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HIFI日记:USB线如何影响音质

今天我们来尝试科普一下USB线为什么能影响音质。对于这个问题,实际上需要了解的人真的不多。对于已经对线材有着充分认知的朋友,哪怕不懂原理,线材的价值也已经做到心里有数。因此这份科普主要面向的,还是面对刚入门HIFI,对数字信号的理解还停留在0/1的聚合体上的朋友。

1、导言

在开始讲解之前,我们来看一张图:

数据从左传输向右,大家可以理解成左边是PC,右面是解码,他们都在传输同一串信号“011010010”。在传输过程中,上面一串的传输非常稳定,每个数据之间的时间间隔一致,没有受到任何影响。而下面这串数据,他们的传输则不太稳定,虽然最终没有出现数据错误(误码),但是延迟所产生的种种问题就会在解码上出现。以这个为开头,是希望让大家理解到,数字信号哪怕前端和后端都没有出错,但是在传输途中仍然会有额外的因素影响,而这个传输过程,就是我们今天讨论的主角:USB信号线。

2、关于数字信号的本质

让我们回到一开始的问题上来,USB线为什么会影响音质?如上面BLOG主画的图,数字信号的本质似乎就就是0和1的聚合体。既然是0和1,为什么会出错呢?实际上这是一个很基本的概念性出现了错误。

如上图所示,数字信号实际上是通过“电压”的高低形成的“方波”,当电压经过一个阈值时,就会触发检测器,从而形成0和1。而当代计算基础理论知识通常会简化这部分概念,直接从0和1开始介绍,这也导致很多人忽视了一个基本的问题。既然数字信号是由电压的变化引起的,那么电压的波形形状以及移动的时间,自然就会影响到数字信号的传输乃至于准确性。

3、关于USB如何传输数字信号

说完了数字信号的产生,我们还需要了解到USB线材的数据传输原理。USB信号采用差分信号传输,对于USB2.0信号电平是-10-10mV的逻辑低电平,360-440mV的逻辑高电平。所以USB实际上是一个对电信号非常敏感的载体,而这些电信号的本身也非常容易受到外界影响而产生误差。USB 2.0的高数据速率导致抖动和衰减成为一个主要问题(在距离上,高频率比低频率衰减得更快。此外,高频率更容易受到抖动的影响)。当信号从发射器(PC)到接收器(DAC)时,我们可以明确地观察到信号的衰减。信号传输的反射和时钟的不准确会导致产生大量的抖动(jitter)。而音乐播放是一个实时的过程,在这个过程中,准确的时钟是确保音质的一个核心参数。在以前的科普中,BLOG就不止一次强调过,数字音频实际上就是一场跟如何降低jitter的斗争史。因此,一根良好的USB线材,对于音频传输来说,是远远不够的。

USB线的在正常传输数据时就已经会产生损耗,损耗会使信号波形变圆和倾斜,产生数据错误,导致声音产生失真。因此,高端的线材厂商会想尽一切办法设计一条最小损耗和最大波形保真度的USB线材,而这就是降低USB信号传输中产生jitter的最有效方法了。因此,只求更低的误码率、更好的传输性能,在USB线材上几乎没有止境。

4、关于USB线供电产生的电噪音

计算机的电源是一个非常著名的噪音源,特别是当前电脑主流电源结构并未过多考虑抑制电噪音的问题,特别是使用开关电源,因为存在开关管和功率磁性元件等,会产生大量的噪声源。而大多数USB线材并没有将嘈杂的供电线与信号线隔离,因此噪音会与信号混合,通过5V导体进入DAC。另外,USB供电线内的静电荷相互作用也会产生噪音。这种电噪声会给信号波形增加一定的粗糙度。这种粗糙度会在信号中产生额外的抖动(jitter)。

5、关于线材导体材质

这主要是针对DIY线材来说,因为高端USB线昂贵,不少人开始寻找优秀的导体进行DIY制作,但是这时候就要考虑很多其他因素影响USB的传导性能了。首先是因为数字信号线材对电压非常敏感,因此采用镀银的线材更容易因电压不问导致误码的情况,更理想的情况应该是使用纯度高的单一材质导体作为线基。但是光有好材质的导体明显不够,考虑到亲肤效应,USB只能采用多股极细纤芯作为传导载体,这一点又对DIY线基的选择提出了新的要求。另外则是要考虑到由于电脑中的CPU频率高达几千兆赫,由此带来了大量的电磁辐射(EMI),特别是由于CPU频率不是固定的,在动态变化过程中,影响也就够更为复杂多变。因此一根优秀的USB线必然有着极其复杂的屏蔽结构,对于一般DIY线材而言,这几乎是无法做到的。

