码器在原理方面并无差异。

这款USB解码器虽然最高只能支持24bit/96kHz，规格貌似落后了一点儿。

但它目前最为成熟的方案，可参考的范例也最丰富。

对于业余DIY而言，总是要好过单单锻炼焊工而标称性能更好的方案。

把它装进废弃的光驱外壳里，则是因地制宜的设计。

USB转I2S的三类方案

⑴.有I2S输出功能的单片型USBDAC芯片

这类方案的DIY难度相对来说是最小的，虽然性能有限，但成本低，可选方案也还算丰富（表1）。

如果算上有S/PDIF输出的，可选方案就更丰富了。

但是如果不是分体式设计，还要将S/PDIF转换为I2S，对这个档次的设计来说，就有些画蛇添足了。

飞利浦的UDA系列性能是不错的，只是早已经停产，可参考的设计不太容易找到。

Micronas的UAC系列支持USB2.0规范，但是其产品定位于OEM市场，不容易买到，参考设计也同样不容易找到。

C-Media的产品定位于PC市场，设计方法有其特殊性，DIY的难度要大一些。

因此目前公开的方案，以PCM2706最常见。

⑵.STC芯片

STC（USBStreamingController，USB流控制器）应该算是USB解码器的最佳选择。

它的集成度高，性能比单片型USBDAC芯片的附属功能好得多，成本也适中。

不过目前大品牌的产品并不多。

只针对OEM市场产品虽然也有佼佼者，可是因为此类器件的设计资料一般是不公开的，除了购买DIY市场的成品板比较容易之外，业余DIY会受到诸多因素的制约。

表2之所以列出了技术手册的公开情况，就是因为器件的参考设计对于业余DIY设计来说是至关重要的因素之一。

表2中，USB总线规范与USB音频规范（USBAudioClass）是从属关系，并不是一回事。

USB音频设备只有同时遵循这两个规范，与电脑连接时才能即插即用。

即便是支持异步USB模式，编写了独立的驱动程序，也还是要在遵循上述两个规范的基础上进行功能拓展。

USB音频规范2.0发布于2009年，向下兼容1998年发布的1.0，主要的改进一是在USB高速模式（480MHz）下不再受限于96kHz/24bit规格，支持当时所有已经实用化的采样率，说白了就是192kHz/24bit规格。

二是支持多声道，96kHz/24bit规格可达60个通道。

2.0版本2010年进行了更新，开始支持384kHz/32bit，但Windows的支持有些滞后，有时候需要额外的驱动程序才行。

关于DSD的支持，是指IC自身的硬件处理能力。

与电脑对DSD的支持程度无关。

“比特流”（bitstream）意思是指IC能够通过总线方式传输DSD格式的数字音频信号；“S/PDIF传输”的意思是IC的S/PDIF输入/输出通道作为一个“过境”通道；“DSD→PCM”的意思是IC可以把DSD格式转换为PCM格式，由于电脑并不会输出DSD格式的数据，因此仍然不是DSD直接解码。

※TAS1020/A/B仅I2S输入/出模式下支持异步模式。

虽然STC集成了MCU内核，允许用户外接EEPROM进行编程（固件），但EEPROM的容量有限，STC集成的存容量也很有限。

因此这方面的性能与表1所列的单片型USBDAC芯片差不多，即便是显示采样率与量化精度这样的简单信息，也很难实现。

⑶.基于单片机的电路组件

采用独立的单片机，前面加上USB接口电路，后面加上DAC芯片，这样的三片式组合能够弥补STC的短板，理论上甚至可不再受USB音频规范的锢囿，最大限度地发挥设计者的自由度。

单片机可以是通用型的MCU，也可以是FPGA或者CPLD，设计的灵活度不同，成本也有差异，但

功能上是大同小异的。

这种方案需要设计者自主开发操作程序和驱动程序，复杂性比较高，目前是清一色的软硬件结合的成品板，业余条件下的DIY还见不到公开的范例。

这类方案的典型特征：

◆硬件支持异步USB。

◆硬件支持44.1kHz/48kHz两种采样率的时钟，即采用不同的晶振分别对应44.1kHz/48kHz的采样率。

◆至少支持192kHz/24bit，近期产品大都支持384kHz/32bit；

◆低抖动（jitter）。

那些无抖动的说法是有待商榷的。

◆板级解决方案。

◆支持USB2.0总线与与音频规范。

板级解决方案的意思是你拿到手的已经是功能完整的电路板，如果不是做产品，动手与创新的乐趣已经很少了。

有些组件是功能完整的解码板，动手的乐趣就更少了。

但由于理论上的性能最优，虽然价格昂贵，商业噱头也多，这类方案仍然是目前最受追捧的热点。

此类方案的选项同样不多，美国XMOS的系列产品目前是唯一而绝对的主流，新版本的XMOS芯片已经集成了USB接口电路（图2左），简化了两片型方案。

除此之外，XtremeUSB的XD系列、M2Tech的M2TOEM-01、AudioByteSonore（图2右）等也是值得一提的，只是与XMOS相比，显得有些稀少而不易买到罢了。

