謹(jǐn)慎選擇USB音頻微控制器：測(cè)試臺(tái)上的驚險(xiǎn)故事

關(guān)鍵詞： USB音頻 , 微控制器

        盡管有些報(bào)道稱隨著Wi-Fi和藍(lán)牙等無(wú)線傳輸工具的出現(xiàn)，USB音頻即將被淘汰，但此種言論還為時(shí)過(guò)早，USB音頻目前仍活躍在市場(chǎng)上。近幾年來(lái)，USB音頻技術(shù)已成為音樂(lè)產(chǎn)業(yè)中數(shù)字音頻(音頻+MIDI)配件(混頻器、DJ設(shè)備、數(shù)字音頻接口、麥克風(fēng)等)中一個(gè)尤為重要的元素。
此外，《今日美國(guó)》中有文章提到功能強(qiáng)大的移動(dòng)設(shè)備正在逐漸取代筆記本電腦和便攜式電腦。然而，專業(yè)或準(zhǔn)專業(yè)用戶卻沒(méi)有停止對(duì)USB音頻的需求，在許多諸如iOS和Android移動(dòng)操作系統(tǒng)以及Raspberry Pi和BeagleBone Black等業(yè)余愛(ài)好者/制造商的單板機(jī)中，隨處都可見(jiàn)到這種USB音頻。
它采用低成本、低功耗的方法來(lái)傳輸數(shù)字音頻，在最佳狀態(tài)下，可以呈現(xiàn)普通無(wú)線方法無(wú)法比擬的高品質(zhì)和低延時(shí)效果。但難就難在只有在最佳狀態(tài)下它才能達(dá)到這種效果。
通過(guò)USB接口回放(或錄制)高品質(zhì)音頻時(shí)，一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題就是如何生成具有高度穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的轉(zhuǎn)換器主時(shí)鐘。在設(shè)計(jì)階段因忽視細(xì)節(jié)而造成的音頻時(shí)鐘恢復(fù)過(guò)程中的不足極易導(dǎo)致顯著缺陷，會(huì)產(chǎn)生雜音，即便是非專業(yè)人士都可以感受到。欲了解更多有關(guān)USB音頻模式的基礎(chǔ)知識(shí)，請(qǐng)參閱2011年音頻工程協(xié)會(huì)(Audio Engineering Society)會(huì)議上有關(guān)音頻接口的相關(guān)演講稿。
以賽普拉斯半導(dǎo)體公司的PSoC 3系列為代表，可以看到最新的可編程片上系統(tǒng)(SoC)器件的靈活性，它可以產(chǎn)生具有成本效益的、可靠且準(zhǔn)確的音頻主時(shí)鐘，尤其適用于低功耗便攜式系統(tǒng)?；诖朔NSoC的方法概述參見(jiàn)《現(xiàn)代USB音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)》。對(duì)頻率合成技術(shù)有濃厚興趣的用戶，可以參見(jiàn)音頻工程協(xié)會(huì)的會(huì)議論文《USB音頻系統(tǒng)的可編程時(shí)鐘發(fā)生與同步》，其中對(duì)硬件時(shí)鐘恢復(fù)方法進(jìn)行了詳細(xì)描述。
自這些論文發(fā)表后，賽普拉斯半導(dǎo)體公司的USB音頻團(tuán)隊(duì)從研究角度出發(fā)，花費(fèi)了大量時(shí)間拆解、測(cè)試和測(cè)量各類裝置以測(cè)試USB音頻能力，受測(cè)對(duì)象不僅包括商業(yè)產(chǎn)品，還包括微控制器廠商的開發(fā)工具包和參考設(shè)計(jì)。對(duì)廠商來(lái)說(shuō)，制定嚴(yán)格測(cè)試方案和競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)桿分析方案至關(guān)重要，可以確保設(shè)計(jì)質(zhì)量滿足客戶的需求并達(dá)到音頻行業(yè)的預(yù)期。本應(yīng)在參考設(shè)計(jì)發(fā)布前就發(fā)現(xiàn)的缺陷卻在客戶缺陷報(bào)告中才被發(fā)現(xiàn)，這實(shí)在是件無(wú)比糟糕的事情。
這些測(cè)試向用戶呈現(xiàn)了音頻質(zhì)量的諸多問(wèn)題，而音頻回放的質(zhì)量及完整性有時(shí)實(shí)在是差得驚人。音頻行業(yè)將大量的精力放在確定音頻再現(xiàn)質(zhì)量和修復(fù)后的可聽性上，而音頻回放的質(zhì)量整體較差這種認(rèn)識(shí)似乎已經(jīng)超出了當(dāng)今微控制器供應(yīng)商的能力范圍。
這可能歸結(jié)于從事單一業(yè)務(wù)的MCU公司僅把音頻視為一種數(shù)據(jù)接口格式，沒(méi)有真正了解獲得優(yōu)質(zhì)音頻質(zhì)量的重要因素。例如，從應(yīng)用筆記中可以看到，大多數(shù)廠商都認(rèn)識(shí)到管理再現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的時(shí)域完整性對(duì)音頻質(zhì)量至關(guān)重要。但是，認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題是一回事，解決這個(gè)問(wèn)題又是另一回事。
根據(jù)測(cè)量顯示，音頻主時(shí)鐘生成和數(shù)據(jù)同步管理的一些推薦和實(shí)施方法針對(duì)高品質(zhì)的音頻產(chǎn)品并無(wú)用武之地。本文接下來(lái)將帶讀者盡覽有關(guān)音頻質(zhì)量的諸多問(wèn)題，重點(diǎn)揭示一些最有代表性的問(wèn)題，并討論問(wèn)題背后的原因。





