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尝试从原理上说明为什么前端(PC或其他设备)会对异步USB产生影响

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发表于 2019-3-22 11:41 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 andygaof 于 2019-3-22 11:57 编辑

上海?#20849;?#23637;时间要晚上22点开始,现在闲着,写个干枯无味的文。有兴趣的同学可以瞧瞧。上海的同学如果有兴趣可以明后天来华亭宾馆荟萃厅2找我面基。

尽管很多有发?#31449;?#39564;的同学从?#23548;?#19978;知道,PCFi优化过程中加入USB隔离或者界面等设备会对声音改善起到作用。但是仍然有很多同学认为异步模式是可以搞定一切的。这里从原理上尝试说明为什么USB异步模式下,前端仍然会影响声音质量。

首先,再次强调影响声音质量的不是误码。01党,不要再讨论误码率的问题,我认为以当前数字通讯的技术,如果仍然出现一定比例误码,除非是遭遇环?#36710;?#19981;测(例如找了一根坏?#35828;腢SB线)那么是设计的?#29616;?#38169;误。

以下图片来自XMOS官方文档,链接https://1m2n3b4v.xmos.com/developer/download/private/xCORE-200-Clock-Frequency-Control%281.0%29.pdf



从这个图片上可以看出,在XMOS的设?#35780;錚琗MOS提供的USB输入时钟与系?#36710;?#21442;考时钟是物理连接在一起的。也就是说,前?#35828;?#22122;声可以通过USB电路影响到XMOS的参考时钟,而XMOS的参考时钟与最终的音频播放时钟是息息相关的。一般前端没有处理过的PC,会有高达200mV的纹波(也就是干扰),这会对XMOS的参考时钟产生巨大的影响。也就是对于音频播放会有巨大的相位噪声产生,而相位噪声会最终影响参考时钟的jitter。而参考时钟是用来生成44.1KHz等音频时钟?#27169;?#36825;个钟一旦有大的jitter,那声音就难听了。

目前主流的USB优化方案在两个地方发力。

一个是USB?#25442;?#23601;是尽最大努力的?#26723;?#21069;端USB输出?#35828;?#24178;扰。这一方案还有两个分支

* 优化USB产生端,也就是优化PC,通过线性电源等方式,或者把高噪声PC更换为低噪声的各种派。更有效的是用好的线性电源加上低噪声的各种派

* 在USB线路上串接一个过滤器,对于过滤方案,由于没有过滤设备可以有效的处理所有频段的噪声,天知道前端PC等设备的噪声发生在?#20999;?#39057;段。所以有时候过滤方案非常好用,有时候几乎没啥影响。

第二个是重整,也就是我们常说的界面

第一类界面的思路是,XMOS发过来的高抖动数字信号(在正常情况下不管抖动的多厉害,都不会误码,只是不好听),通过一个隔离器件后缓冲过来,用FPGA或者其他芯片配?#32454;?#31934;度时钟,从新以准?#36820;?#26102;钟发送出去。也就是说,界面里面通常同?#22791;?#20102;?#25442;?#21644;重整两件事。只不过它的?#25442;?#26159;在XMOS后面,普通的USB?#25442;?#26159;在XMOS前面。重整部分则?#29616;匾览等?#20010;部分的设计水平。

一个是供电,如果FPGA时钟供电垃圾,那么显然重整后的时钟也准确不到哪里去。老外的很多界面干脆把锅甩给用户自?#28023;?#19981;带电源或者带一个垃圾电源。也有再额外设计一个牛逼电源从而赚取更高的利润。国内商家大多数是集成一个电源,但是相比老外的方式也少了进一步通过牛逼电源提升的可能性。对有些发烧?#35759;?#35328;,这个是周瑜打黄盖的问题,只要搞死了曹操(声音变好了),可能什么都?#32454;桑?#25152;以国内国外厂家那个对没有定数。但是显而?#20934;?#30340;是外置电源从理论上可以把噪声水平做的更低,设计水平一样的人做出来的电源,肯定是分体的噪声更小。

一个是XMOS或则其他界面电路到FPGA重整部分的隔离水平,这个不用说,隔离的烂,后面的时钟精度也好不到那里去。这个是厂家的能力问题。由于只能大概看到不同厂家的电路板,没法准?#25918;?#26029;,这里不予讨论。

最后一个是FPGA做时钟重整的算法?#27809;擔?#22909;在这个地方相对而言比较简单,只要FPGA设计经验没有什么欠缺,一般不会有太大的纰漏。但是无论如何,这个处理方法的不同还是会对最终的输出时钟精度产生比较大的影响。所以这个也是厂家能力问题。由于看不到各个厂家的源代码,这里仍然不予讨论。


第二类界面的思路是,重整USB。这个目前看只有熊猫视听代理的一个德国产品?#22270;?#20809;鼠先生的作品。除了?#25442;?#20043;外也重整了USB信号,这个时候可能会有疑问,重整USB时钟有什?#20174;茫?#20107;实上如果时钟精度低,换个角度说是时钟的相位噪声大。这个相位噪声仍然会干扰到后?#35828;?#26102;钟,所以前面用高精度时钟,某种角度也是?#26723;?#22122;声。显然是有意义的。

最后引用我目前认为最牛逼的数字厂家MSB的说法,http://www.msbtechnology.com/accessories/isobase-features/

Digital audio is all about timing. The further we press the limits of clock precision the better sonic results we experience. But with all that precision comes a real vulnerability to noise.