Audio-ByteSonore是隔离方案，而且使用的通用芯片（ATSAM3U2C+SPARTAN-6），价格与XMOS相当（350美元左右）。

至于目前充斥于DIY市场上的廉价OEM组件，个人观点，选它们可能还不如本案。

从这个意义上来说，TAS1020的性能看其来虽然有些落伍，但却是目前最符合业余DIY要求的一个。

异步USB

说到“异步”，很容易让人联想到“同步”，进而联想到当前的USB设备大都采用的是“同步”模式，再想当然的认为，既然是“同步”，就必然是理论上的，时钟误差以及抖动（jitter）必然存在，异步自然最优。

但事实并非如此，采用同步模式的USB设备很少，民用音频设备基本没有。

USB设备普遍采用的是自适应模式。

要搞清楚上述概念间的关系，首先要明白数据传输并不是按单个“字”（bit）或字节（byte）依次传输的，而是将数据“打包”传输的，传输方“打包”，接收方“解包”。

要保证“打包”前与“解包”后的数据完全一样，就必须保证时钟完全一样，这在实践上是不可能的，时钟的精度和稳定度才因此显得非常重要。

其次是USB传输的基本过程：

USB音频规范（USBAudioClass）规定的数据传输周期为1ms，即每隔1ms传输一个数据包，每个。

USB设备接收了主机传输过来的数据包，利用FIFO（先入先出）缓存先把数据暂存，恢复时钟与数据后再以总线方式送给后续电路。

如果主机按照上述规范每次传送一个固定大小的数据包，这就是同步模式（Synchronous），控制机制上最为简单。

但音频数据是实时性的，不同规格的音频数据，数据量也不同，如双通道96kHz/24bit的音频数据，每字节的数据量为每毫秒576字节，48kHz/16bit则是192字节。

数据包的大小是固定的，即便是在理想条件下，也会出现音频数据的中断或溢出，就更不用说时钟的抖动肯定是会有的情况了。

如果主机根据需要控制数据包的大小。

忽略最简单的方案就是按照每字节的数据量的整数倍来确定数据包的大小，理想条件下就可以避免数据的中断和溢出。

这就是自适应（Adaptive）模式。

如果主机能够根据USB接收端的反馈信息来调整数据包的大小，这就是异步（Asynchronous）模式。

这种“自下而上”的模式虽然能更接近实际情况，但由于“从设备”（USB接收端）要获得“主设备”（主机）控制权，这就涉及到操作系统的安全机制问题，因此目前的操作系统还都不支持这种模式。

这也是异步模式目前无法实现即插即用，都需要独立驱动程序的原因之一。

无论是何种模式，核心的问题是抖动（jitter）的问题。

抖动的产生并不限于传输过程，时钟本身的固有抖动以及数字音乐信号的采样抖动都会影响数字音乐信号。

另一方面，同步模式与自适应模式都是以主机时钟为基准的，而异步模式则是以“从设备”（USB接收端）自建的时钟为基准。

重建高性能的时钟并非易事，对电源的要求也是很高的。

从听音实践上来看，说异步更好，目前还缺少足够的佐证。

只要抖动问题处理得好，自适应模式并不差。

顺便要说明的是，TAS1020/A/B支持两种工作模式，一是使用集成的MCU内核的普通模式，表2的注解就是基于这样的前提；二是使用独立的外部单片机系统的模式，此时的TAS1020其实就变成了单纯的USB接口电路，整个系统和“基于单片机的电路组件”的方案是一样的，支持异步USB自然也是没有问题的。

电路原理

综合各方面的因素，选择了TAS1020B（图3），USB传输与数字解码为自适应模式，本机与主机之间进行了隔离。

DAC选择了性能比较高的CS4398，给未来的升级改造预留了空间：

选择更高性能的STC芯片或者异步USB组件，抑或选择更高性能的时钟，如温补晶振；也可以构建听感更好的模拟输出电路。

TAS1020B需要外接EEPROM来存储固件，可以向编辑部所要编译好的固件文件。

TI的参考设计也提供标准的固件，可以从官网下载，经过简单修改就可以用。

其实所有的STC芯片所用的固件都是很短小的程序，EEPROM的烧写与单片机也是一样的，而且对烧写器没有特别要求，常见的烧写器大多都是可以用的。

电脑系统的电磁环境远比一般的音频系统要复杂，“隔离”好处就不用多说了，但也不应抱有太高的期望。

要降低可闻的噪声，布线是关键，地线则是关键中的关键。

ADuM1400采用的是磁隔离技术，除了功耗低，稳定的电流传输比、线性的传递函数、低温度系数也是其优点。

但是低功耗也意味着驱动能力差，抗过载能力也不如光耦，关键是成本高太多了。

因此控制逻辑选择了光耦来承担。

实际上，图中的三个光耦一完全可以用一片ADuM1400来替代，电路形式也就更简单了。

输入地（主机地）与本机地之间串接了10M的电阻，避免地线之间的阻抗无限高而带来射频干扰的问题。

同样，解码与模拟输出部分的“地”串接了一个磁珠，也是为了抑制高频串扰。

三只光耦中，U1、U2负责设定CS4398的工作模式；U3负责上电复位的同步。

CS4398的9～12脚为工作模式设定端子，或者说是对数字音频信号的支持与处理方式。

11、12脚定义的是数据格式，图示接法表示数据格式为I2S，最高量化精度为24bit。

9、10脚定义的是超取样率，共三种模式可供手动选择或者由系统自动判断：

一是单速模式（Single-Speed），最高支持50kHz的采样率，超取样最高支持128倍；二是倍速模式（Double-Speed），最高支持100kHz的采样率，超取样最高支持64倍；三是四倍速模式（Quad-Speed），最高支持200kHz的采样率，超取样最高支持32倍。