       
缺乏穩(wěn)固性
針對(duì)USB音頻系統(tǒng)(針對(duì)各種主機(jī)設(shè)計(jì)，但主要是針對(duì)移動(dòng)主機(jī))的故障測(cè)試旨在測(cè)試包含較短時(shí)段選擇的播放列表的循環(huán)情況，每個(gè)時(shí)段的采樣率各不相同。看來(lái)，大家似乎都不太喜歡這種測(cè)試，你也會(huì)驚訝于該測(cè)試的失敗頻率。這種測(cè)試不僅用于芯片廠商的一些項(xiàng)目，甚至還用于一些音頻產(chǎn)品現(xiàn)貨。
從這些測(cè)試中可以發(fā)現(xiàn)一些明顯的行為特征。在某些情況下，測(cè)試中的系統(tǒng)無(wú)法開始播放其中一個(gè)音軌，從而導(dǎo)致在本該有聲音的音軌階段出現(xiàn)一段長(zhǎng)時(shí)間的靜音。還有一些情況是，有些音軌會(huì)看似隨機(jī)地在回放時(shí)出現(xiàn)一定程度的失真，你會(huì)聽到輕微的噼里啪啦聲，有時(shí)甚至?xí)蝗槐荒欠N聲音嚇一跳。
圖1顯示了在變換的44.1ksps和48ksps速率下1.4kHz測(cè)試音調(diào)的頻譜(采用優(yōu)秀的免費(fèi)程序Friture測(cè)得)，該頻譜在某廠商的評(píng)估電路板上顯示。通過(guò)該圖，可以看到很多指標(biāo)都不達(dá)標(biāo)，最明顯的是在某一時(shí)段上的徹底失靈。整體表現(xiàn)很不穩(wěn)定。圖2顯示的是使用具有強(qiáng)大固件和穩(wěn)固的硬件同步主時(shí)鐘發(fā)生器的SoC參考系統(tǒng)進(jìn)行的同一測(cè)試。

圖1：USB音頻效果隨采樣率的變化而惡化。

圖2：配置硬件時(shí)鐘恢復(fù)功能的SoC系統(tǒng)在圖1中應(yīng)呈現(xiàn)的圖樣。

筆者從美國(guó)購(gòu)買了一個(gè)現(xiàn)成的揚(yáng)聲器底座，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在任何音軌末都會(huì)出現(xiàn)明顯的、惱人的音調(diào)變化，緊隨其后的就是另一具有不同采樣率的音軌，因?yàn)樗^(guò)早地改變了采樣率。前10秒你會(huì)覺(jué)得比較有趣，隨后這種新鮮感消失，你會(huì)把它放入包裝箱然后退回給商店，隨后制造商不得不承擔(dān)退貨審查和技術(shù)支持服務(wù)的費(fèi)用。移動(dòng)設(shè)備制造商也不得不向消費(fèi)者解釋說(shuō)出現(xiàn)這種問(wèn)題不是自身USB或自有連接器(相對(duì)于3.5mm插孔)的問(wèn)題，而是配件的問(wèn)題。
圖3給出了音調(diào)變化示意圖，圖案圍繞四個(gè)不同的采樣率頻率1kHz、1.2kHz、1.4kHz和1.6kHz呈階梯狀變化。獲知新的采樣率后，該產(chǎn)品的回放頻率立刻向上躥升。

