USB音频的基本概念

简介：
USB-Based Audio transmission operates on the fundamental principle of converting analog audio signals into digital form through a series of well-defined steps. The core content includes sampling, quantization and encoding processes to ensure high-fidelity sound reproduction across various devices. This method leverages modern electronic components to achieve reliable data transfer over standard USB connections, making it an efficient solution for audio synchronization in computer systems.USB音频是一种标准，用于将PC、智能手机和平板电脑中的电子音频与扬声器、麦克风或调音台等音频外设进行连接。经过几十年的发展，USB已经成为个人电脑领域中被广泛应用的一种技术。这些设备均通过USB进行连接。USB基本原理：通过USB技术，PC发送指令至设备以实现数据传输。每次通信操作均指定目标设备及其特定端口。IN请求将所需信息发送至主机；当主机发起IN指令时，接收方响应并提供所需数据包内容。OUT指令则用于将数据发送至设备；当主机执行OUT操作后，设备捕获并解析相应的数据包以完成任务。USB规范中包含4种类型的IN传输和OUT传输，分别是批量传输、同步传输、中断传输以及控制传输。这些类型都被用于实现主机与设备之间的可靠数据交换。所有通过USB通道进行的数据通信都会附加一个CRC（校验和），其主要作用是检测数据传输过程中是否存在错误。在接收端的处理流程中，当收到带有正确CRC值的数据时，通信将被应答，并假设数据已无误传输；若CRC不匹配，则通信不会得到应答，系统会自动重试。当设备无法接受新的数据时（即发送NAK信号），主机制动器将强制发起重传操作。实时实现主机与设备之间的数据传输方案中，同步传输技术旨在确保信息的准确传递。当主机建立同步端点后，会将指定带宽分配给该端点，并在此端点上定期进行数据发送操作。如前所述，主机可于每隔125微秒时对该设备执行一次OUT操作，传输大小为1千字节的数据。由于分配的带宽是固定的且有限的，在出现异常情况时将无足够时间进行数据重传。传输过程中的数据应具备标准的CRC校验。若接方发现传输存在误码，则系统将无法提供重传功能。主机用于定期探询设备的中断传输情况，并非真正中断任何操作。例如，主机可以检查音频设备，确认静音（MUTE）按钮是否被按下。在性能上，控制传输与批量传输具有高度的相似性。当发生应答时，控制传输会通过非实时机制进行处理。在正常业务流程之外的辅助操作中，如查询设备功能信息或查看端点运行状态。该系统的数据处理能力受到以下因素的影响：信号通道数量、每个采样点所使用的位深度以及采样频率。通常情况下，系统支持2个通道以实现立体声效果；当需要扩展至多频声音效时，会采用6个通道（对应5.1声道格式）。此外，在录音室和专业混音师的工作环境中，系统的通道数可能会进一步增加。在音频处理方面，传统设备常使用16位采样，而高质量音频则要求32位。常见的采样率包括44.1 kHz、48 kHz、96 kHz和192 kHz。其中，高达192 kHz的采样率通常用于生成和处理高保真度的音频内容。此项目中将设计一个具有96kHz采样率和24位样本的立体声音频扬声器系统。为了解决方案中的编码问题，将采用零填充的方法来简化主机和设备上的数据编组问题。通过在每个通道中使用零填充的方法来减少编码复杂度，这样可以确保信息的完整性并提高传输效率。这样一来，总的数据传输速率达到768,000比特每秒（Bps），即96kHz乘以两通道再乘以每个采样点占用的4个字节。同步端点按照每125微秒一次传输的方式运行，这相当于每隔8毫秒进行一次传输操作。通过计算所需的字节速率与帧速率的比例，可以得出每次同步传输所包含的字节数为96个。在USB音频传输中，每次传输都运送完整的样本数量；来回切换使用48B和40B（即6个和5个立体声采样点）的模式进行数据传输。这样计算得出每传输一次的数据平均速率为44.1位。单次同步传输能够传递1024位，最高支持256个采样点（当总位数达到2432时）。这表明，在高速USB模式下，以48kHz进行多通道传输时最多支持42个声道；若采用全速或低速USB，则分别只能达到10个和3个声道。USB音频作为一种普遍使用的音频传输标准，在包括个人计算机、智能手机和 tablets在内的设备中得到广泛应用。其运行机制以USB规范为基础，涵盖批量传送、同步传送、中断传送以及控制传送等多种方式。熟悉其运行机制有助于我们更有效地开发并实现USB音频解决方案，以满足多样化的实际需求。