详见CS4398的技术文档。

图示接法为自动方式，由TAS1020B会自动检测数字音乐信号的采样率，由此来确定CS4398的超取样参数。

CS4398有独立的DSD解码通道，支持直接解码DSD数据。

不过图中将它的1、2、28脚接地了，相当于把这个功能直接停掉了。

这是因为SACD机目前还不支持DSD输出，而电脑即便播放的是DSD文件，也是经过了PCM→DSD这样的变换。

解码器再进行PCM→DSD变换，就有些画蛇添足了。

如果CS4398用于SACD机内，这个功能还是很有用的。

这里选择CS4398并不是因为它比PCM1794、AD1995之类的DAC芯片的性能更高，而是因为之前已经用它和DIR9001搭配，做过标准型的解码器了。

有了上次的经验，这次就可以针对地线的布线以及数字电路与模拟电路的地线如何独立布线进行了优化。

模拟滤波兼作平衡转单端电路所用电阻应该进行筛选以尽量保证阻值精度。

电源电路（图4）使用了两只工频变压器分别给数字电路与模拟电路供电。

TAS1020B和ADuM1400以及光耦（PC817）主机地一侧的供电则取自USB总线。

除了IC2，其余的三端稳压都是常见的标准接法。

IC2接成了恒流源形式，充当并联稳压接法的TL431的有源限流“电阻”，除了限流，IC2还兼有限压与电子滤波的作用。

并联稳压电源的内阻低，瞬态反应速度快，有利于挖掘CS4398的潜力。

对于只有一个绕组可用但需要对称双电源的情况，±15V电源的整流方式很实用，但不适用于大功率的场合。

如果是自制电源变压器，桥式整流也是不推荐的，个人推荐的方式是全部用全波整流，就像3.3V电源那样的。

CD4013（实际用的是与之等价的K561TM2）构成了软开关的逻辑控制电路，S1手动控制开关，最终控制市电通断的则是光耦（MOC3082），它同时也是市电与USB总线的隔离器件。

这部分电路的供电则取自取自USB总线。

不过，这部分开关控制电路并没有控制图3中的IC1。

换言之，这台解码器必须与工作中的电脑连接才能进行开关，而且不管解码器是否在工作中，由IC1供电的电路始终都处在工作中。

虽然相关电路的功耗很低，未来的改进设计，应该选用有使能控制功能的LDO。

制作与调试

印版图是用Sprint-Layout绘制的，编译输出的图样（图5）可能会有差异，需要原始文件的可以向编辑部索取，但前提是你的电脑里安装有Sprint-Layout。

这是一款好用而且免费的印制板图绘制软件，只是它并不支持原理图的绘制。

印制板的制作这里就不赘述了，因地制宜，各人有各人的方法。

装配无误的解码器（图6），声音表现远比它的外观（图1）要靓得多。

如果你有条件并且不太在意成本，制成双面板，选择更漂亮的外壳，当然会更好看一些，至少对我们心理的影响是这样的。

用电脑播放音乐时所用的软件是Foobar2000，输出插件选择“WASAPI”最为理想。

重采样率的设置成96kHz时，基于IntelAtomCPU的电脑，Foobar2000设置界面中勾选“超强模式”（UltraMode）大多情况下是不行的，声音听起来怪怪的，不大对头。

也许是不能选这么高的重采样率，或者说，不支持这么高的采样率变换。

这或许是个例，但是不是就是仅仅和电脑硬件配置或者软件有关系，目前还没有进行深入的尝试。

不同的超取样率设置，CS4398的声音表现有很大的不同，四倍速模式的低音听起来更强劲，这让人有点儿疑惑，有待经一步的深入探索才有可能完全搞明白。

对于PCHi-Fi来说，解码器无疑是一个关键。

但PCHi-Fi是个“跨界”的系统，Hi-Fi音响系统中至关重要的音源软件（如CD碟）与音源设备（如CD机）都是由电脑来担任的。

要想PCHi-Fi，Hi-FiPC无疑很关键，却又是容易被忽略的部分。

而且目前不但软硬件系统还无章可循，正确的理念也还没有形成，就更不用说成熟了。

相关论坛讨论的热点目前很多都还停留在这样的PC应不应该用风扇散热的问题上就是一个明证。

尽管如此，一台好点儿的解码器，还是能让我们品尝到更多的音乐美味。

如果你刚好也DIY了一台Hi-FiPC，那味道就更独特了。

DOI:

10.16589/11-3571/tn.2015.21.017