圖3：因采樣率的過(guò)早變化而造成的顯著音調(diào)變化。

圖4則不存在頻率變換的問(wèn)題。相反，這個(gè)從一家聲譽(yù)良好的音頻公司購(gòu)得的底座產(chǎn)品僅在一些音軌上隨機(jī)出現(xiàn)了一些空檔，沒(méi)能播放出來(lái)。

圖4：該產(chǎn)品沒(méi)有音調(diào)變換，完全沒(méi)有音軌。

所以我講這個(gè)故事的寓意是：一定要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的測(cè)試，并找出它的破綻。這一點(diǎn)應(yīng)在選擇廠商的過(guò)程中就著手去做，并在整個(gè)開發(fā)過(guò)程中定期進(jìn)行測(cè)試。
現(xiàn)代化的移動(dòng)音頻配件由一連串代碼組成，對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)和DMA描述符的一些單純改變都會(huì)在一定程度上改變系統(tǒng)行為。因此，我建議在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間相互交換候選發(fā)布的設(shè)計(jì)，如果他們能發(fā)現(xiàn)其中的設(shè)計(jì)缺陷，就請(qǐng)他們喝酒、品茶，或給予其他一些獎(jiǎng)勵(lì)。





       
頻率不穩(wěn)定
在自適應(yīng)或同步模式下運(yùn)行的USB回放裝置需要?jiǎng)?chuàng)建D/A轉(zhuǎn)換器所需的時(shí)鐘。對(duì)于普通音頻DAC來(lái)講，該時(shí)鐘頻率值最可能為音頻采樣頻率的256倍。在這些模式下運(yùn)行的所有USB音頻接口方法都有某種可調(diào)振蕩器，在基于微控制器的系統(tǒng)中，這種振蕩器通常是數(shù)字控制振蕩器，并置于固件中，其頻率設(shè)定有限且分辨率較低。有些微控制器配備某種可編程振蕩器，其頻率飄搖不定，以確保振蕩器的平均速率設(shè)置符合您的要求，這種情況是很常見(jiàn)的。您可以用它來(lái)跟蹤FIFO讀寫指針，并改變您指針擺動(dòng)的占空比，以保持指針間距離的恒定(這是在自適應(yīng)模式下運(yùn)行，使勁按CPU)。該擺動(dòng)時(shí)鐘用作DAC的主時(shí)鐘，也負(fù)責(zé)通過(guò)微控制器和DAC之間的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。
現(xiàn)在，想象您正再現(xiàn)一段美妙、精確的正弦波。假設(shè)DAC每秒有4.41萬(wàn)個(gè)采樣(最標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻采樣率，因?yàn)檫@是CD上使用的值)，這段正弦波的頻率應(yīng)該是1.4kHz(較佳的頻率——1kHz基本不影響USB音頻系統(tǒng)作業(yè))。
但是如果您在兩個(gè)頻率之間切換主振蕩器(使得系統(tǒng)半數(shù)的時(shí)間以每秒4.425萬(wàn)的采樣率回放，而另一半時(shí)間以每秒4.395萬(wàn)的采樣率回放)會(huì)發(fā)生什么事情呢？當(dāng)然，平均回放率為每秒4.41萬(wàn)個(gè)采樣。但實(shí)際上，系統(tǒng)會(huì)花費(fèi)半數(shù)的時(shí)間以1.40476kHz的頻率來(lái)發(fā)送一個(gè)正弦波，而剩余的半數(shù)時(shí)間則以1.39524kHz的頻率來(lái)發(fā)送正弦波。
那些覺(jué)得“嗯，好像還不錯(cuò)”的人請(qǐng)考慮下這個(gè)問(wèn)題吧：這種音調(diào)變化水平一般聽眾都能聽出來(lái)，更何況音頻業(yè)所謂的“金耳朵”了。如果您覺(jué)得這些都只是一些隨便挑出來(lái)的荒謬的數(shù)字，那么我們一起來(lái)看圖5——某一微控制器廠商的開發(fā)套件測(cè)量結(jié)果。

