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usb 声卡 HIFI不只是一条途径 USB外置声卡综述 音响

发布时间:2021-02-20 10:20 来源:usb 声卡 关键词:usb 声卡

usb 声卡


    在早期,曾经有一些使用笔记本PC卡插槽的特殊声卡,来增强笔记本类电脑的音频能力,但这些产品因为市场狭窄、功能有限,现在已经停止生产了。那么对于这些使用便携系统的用户来说,要获得超过内置声卡的音频能力,就没有办法了吗?

       答案,就是USB外置声卡。

    USB外置声卡是随着USB技术的初步普及,在20世纪末问世的,曾经流行一时的USB音箱,其实就是内置了一个USB声卡。

       在照片上,我们可以看到一个典型的低档USB声卡。可以看出其体积很小,和一个普通的闪盘差不多。我们就以此为例来分析一下USB声卡的结构和原理。


HIFI不只是一条途径 USB外置声卡综述
玲珑II外置声卡

       USB声卡的结构和原理

   USB声卡的出现,和AC’97软声卡规格密不可分。

       小贴士:AC’97软声卡

    1996年6月,5家PC领域中颇具知名度和权威性的软硬件公司共同提出了一种全新思路的芯片级PC音源结构,也就是我们现在所说的AC’97标准(AUDIO CODEC97)。这5家公司是INTEL公司、创新科技公司、YAMAHA 公司、ANALONG DEVICES公司。提出AC’97的根本目的,是为了规范当时各行其是的声卡设计,提供一种规范、廉价、高品质的系统声音解决方案。

    从AC’97的规范可以看出,AC’97的核心是三个概念:DSP芯片与CODEC芯片分离,模拟与数字电路完全分离;固定采样率,其他采样率需要进行SRC(即SOURCE,“源”)转换;使用标准引脚的CODEC芯片。制定AC97规范的主要目的则有两个:1、实现数模电路分离,保证音频质量;2、使声卡电路标准化、提高其兼容性能。特别是使用了AC’97规范,使得声卡可以脱离ISA总线和PCI总线的束缚,才使得USB等外置声卡成为可能。

    根据AC’97的定义,我们可以得出的结论就是——AC’97并不是软声卡的代名词。无论是软声卡还是硬声卡,符合了上面的三个核心规范就是一款AC’97声卡。AC’97软声卡和硬声卡的区别就在于其DSP处理部分究竟是一个独立的DSP芯片,还是由CPU和驱动程序来完成。市场上绝大多数的硬声卡其实都是AC’97声卡。

HIFI不只是一条途径 USB外置声卡综述
AC'97软声卡

    对于板载的AC’97软声卡,其CODEC后面的模拟部分与AC’97硬声卡并没有根本的不同,也是耦合输出电路。而它的CODEC前部分则比较复杂。

    在前面,我们谈到过声卡主芯片的组成部分和主要功能。对于AC’97软声卡,由于不存在这个主芯片,所以它的任务必须分配给其他的多个设备来协同完成。

    我们通常都说“xx南桥整合了AC’97软声卡”,但是,它整合进去的究竟是什么?必须了解的是,南桥芯片整合的并不是主芯片的全部功能,否则也就不是“软声卡”了。整合进去的只有其中音频控制器部分,这部分电路和声卡的音频数据处理并无关系,而是担负数据传输、电路控制等功能。所以,不同的南桥芯片对于AC’97软声卡的音质并不会产生影响。

    声卡主芯片的DSP部分,则由声卡的驱动程序和CPU来完成,换句话说,数字音频信号的处理,是通过一个软件的运算来完成的,这也就是为什么叫它“软声卡”以及为什么它要占用大量CPU资源的原因。在某些使用了特殊的增强型CODEC芯片的主板上,部分DSP功能被交给了CODEC芯片处理。这样的AC’97软声卡,它的CPU占用率就会低一些。但不管怎么样,它们的CPU占用率当然会高于硬声卡。