6、关于USB插头

老生常谈的问题,毕竟是信号传输,插头的影响就变得至关重要,一个好的插头不仅能防止氧化生锈,还能提供极其优秀的导电率,降低电子干扰的影响。凡此种种,如果有机会BLOG会专门找机会单独聊聊插头的问题。

7、关于同步和异步

在编写这篇科普时,就有不少朋友问BLOG主,USB不是有异步技术么,那就不存在误码问题了啊。诚然,在USB异步技术普及后,USB传输的音频信号也得到了校验的机会,不再容易出现误码导致的数据错误问题。在当下,大多数USB界面都已经普及了异步技术,比如大量使用的XMOS界面就是异步。

但是异步虽然解决了USB的误码问题,但也因此暴露出一个更为严重问题:时钟信号。任何数字信号的传输都需要一个时钟信号以确定数据的“速度”和“排列”,这对要求精度极高的音频来说,一个优秀的时钟信号可以说是音质好坏的命脉所在。而USB数据传输中,有3种方式获取时钟信号,分别是同步(synchronous)、适应(adaptive)和异步(asynchronous)。前两种都是从前端(PC)获取时钟信号,而最后的异步则是从后端(DAC)中获取时钟信号。这样一来,时钟信号就显得至关重要了。

即使DAC的时钟信号极其优秀,以至从USB口进入的数据都得到数据重整,优秀的USB线材仍然有其价值。除了上面所说的电噪音影响,异步传输数据,实际上对后端(DAC)的数据重整会给CPU产生巨大的压力,特别是当年前面信号质量很烂的时候,对CPU的压力就更大了。刚刚上文也提及的CPU(现在一般用FPGA)高频电噪音,在DAC中也是适用的。因此一根优秀的USB线材,即使在面对异步传输的USB信号时,也有着一定的作用。

8、关于USB音频传输协议

补充一个很坑爹的点, 当前USB解码设备有部分使用的是一套名为UAC(USB Audio Class)的音频通用接口,他允许支持UAC接口的硬件设备即插即用,无需繁琐的驱动安装和设置。然而在这个规范中,USB音频传输遵循“Isochronous Transfers”模式。这个模式下,音频传输更关注延迟性能,在一定程度上允许数据出现错误冗余并且不进行校验。因此,UAC本身就因为其脑残的接口特性,从一开始就不适合HIFI音频使用,遇到使用UAC规范的DAC,还是尽可能买根好点的USB线吧。

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4条评论

  • Deepspace

    我实在想不出哪怕任何一个学过物理并知晓且理解USB传输原理的人能写出这样的文章。玩过示波器的就知道导体的质量对数字信号的波形不会产生太大的影响,顶天就是电平关断和开启的斜率更大–因为电阻降低了最大电平。而波形中的倾斜是由于半导体无法在无限短的时间内关断所产生的的,和线材没有任何关系。
    然后就是USB传输信号的原理。USB用的是差分信号,一个信号分为两组,一组高电平时电压增加,一组高电平时电压降低,低电平时相反,0电平时无信号,就是为了抑制电子噪声而做的设计,除非是能让电子设备瘫痪的EMP,否则不足以产生误码。你说硬件噪声,除非能只影响一条数据线路,否则硬件噪声对差分数字信号没有任何影响。如果USB连240Mhz的信号都做不好,现在的2.5Ghz的3.0是神赐给我们的?

    • huoyanyan

      我也实在想不通一个完全不玩HIFI线材的人是如何找到这里的,USB线材对音质的印象是非常明确的,或许我文章中理论部分有瑕疵或者错误,但是不影响这个结论。马克思说过实践是检验真理的唯一标准,在我学习物理前,我更是一个唯物主义者,通过对照实验的方式得出了这个结论,或许比你写的评论更具有说服力。

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