圖5：平均頻率是正確的，但變化是聽得見(jiàn)的。

測(cè)試這種東西非常容易，因此沒(méi)有借口不這樣做。如前所述，F(xiàn)riture等免費(fèi)軟件分析程序通常都可以提供一種便利的頻譜模式(深受廣大語(yǔ)音分析師青睞，尤其是在好萊塢故事片中)。這種模式通過(guò)采集連續(xù)的FFT短塊來(lái)進(jìn)行持續(xù)的頻譜分析，并隨著時(shí)間的推移繪制出結(jié)果—時(shí)間自左向右推移，頻率與屏幕垂直并通過(guò)彩色映射來(lái)表明幅度。
將模擬音頻信號(hào)輸入到一個(gè)運(yùn)行Friture程序的PC線路上，您就可以輕易地發(fā)現(xiàn)回放頻率的不穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)音頻分析儀的常規(guī)FFT顯示器上，這種不穩(wěn)定性并不明顯，特別是當(dāng)趨向于為了穩(wěn)定而只是增加求平均的數(shù)量時(shí)。它幾乎不會(huì)影響測(cè)得的THD+N數(shù)值，僅在一個(gè)特別小的窗口顯示出一個(gè)失真數(shù)字，您是無(wú)法從中獲得任何有關(guān)音頻回放系統(tǒng)質(zhì)量的信息的。
當(dāng)然，這并非是一個(gè)共性問(wèn)題。一些微控制器廠商選擇在系統(tǒng)中使用CS2200等性能優(yōu)良的外部時(shí)鐘生成芯片來(lái)解決計(jì)時(shí)問(wèn)題，這類系統(tǒng)瀏覽無(wú)痕，如同之前提到的使用硬件時(shí)鐘生成方式的SoC參考系統(tǒng)，見(jiàn)圖6。

圖6：恒頻音調(diào)應(yīng)以這種方式出現(xiàn)(還有硬件SoC時(shí)鐘恢復(fù))。

本節(jié)旨在提醒人們，對(duì)于通過(guò)在粗略設(shè)置的振蕩器的不同值間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)同步的系統(tǒng)，我們應(yīng)持一種懷疑態(tài)度。因?yàn)檫@種頻率偏差會(huì)導(dǎo)致可感知音調(diào)穩(wěn)定性的進(jìn)一步惡化，但當(dāng)用常規(guī)技術(shù)測(cè)量時(shí)，不會(huì)對(duì)THD+N等標(biāo)準(zhǔn)音頻性能參數(shù)產(chǎn)生顯著的影響。
有些(但不是全部)傳統(tǒng)的USB微控制器應(yīng)用筆記和參考設(shè)計(jì)推薦使用BOM音頻PLL，如CS2200，這種情況并非巧合。這是個(gè)不錯(cuò)的部件，但如果您的產(chǎn)品設(shè)計(jì)并不需要這種部件不是更好嗎？那就看下頻譜圖，關(guān)注其中的直線，而非鋸齒線！





       
采樣率轉(zhuǎn)換引起的本底噪聲
一些低端集成USB音頻設(shè)備采用的一種簡(jiǎn)單方法就是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為僅支持一個(gè)核心采樣率(44.1ksps或48ksps)。如果主機(jī)想發(fā)送以其他速率采樣的音頻且本身未打算(或不允許)做速率轉(zhuǎn)換，則回放裝置會(huì)采用某種采樣率轉(zhuǎn)換形式。而這一切都是非常可怕的錯(cuò)誤。
如果您有一個(gè)強(qiáng)大的DSP或在應(yīng)用程序特定的芯片內(nèi)設(shè)置了多個(gè)門，則很難設(shè)計(jì)出一個(gè)好的采樣率轉(zhuǎn)換器。但一般的微控制器無(wú)法切割，唯一可以切割的是各個(gè)角。
回放44.1ksps的音頻材料時(shí)，只有一個(gè)評(píng)估板的雜散性能測(cè)試合格。使用48ksps測(cè)試音頻材料后，音頻分析儀顯示器上的本底噪聲變成了一系列神秘的音調(diào)。該模式下采樣率轉(zhuǎn)換器中使用的濾波器響應(yīng)出現(xiàn)了最壞情況下的大約只有55分貝的阻帶抑制。簡(jiǎn)而言之，測(cè)試音影像的重采樣混疊(通過(guò)頻率可以明確地確定)會(huì)上升到一個(gè)從未有的高度，進(jìn)而影響音頻舒適度。圖7展示了這一問(wèn)題的嚴(yán)重程度。這是一個(gè)能夠聽得見(jiàn)的寬帶問(wèn)題，那些假音并非低于“掩蔽閾值”而聽不到。

圖7：SRC困境：大基調(diào)應(yīng)該有，但其他不應(yīng)該有。

于是，我們又得到這樣一個(gè)啟示：不要輕信普通微控制器上運(yùn)行的采樣率轉(zhuǎn)換庫(kù)，很有可能它們?cè)趦?yōu)質(zhì)音頻應(yīng)用程序中并無(wú)用武之地。“最好的采樣率轉(zhuǎn)換器就是沒(méi)有采樣率轉(zhuǎn)換器”，一位注重性能的音頻制造商在被問(wèn)及該問(wèn)題時(shí)曾這樣表示。