    声卡主芯片的MIDI部分,这部分完全是通过驱动中自带的软波表发生器来完成的,和那些使用软波表的硬声卡在运作上是完全一致的。

    正因如此,AC’97软声卡的驱动要比硬声卡复杂得多。我们通常装电脑时所装的所谓“AC’97声卡驱动”其实只是其中的一部分即CODEC芯片驱动和MIDI软波表。而主DSP部分和南桥音频控制器驱动则被整合在芯片组驱动中被Windows98/2000/XP等系统默认安装了。如果你安装的是那些老的诸如Windows95之类的操作系统,那么就会发现你还得要额外安装所谓的“芯片组音频驱动”。

    从以上的结构分析,我们可以得出合理的结论——除了CPU占用率高这是AC’97软声卡无法摆脱的固有弊病之外(但这并不是意味着所有的AC’97软声卡的CPU占用率都高于任何一块硬声卡),AC’97在音质和功能上是没有理由比AC’97硬声卡差的。因为所有DSP芯片所能做的,用驱动程序都能做得到,而在影响音质的各种因素中,除了主芯片之外,软声卡与硬声卡都并无不同。

    造成主板软声卡功能和音质差的真正原因在于由于这是一种“免费奉送”的设备,所以主板厂商不愿意用心去作这个东西,在用料上能省则省,设计上也非常不科学。其品质当然不会好。

       由AC’97软声卡的定义可以看出来,由于AC’97声卡将声卡的数字电路和模拟电路分离开来,而且AC’97软声卡将直接与PCI总线相连的音频控制器整合进芯片组,这使的AC’97软声卡的数模转换电路和模拟输出电路可以不依赖于PCI总线而工作。

 

最简单的USB声卡电路

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玲珑II USB声卡电路

       这就使得USB声卡的出现成为可能。从拆开的USB声卡中,我们可以看到,其内部结构非常简单:一个USB接口、一组输出耦合电路,两个音频信号的输出接口、输入接口,再有就是一块主芯片和为它提供标准时钟信号的晶振了。

    小贴士:CODEC芯片

    CODEC的字面意思就是编码解码器。它的作用就是将主芯片输出的数字音频信号转化为可以输出的模拟音频信号,因为只有模拟音频信号才能输入功放,去推动音箱。同时,它也负责将声卡输入的模拟音频信号转化为数字音频信号输入主芯片以及信号混音。

    小贴士:输出耦合电路

    声卡上最复杂的是模拟电路部分,我们所见到的密密麻麻的电阻、电容部分大都是模拟电路。理论上,从CODEC输出的就已经是模拟音频信号,完全可能直接输出,但其实,由于声卡是单电源设计,所以CODEC输出的信号中包含了大量的直流信号,这些信号是无意义的杂讯,必须将他们去除才能输出。而且在声卡的模拟电路部分,由于抗干扰能力较差,所以就要使用专用的抗干扰电路来处理。

    这种电路就是耦合电路。声卡上密密麻麻的电容和电阻大都是所谓的“阻容耦合”电路的一部分,它们的作用就是在两个电路部分之间阻碍直流电通过,而让有意义、包含着音频信号的交流电通过。通过这种电路,声卡滤掉了无用的直流信号,而将有效的交流信号通过音频输出口输出了。



刮去标识的CODEC芯片

    这款声卡的主芯片上的标识已经被刮去了,但我们从芯片的样子和驱动程序中依然可以认出来,这就是主板上常见的C-MIDIA 9739 CODEC芯片,它实际就是著名的CM8738 6CH的CODEC部分。

    很简单,一个最简单的USB声卡就这么简单,它不过是一个外置的AC’97软声卡而已,在支持AC’97软声卡的操作系统支持下,当它被插入USB接口时,系统会自动识别出它是一个AC’97 CODEC,然后自动设置为一个USB的AC’97控制器,然后——一切就和板载的AC’97软声卡没有什么区别了。

    有一些USB声卡,在这个基础上增加了新的电路,使之可以支持多声道输出、数字输入输出等更为强大的功能,如下面这块MAYA 7.1 USB。

MAYA 7.1 USB

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MAYA USB 7.1 声卡

    但是,它们的核心也是一块AC’97 CODEC或是DAC。它们同样可以自动被操作系统识别,只不过由于这些新增功能的需要,它们就和那些支持多声道、DSP等功能的板载声卡一样,需要另行安装CODEC芯片的驱动。