我个?#35828;?#19968;点翻译,不是特别精确,大家凑合看。“数字音频的一切都关乎时钟精度,时钟做的越准,我们的听音体验就越好。而所有一切的根源在于——噪声。”在MSB这段文章里甚至提到了5W LED灯泡,WiFi,蓝牙等高频噪声的影响,英文好的同学可以看看。

所以最终,我想说。不是USB一定不好声,而是不干净的USB一定不好声。在给定解码器的前提下,只要这个解码器的USB部分设计的没有问题,?#24067;?#35282;度一切看我们对噪声的处理水平。软件的影响我找时间再开一贴继续水。


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发表于 2019-3-22 12:47 | 只看该作者
MSB新出了个USB转光?#35828;?#30028;面哦 可以隔离噪声

界面很便宜。。。。虽然只能接他们自家最新款DAC
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发表于 2019-3-22 13:07 | 只看该作者
很好,不玄啊
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发表于 2019-3-22 13:12 | 只看该作者
学习中,谢谢楼主
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发表于 2019-3-22 13:16 来自手机 | 只看该作者
所以说啊,声音不?#20040;?#37096;分都是垃圾pc转盘的原因。。话说这里懂得什么才是好声音的人,不多
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发表于 2019-3-22 13:18 | 只看该作者
学习了
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发表于 2019-3-22 13:20 | 只看该作者
好?#27169;?#20808;顶后看!
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发表于 2019-3-22 13:21 | 只看该作者
本帖最后由 qq1653304183 于 2019-3-22 13:23 编辑

系统时钟是从外部输入的CLK开始?#21046;党?#26469;?#27169;?#23427;就?#21069;?#23376;上的高精度晶振,USB_CLK则是从上述时钟源进一步?#21046;党?#26469;的。
别看图上?#25442;璘SB_CLK的?#21046;擔?#20180;细看pdf文档,输入CLK?#27573;?#24456;大,但USB_CLK只能取24M或者12M,因此不可能不做后续处理。
也就是说,USB接口那边的时钟质量并不会影响到系统本振时钟质量。
一言以蔽之,水是从狼那里流到小羊这边?#27169;?#32780;不是从小羊这边流到狼那边的。
但是狼为了吃小羊,非要说?#20999;?#32650;弄脏了河水。

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发表于 2019-3-22 13:31 | 只看该作者
先解释下,啥是前端噪声,前端噪声是怎么通过USB到XMOS?#27169;?/td>
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 楼主| 发表于 2019-3-22 14:35 | 只看该作者
本帖最后由 andygaof 于 2019-3-22 14:40 编辑
qq1653304183 发表于 2019-3-22 13:21
系统时钟是从外部输入的CLK开始?#21046;党?#26469;?#27169;?#23427;就?#21069;?#23376;上的高精度晶振,USB_CLK则是从上述时钟源进一步?#21046;?...

?#21046;?#26159;肯定有?#27169;?#21542;则USB没法工作,但是有物理非隔离连接的时候,噪声被自动?#35828;?#20102;么?纹波是会传递过去?#27169;?#25105;说的是影响reference时钟的相噪,这个与有没有?#21046;?#27809;有什么关系。

先不说别的首先如果不做特殊处理,这一段电路必然是共地?#27169;?#36825;个一点您不会有意见吧?那么地线上的噪声必然会影响reference时钟的精度,造成抖动。在绝大多数厂家的XMOS设计中我是没有看到这一段有地线隔离处理的。貌似也很难隔离,与前端时钟输入源不共地的设计也会有问题。

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发表于 2019-3-22 14:48 | 只看该作者
不错的科普,学习了
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 楼主| 发表于 2019-3-22 14:50 | 只看该作者
芝麻汤团 发表于 2019-3-22 13:31
先解释下,啥是前端噪声,前端噪声是怎么通过USB到XMOS?#27169;?/blockquote>

前端噪声请不要误会成可以听到的噪声。这里是电路上?#27169;?#27604;如我应该给您一个5V的直流电。但是电里面混合了其他频率的电,那么那个多出来的就是噪声。

如果是PC的话非常容易解释,如果是各种派稍微复杂一点。首先任何的机械转动一定会产生电路噪声,例如机械硬盘,CPU风?#21462;?#36825;些都会产生噪声,这个是PC不干净的主要原因之一。其次开关电源必然产生噪声(这个噪声做的牛逼可以?#35828;?#32477;大部分,一般PC电源不会很多考虑过滤,噪声很高,但是并不影响0/1识别),PC一般以开关电源为主,所以综合起来,通常的PC实测一般都有150-300mV的噪声,这个噪声对音频的时钟精度而言是比?#29616;?#21629;的。处理不掉就不好听。

