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

      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。

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2011/5/19 21:54:00

       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。

       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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2011/5/19 22:03:36

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。

      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。

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。

        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。

     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。

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。

我们先来看看，AP给的一个理论上完美（jitter）的参考图表，极低的本底噪音(小于-150dB），峰值也小于-120dB,同时，也没有出现任何多余的（非对称）抖动，这样的jitter在听感上基本不会出任何问题。

     我们先来看看2台采用异步技术的DAC的数据。
     1、HRT MusicStreamer Pro，(可对比stereophile网站的测试图，基本无差异）采用异步USB技术，USB输入和XRL平衡输出。主观听感上，比Arcam, Pro-Ject 、Abrahamsen的 USB要好，但觉得卖5000克朗有点过分。（需要注意还有个价格只有1/3的小老弟，同品牌的 HRT MusicStreamer II，参加了测试，数据上反而要比昂贵的这台异步DAC要好一些。）

      失真：采用 USB 24-bit/96 kHz信号。
本底噪音低于-130dB。问题在于，在3次谐波有个很大的失真（接近-70dB）。同时，还看到4、5、6、7。。甚至高达19次的高次谐波。过多的失真，主观听感上，缺乏应有的层次，声音比较粗糙。

     抖动(jitter)：11.025 kHz的测试音。 与Arcam的RDAC（也是异步的）类似，在11.025khz测试音附近有个差不多100赫兹的隆起，但要小的多，，说明低频抖动比并不多，主观听感上，会有个比较快速的低音响应。但不能接受的是，大量的高频抖动，尤其是右边的抖动峰值到了一个相当的高度，而左边也出现了很多不该出现的（非对称）抖动，主观听感上，这些抖动会对高频产生劣质的影响。这个抖动测试，差不多是最差的一个，所以，为了进一步确认，进行了2次测试。与比他便宜的多的HRT MusicStreamer II相比，后者甚至数据上还要好看。主观听感上昂贵的PRO版本，并没有多大优势，选择II代版本更明智些，似乎更对得起你的钱包。

原帖由 西柏坡 于 2011-5-19 23:16:00 发表 加快速度！

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      2、Arcam rDAC，最便宜的采用异步技术的DAC。老牌英国音频厂商ARCAM今年新推出的一款DAC ，采用WM8741 DA芯片，价位跟DACMagic差不多，并同时具有光纤和同轴输入。声音听感上，动态不错，听24bit音场会更好一些。但声底较冷，缺乏足够的低频，觉得跟HD2等相比，Arcam还有很漫长的一段路要追赶。

    失真：采用 USB 24-bit/96 kHz信号。 本底噪声，是所有测试的DAC最低的。，大约在-140dB左右，非常不错。 除了2 、3次 谐波稍高点一点外，5次、7次谐波足够低的峰值，在主观听感上并不会很明显。


     抖动(jitter)：11.025 kHz的测试信号。  Arcam是一个异步的USB DAC。，从理论上说这应该提供最低的抖动。 然而，Arcam的rDAC在抖动的测试中是倒数第2差的数据。 11.025 kHz测试信号附近的巨大突起，这比的任何一台自适应DAC还要突出。 这意味着该DAC有很大的低频抖动，主观听感上，低音会收的很紧，没有足够的细节，并会觉得不自然。此外，在左边，高频抖动峰值过高，也有一些不应该存在的（非对称）抖动，这将会带来更多的不谐和音。的确，在主观听感上，这不是一台很好的DAC，除了低音相对苗条外，但也对得起它的价格。

  3、Hegel HD2：采用自适应同步技术的USB解码器，自行设计的Re-clock电路采用双AKM数字芯片和双晶振组成数字恢复和时钟重整电路以降低抖动，带有1个同轴输出和2个RCA模拟输出。

       失真：采用USB 24-bit/96 kHz信号，本底噪音低于-120dB。很少的谐波，除了2和3次谐波外，没有什么好挑剔的。（值得注意的是HEGEL公司花了5年时间去解决人耳最敏感的谐波失真问题，其专利SoundEngine™和场效应管技术，能有效地减少这种失真，结果是能得到一个清晰，锐利而又充满活力和“耳朵友好”的声音。）