    这样的USB声卡,占据了USB声卡的绝大部分。本质上说,它们和板载的软声卡在原理上和工作流程上以及在系统中的工作方式没有什么不同,只不过板载软声卡走的是作为PCI一个分支的CNR接口,而这些USB声卡走的是USB总线。它们的共同特征是和板载软声卡一眼可以被系统自动识别,无需驱动就可工作。尽管如此,它们由于外置本身的优势和劣势,还是有一些和板载软声卡不同的特点,这点我们后面再说。

但还有另一种USB声卡和它们完全不同。

    这类USB声卡以创新的各种USB声卡为代表,它们的共同特点就是不使用芯片组整合的音频控制器。而有自己独立的音频控制芯片。也正因如此,它们只能被系统认为是一个不能识别的USB设备,像PCI硬声卡一样需要单独的驱动。

    其实,这种USB声卡就是一个独立的硬声卡,它们的工作原理和PCI硬声卡是一样的,只不过需要一个单独的系统接口程序来使用USB总线传输音频数据而已。从照片上,我们可以看到创新著名的Sound Blaster Extigy的电路和它的主控制芯片。



Sound Blaster Extigy的电路

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Sound Blaster Extigy电路

    这样的设计就比前一种USB声卡复杂了很多也贵了很多,但这样也使得它的功能强大了很多,由于速度更快,它能完成很多前者所不能完成的任务。



USB声卡的优点和不足

    软声卡式的USB声卡,虽然原理和结构和普通的板载声卡很类似,但外置的特点使得它具有了后者所远不能比拟的优势,由于外置没有了电路体积的限制,所以使得它可以设计更为复杂的模拟电路并采用更好的屏蔽设计,从而大幅度地提升音质,就算是像那个“闪盘声卡”一样不作任何加强设计,脱离了机箱内部的高电磁干扰环境以及使用USB的独立供电,这本身对于声卡音质的提升就是巨大的。

    所以,只要不是设计得太差,USB声卡应该有比使用相同芯片和设计界构的内置声卡更好的音质表现。实际上,它完成了当初CNR声卡所想作而没能做成的事。

    而对于“创新式”的外置声卡,它的优势更为明显——由于具有独立的供电设计,所以使得它可以完全不依赖主机充满干扰的电源输出,而且,由于它具有自己独立的音频控制芯片,所以它完全可以脱离电脑作为一个独立的解码/编码设备来使用,为CD/DVD等各种设备提供支持。而这不仅是前一种USB声卡做不到的,更是任何一种内置声卡做不到的。

但是,USB声卡也有其不可忽略的严重不足。这种不足来自于USB总线本身。

    USB总线,是一种速度较慢且系统级别不高的总线。老式的USB1.1声卡由于受到速度上的限制,所以无法传输较多的数据,这就使得创新的第一代USB声卡虽然主芯片功能强大不亚于AUDIGY,但受USB速度限制实际达到的性能还不如一块Live!。

    现代的USB声卡大都使用了USB 2.0接口,速度问题是解决了,但是另一个问题却难以解决——USB总线的优先级远不如PCI总线,这就使得在系统忙的状态下,USB总线往往得不到足够的CPU时间,对于大多数USB设备这没有什么问题,但对于实时数据需求量很大的USB声卡来说,就会出现断断续续的现象。

    而且,用户使用的USB设备也是一个问题,由于USB总线采用了共享模式,所以USB硬盘、USB光驱这些同样需要大数据流量的设备会和USB声卡争夺有限的数据带宽,从而导致USB声卡和这些设备共用的时候就会出现如当年PCI声卡和PCI显卡所出现的爆音现象。所以,当使用这些设备的时候,一定不要把它们和USB声卡同时连在一个USB接口(其实严格说是一个USB控制器)上。

    总而言之,USB声卡与内置声卡特别是板载的AC’97软声卡相比,最大的优势就是能够获得更好的音质输出,但受USB总线先天不足的限制,比板载软声卡更不适合游戏之类对CPU资源和系统带宽需求迫切的应用。

 


马兰士
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