各种派的噪声主要来自与板子上的开关电源和你用的那个外置电源,由于各种派没有太多的电压要处理,电流和功?#23460;?#23567;,(PC电源现在恐怕没有个300W都不好意思拿出来卖,各种派有个15W都算很大的了)所以开关电源比PC少很多,大多数是外置电源和板子上各一颗芯片就搞定了,但是仍然会有一定的噪声。树莓派在实测的时候,输出噪声在大概30-50mV左右的均值(与你用的电?#20174;?#20851;系),但是偶尔会抽风到130几mV去。如果是线性电源,大概能降到20mV。有些派可以到十几mV而且没什么发神经的情况。


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 楼主| 发表于 2019-3-22 14:51 | 只看该作者
phoexi 发表于 2019-3-22 12:47
MSB新出了个USB转光?#35828;?#30028;面哦 可以隔离噪声

界面很便宜。。。。虽然只能接他们自家最新款DAC

心水reference很久了,但是米不够。
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 楼主| 发表于 2019-3-22 15:04 | 只看该作者
本帖最后由 andygaof 于 2019-3-22 15:25 编辑

这里可能要解释一下为什么01不出错而声音不好听的问题

看一下下面这个图:



01在?#23548;?#32447;路?#20889;?#36882;的时候绝不是大家想象的那种四四方方的波形,而是像上图signale in cable一样的那种波形(在电路板里也一样)。这种波形不断的叠加在测试设备上会形成一个类似眼睛形状。我们称之为眼图。



那么识别01的时候,抖动一点是无伤大雅?#27169;?#22240;为只要取这个值的时候,能识别成1或者0就行了。大体上在我标红的那一段?#27573;?#20869;取就不会错。所以数字传输很少会误码。



但是音频回放是不可以?#27169;?#21482;要错了就会声音质量下降。我们看下图



左上角是没有jitter的情况下,每个时间间隔(每段蓝色先时间间隔一致)都很准的还原波形,左下角是时间间隔发生错误(蓝色线时间间隔发生抖动)还原出的波形,右上角是两个波形的比较。,可以明显看出,有jitter之后会发生?#29616;?#30340;波形变异。




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发表于 2019-3-22 15:10 | 只看该作者
andygaof 发表于 2019-3-22 15:04
这里可能要解释一下为什么01不出错而声音不好听的问题

看一下下面这个图:

是不是说,同一套设备下,眼?#23478;?#33268;的话,usb的信号质量就一致?
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发表于 2019-3-22 15:12 来自手机 | 只看该作者
不知主板上供电cpu内存的开关电路,会产生多少噪声呢?
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发表于 2019-3-22 15:14 来自手机 | 只看该作者
ifi的igalvanic 3.0属于哪一种?
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 楼主| 发表于 2019-3-22 15:28 | 只看该作者
本帖最后由 andygaof 于 2019-3-22 15:34 编辑
鑲ョ▼ 发表于 2019-3-22 15:10
是不是说,同一套设备下,眼?#23478;?#33268;的话,usb的信号质量就一致?

怎么说呢?MSB的时钟模块是133飞秒和77飞秒,我也不知道他们用什么测试?#27169;?#25105;们一般能买得起的甚至我已知的买不起的眼图测试仪都测试不出这个级别的时钟精度。但是两个时钟的声音听感差异很大。所以说测试仪上眼?#23478;?#26679;,要看测试精度吧。低测试精度一样不代表?#23548;是?#20917;一样。也许中科院或者什么地方的专家知道什么设备可以真正的测试飞秒精度的眼图。

啰嗦一句,目前市面上能买到的音频测试仪,?#38405;?#21069;的设计水平看,大多都能达到这些测试仪的测试极限。所以从仪表测试上恐怕看不出这些设备的?#23548;什?#24322;了。我两年前买的dScopeIII音频分析设备,目前只能用来排错,明显设计失误的时候才能在上面看出来是有问题了。

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发表于 2019-3-22 15:35 | 只看该作者
andygaof 发表于 2019-3-22 15:28
怎么说呢?MSB的时钟模块是133飞秒和77飞秒,我也不知道他们用什么测试?#27169;?#25105;们一般能买得起的甚至我已知 ...

就是精度足够的话,眼图就代表了usb信号的形变幅度和噪音水平,这样理解没错吧?
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 楼主| 发表于 2019-3-22 15:36 | 只看该作者
本帖最后由 andygaof 于 2019-3-22 15:45 编辑
是威利不是威廉 发表于 2019-3-22 15:34
怪不得摩?#26032;?#25289;最后这样了……

老兄,我哪里错了,请?#23548;?#35828;明,论坛是开放的。没必要用这?#38047;?#35328;。我这个摩?#26032;?#25289;无线业务大中国区的技术总监并不负责研发,所以对技术细节领悟错误也是很有可能,如果我错了,请您指教,也避免耽误了大家。
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