       
瘋狂的轉(zhuǎn)換設(shè)置
測(cè)試過(guò)程中，有一個(gè)USB音頻評(píng)估板的回放頻率響應(yīng)沒(méi)有任何意義，看起來(lái)就像是有人抓住高音控制，并一路將其調(diào)低，聽起來(lái)就好像是將揚(yáng)聲器扔進(jìn)一個(gè)塞滿棉花的包里。
原來(lái)評(píng)估板上的DAC被設(shè)置為使用“去加重”，而現(xiàn)在的CD標(biāo)準(zhǔn)中基本已沒(méi)有這種選項(xiàng)了。CD標(biāo)準(zhǔn)提供了一種在記錄信息中提升高頻率的方法，然后在回放階段將頻率降回原有水平，會(huì)出現(xiàn)較高頻率的嘶嘶聲。
圖8顯示了一堆雜亂的軌跡，但重點(diǎn)在于那條黃色的曲線。它本應(yīng)該是一條水平線，而其他廠商也都在努力想要達(dá)到水平線的標(biāo)準(zhǔn)，但該廠商是個(gè)例外。也許將評(píng)價(jià)體系綜合在一起的人喜歡平穩(wěn)、音色圓潤(rùn)、不被高音打斷的音調(diào)，亦或是他們的實(shí)驗(yàn)室揚(yáng)聲器本身就是多峰的高頻響應(yīng)；而他們也確實(shí)認(rèn)為這種設(shè)置是正確的，因?yàn)槁犉饋?lái)效果更好一些。這一段的寓意在于：不要想當(dāng)然地認(rèn)為廠商已對(duì)外圍元件進(jìn)行了正確設(shè)置，尤其是當(dāng)該元件并非該廠商生產(chǎn)時(shí)。

圖8：黃色軌跡本應(yīng)是一條平直的水平線，但圖中顯示的聽起來(lái)非常模糊不清。






       
為什么USB音頻配件無(wú)法充當(dāng)主機(jī)
有些舊的USB音頻配件被設(shè)計(jì)為主機(jī)，并迫使移動(dòng)設(shè)備成為USB總線上的設(shè)備。這在以前還說(shuō)得過(guò)去，因?yàn)檫@些配件連接的都是又慢又笨的音樂(lè)播放器。
現(xiàn)在，USB揚(yáng)聲器底座或DAC要求Mac或PC放棄對(duì)USB總線的整體控制，使它們可以彼此交換音樂(lè)數(shù)據(jù)的想法簡(jiǎn)直就是無(wú)稽之談。就好像是使配件對(duì)最新一代功能強(qiáng)大、靈活的智能手機(jī)和平板設(shè)備做出同樣的要求一樣毫無(wú)意義。





       
結(jié)論
創(chuàng)建USB音頻回放系統(tǒng)的方法有很多，有許多USB微控制器供應(yīng)商已在實(shí)施這樣的系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)的魯棒性和音頻性能差別極其驚人。
不妨采用以下方法：尋找一個(gè)深諳音頻領(lǐng)域的供應(yīng)商團(tuán)隊(duì)，并尋求一個(gè)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試(聽效驗(yàn)證)的完整的、成熟的參考設(shè)計(jì)。在整個(gè)開發(fā)過(guò)程中不斷進(jìn)行測(cè)試。選擇一個(gè)有著豐富USB音頻經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)制造合作商。如果他們只知道模擬音頻或微控制器的非音頻應(yīng)用，他們可能無(wú)法探知沒(méi)有足夠安全系數(shù)的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所帶來(lái)的無(wú)數(shù)隱患。
挑選超精細(xì)頻率分辨率的頻率同步計(jì)劃，以確保堅(jiān)若磐石的音調(diào)穩(wěn)定性——您需要一個(gè)外部時(shí)鐘合成器設(shè)備，如配有普通微控制器的CS2200(盡管配備的不是賽普拉斯半導(dǎo)體公司的PSoC 3)。
如果想要得到音效凈化的音頻，就不要使用低檔采樣率轉(zhuǎn)換算法，因?yàn)橐话愕奈⒖刂破鳠o(wú)法讓濾波器長(zhǎng)時(shí)間地抑制雜音。如果您想要一個(gè)真正的通用系統(tǒng)，那就不要指望異步操作模式能夠解決一切——當(dāng)然，如果您能找到一個(gè)平臺(tái)，可以很容易地支持同步或異步操作，那當(dāng)然最好。
致謝
對(duì)音頻質(zhì)量的這些令人發(fā)指的缺陷披露得益于Saksham Bhatla、Gowthamraj B、Krishnaprasad MV和Ahmed Majeed Khan長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和聆聽。