        抖动（jitter）：11.025 kHz的测试信号。 可以看出，实际上Hegel HD2的 jittersignal已低于其本地噪音，抖动峰值几乎可以忽略不计。除此之外，非要说的话，8.2Khz的位置或许有一些情况，但鉴于如此小的数值，会有什么关系呢。这些数据，在实际听感上，得到了进一步的证明。因此，我们认为:HD2在这个价位（相对它的声音来说），没有其他更好的选择了。因此，我们给予它Best Buy，这点没有什么疑问。

看完挪威人的测试数据，作为一个参考。我们来实际听听和验证一下：采用异步技术和同步技术的USB解码器，声音上会有什么表现？
      两个主角一个是意大利的M2T HIFACE，是个USB转同轴的纯数字界面，分别有数字同轴和BNC两个版本，这个小东西现在在涨价，大概1500左右；一个是挪威的HEGEL HD2 ，是一台带有数字同轴输出和RCA模拟输出的入门级USB解码器，国内定价2950元。
      需要注意的是M2T HIFACE的AP测试数据并不差，这里有个评论，也有说到Jitter问题，对比的是美国Bel Canto的USB Link数字界面（售价3000多）：http://www.computeraudiophile.com/content/M2Tech-hiFace-Asynchronous-USB-SPDIF-Converter-Review

测试器材:
音源C DELL T7400工作站（净重70多斤，1000W电源供应，16G内存，作为转盘完胜几款笔记本，过段时间和Mini MAC以及万元级CD来个对比测试）
数字界面和解码：M2T HIFACE 或Hegel HD2 USB转同轴  后端接 Hegel HD10 解码器
功放：力宝声2010S2
音箱：PMC TB2i
线材:信号线 艺康斯"大师"RCA；喇叭线 MS 2.3;电源线 艺康斯“大红”接功放；本坛老赵西电线接HD10；同轴线 The Cine digital SPDIF用于连接HD10与HD2或M2THIFACE.



虽然是同一套系统，但除了保留一条西电电源线外，其他线材全部进行更换，加上声美丽层板和挪威钉的加入。可以说，这些细节上的调整让整套系统的声音发生了变化，某些方面甚至是"质"的飞跃，我花了足足一周的时间来适应这些变化。最大的变化是细节的解析、声音的密度和质感以及大编制下多乐器的还原重播能力大幅提升，更黑更宁静的背景，让很多细微的差距得以更加明晰的表露出来，这无疑更有利于器材之间的对比试听。（替换这套线材，本来还要进行几款数码线的对比，因为系统声音还不稳定，所以，拖了蛮长时间了，这个周末完成这个帖子的测试:http://bbs.hifi168.com/showtopic-189522.aspx,顺便跟提供测试线材的朋友们说声抱歉）

顶不住了，明天待续。。。

原帖由 zmi 于 2011-5-20 7:14:00 发表 学习了，这么多的声卡方面的理论，受教。 请教一下，HIFACE和Hegel HD2的测量数据，哪一个更加好？ 好数据未必有好的声音，好的声音数据肯定会是好的，关心一下。

如果单从jitter测试来看，二者各有所长，HIFACE有更低的本底噪音，曲线稍有不平整；HD2则有更低的峰值，平稳的曲线。由于没有HIFACE更多的测试参数，对于谐波失真等方面无法评价。
好的数据是个前提，后期调教也很关键。君不见“神器”ARK，没有好的后端和周边的一定投入（按小白的说法，ARK是个‘高价姑娘’），想出好声也不容易。我记得许兄（38.5度）说过，他的那套天价PCHIFI系统，如果调较不好，一样出的是“恶声”。
HD2和HIFACE应该都属于容易出好声的东西，走的路子跟MDAC 5类似，在加入比较合拍的后端解码和线材之后，声音都比较讨好耳朵，舒适耐听。

原帖由 mosana 于 2011-5-20 8:06:00 发表 有点纳闷，例如的频率为什么单单是11.025khz呢？高频低频都选一个不是更能说明问题，也许更有特殊性吧。

你拿11.025乘以2或者4，就明白了。数字音频经常使用的采样频率就是11.025kHz、22.05kHz、44.lkHz等。测试仪器也多以这些频率做测试样本。