Использование интерфейса USB для вывода звука

В последние годы всё  большее распространение получает использование  интерфейса USB для вывода звука с компьютера. Неоспоримое удобство такого способа подключения компьютера к звуковой системе через внешний ЦАП подкрепляется расширяющимся выпуском цифроаналоговых преобразователей, оснащённых так называемым «асинхронным USB». 

И это не просто модное увлечение любителей цифрового звука, а действительно серьёзный способ получения достойного цифрового источника (даже и высококачественного, при определённых условиях) в виде связки компьютер+ЦАП.

Правда, некоторую неопределённость вносит вопрос: почему же производители музыкальных серверов/цифровых проигрывателей класса high-end устанавливают на свои изделия цифровые выходы S/PDIF (RCA, BNC, оптический) и AES/EBU (XLR), а не используют возможности популярного интерфейса USB? Постараемся прояснить ответ на этот вопрос.

Основное различие между стандартами соединения компьютера и ЦАПа,  S/PDIF и AES/EBU, с одной стороны, и USB – с другой,  лежит в способе передачи данных. В первом случае данные от компьютера, с помощью соответствующего интерфейса, передаются на ЦАП в виде непрерывного потока, то есть в том виде, который они приобретают после программного проигрывателя. Во втором случае, в соответствии с протоколом передачи данных через USB, поток данных вначале разбивается на пакеты, а затем уже передаётся на вход USB ЦАПа, в котором он должен снова приобрести вид непрерывного потока перед цифроаналоговым преобразованием.

В передаваемых через USB-соединение пакетах данных, кроме данных, соответствующих звуковой информации, присутствует также информация конфигурирования, управления и состояния.

Спецификацией универсальной последовательной шины USB определены различные типы синхронизации при передаче информации от хоста (компьютера) к периферийному устройству (в данном случае – к ЦАПу). На начальном этапе использования USB для вывода звука с ПК широкое распространение получил так называемый адаптивный тип, технически связанный с микросхемами серии PCM270x компании Burr-Brown (Texas Instruments) из США.

Однако этот тип USB-соединения не мог обеспечить высокое качество звука, так как вызывал повышенный уровень джиттера. Кроме этого, преобразователи с USB-входом на базе микросхемы PCM270x, действующие в адаптивном режиме, могли работать с частотами дискретизации не выше 48 кГц и разрядностью до 16 бит, то есть могли обеспечить качество уровня компакт-диска, но не высокого разрешения.

После нескольких этапов развития технологии передачи цифрового звука через USB  в 2004 году компанией Wavelength Audio (США) был выпущен первый ЦАП, использующий асинхронный тип передачи данных. Преобразователь и необходимое для его работы ПО под названием Streamlength были разработаны Гордоном Ранкиным (Gordon Rankin). С тех пор асинхронный тип работы USB-интерфейса  утвердился как основной для передачи музыкального сигнала от компьютера к ЦАПу, а ПО Streamlength для асинхронного USB используется во многих высококачественных ЦАПах, в том числе таких компаний, как Ayre,  Aesthetix, Grace Design, Berkeley Audio Design и др. В настоящее время большинство выпускаемых цифроаналоговых преобразователей, которые оснащены интерфейсом USB для соединения с компьютером, работают по такому принципу.

В отличие от адаптивного, асинхронный тип работы USB-интерфейса для передачи звука является технически более совершенным, т.к. при его реализации происходит не только передача пакетов данных от компьютера к ЦАПу, но и осуществляется обратная связь с компьютером таким образом, чтобы управлять процессом этой передачи данных. Компьютер и ЦАП работают в этом случае согласованно, как связанные устройства.

Интересно, что асинхронный USB был выполнен на основе микросхемы TAS1020B, которая выпускалась одновременно с упомянутой PCM270x. USB-контроллер TAS1020B представляет собой интегральную схему с USB-трансивером, микропроцессором, буфером памяти и интерфейсом I²S для подключения к микросхеме цифроаналогового конвертора. В качестве примера на рис. 1 представлена блок-схема ЦАПа на базе USB-контроллера TAS1020B.

Рис. 1

В этой схеме ЦАПа с асинхронным USB тактовый генератор частоты дискретизации расположен в оптимальном месте – непосредственно рядом с микросхемой цифроаналогового конвертора. Это позволяет обеспечивать работу конвертора от потенциально более точного генератора, не полагаясь на использование нестабильного тактового сигнала из компьютера. И действительно, такая схема расположения высокоточного генератора, наряду с другими особенностями асинхронного типа USB-соединения, обеспечивает наименьший уровень джиттера и, соответственно, наилучшее качество звука. По сравнению с адаптивным типом, в асинхронном USB джиттер снижается на два порядка (в 100 раз!).

Добавим, что для работы преобразователя с асинхронным USB  с сигналами выше 96 кГц/24 бит от ПК, оснащенного ОС Windows, потребуется специальный драйвер. Для компьютеров Apple, поддерживающих спецификацию USB Audio Class 2.0, такой драйвер не нужен.
Первые ЦАПы Wavelength Audio с асинхронным USB могли преобразовывать сигналы ВР с частотой дискретизации до 96 кГц и разрядностью до 24 бит. В настоящее время выпускаются цифроаналоговые преобразователи, в том числе и для бытового использования, которые поддерживают частоты до 384 кГц и разрядность до 32 бит, что соответствует самому высокому формату профессиональной цифровой звукозаписи.  Кроме этого, в последнее время всё более широкое распространение получают музыкальные цифровые записи формата DSD, сигналы которых могут подаваться на ЦАП также через порт USB. Не так давно, в 2012 году, специально для этой цели был разработан открытый стандарт DoP (DSD over PCM) – метод для передачи DSD-аудио с помощью ИКМ фреймов. Описание последней версии 1.1 этого стандарта на англ. яз. можно найти здесь.

Производители ЦАПов предлагают широкий выбор устройств с асинхронным USB стоимостью от 3 тыс. руб. до астрономических цен с семизначными числами. Чтобы как-то сориентироваться в этом разнообразии преобразователей различного технического и ценового уровня, попробуем определить, каким требованиям должен отвечать ЦАП, чтобы можно было сказать, что он выдаёт звук действительно высокой точности. Отметим некоторые из таких характеристик, связанных с входным интерфейсом USB:

1. Высококачественная микросхема USB-контроллера.
2. Использование гальванической развязки.
3. Соответствие спецификации USB Audio Class 2.0.
4. Высокоточный тактовый генератор с низким уровнем джиттера.
5. Использование качественно выполненных драйверов. 
6. Совершенная схема питания. Раздельные стабилизированные линии питания для USB-контроллера, конвертора и аналоговых цепей, а лучше – с отдельным трансформатором для каждой из них.
7. Высококачественная микросхема цифроаналогового конвертора.

Конечно, все вместе перечисленные характеристики встречаются только в самых совершенных (и часто –  дорогих!) ЦАПах. Однако можно сказать, что если преобразователь не обладает ни одной из таких характеристик, то вряд ли он сможет выдать высококачественный звук, если иметь в виду обработку сигналов ВР, поступающих с обычного компьютера через USB-соединение. К этому можно добавить, что качественно выполненная схема, работающая по адаптивному типу может «переиграть» некачественный ЦАП с асинхронным USB. Кстати, некоторые производители продолжают выпускать преобразователи с адаптивным USB.