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USB-Audio (Universal Serial Bus) - synchroner, adaptiver und asynchroner Modus


Der Universal Serial Bus (USB) ist eine sehr weit verbreitete serielle Datenschnittstelle, über die Computer mit externen Geräten in Verbindung treten können. Ein Einsatzgebiet von vielen - und das uns hier interessierende - ist dabei die Audiodatenübertragung vom Computer zu einem entsprechend ausgestatteten Digital-Analog-Wandler. Diesen Datentransfer kann man sich, vereinfachend dargestellt, ungefähr so vorstellen:

USB-LogoDie Audiodaten werden von der Festplatte ausgelesen und im Arbeitsspeicher des Computers zwischengelagert. Von dort geht es jede Millisekunde zum USB-Ausgang, wo ein Datenpaket, ein sogenanntes „Frame“, zum Empfängerchip im D/A-Wandler gesendet wird. Der Takt, mit dem Datenpakete übers USB-Kabel geschickt werden, liegt also bei 1 kHz - die Clock, die dies steuert, befindet sich im Computer. Hieraus folgt ein (im Prinzip) konstanter Strom von 1.000 Frames pro Sekunde Richtung D/A-Konverter. Natürlich kann diese Clock auch jittern, also im Takt leicht schwanken.

USB-Stecker Typ A
USB-Stecker Typ A

Zu beachten ist allerdings, dass damit der „Füllstand“ der Frames (Datenpakete) nicht zwangsläufig auch konstant sein muss: Die Frames werden immer gesendet, ob sie nun leer, voll oder halbvoll sind - und der „Datenfüllstand“ bemisst sich u.a. auch daran, ob die CPU im (datensendenden) Computer nicht gerade mit Tasks und Programmen beschäftigt ist, denen eine höhere Priorität als die konstante Befüllung der Frames mit Daten eingeräumt wird. Ein konstanter Frame-Takt geht also nicht zwangsläufig mit einer ebenfalls konstanten Datenrate (Daten pro Zeiteinheit) einher.

USB-Stecker Typ B
USB-Stecker Typ B

Die USB-Empfängerseite (also der DAC) besitzt einen Zwischenspeicher für die ankommenden Daten, und um sicherzustellen, dass der weder voll- noch leerläuft, bedarf es zwingend einer Synchronisation des Computers mit dem USB-Receiver im D/A-Wandler. Für diese Aufgabe wird der sogenannte isochrone Übertragungsmodus (daneben gibt es noch Interrupt-, Bulk- und den Control-Modus) verwendet. Der isochrone Modus besitzt drei Untergruppen: Man spricht von synchronem, adaptivem oder asynchronem Datentransfer.

Der synchrone Modus spielt bei aktuellen D/A-Wandlern keine große Rolle mehr, die Clock im DAC läuft hierbei in Abhängigkeit vom 1-kHz-Frametakt des datensendenden USB-Bus, die maximale Samplingfrequenz liegt bei 48 kHz, die Wortbreite bei 16 Bit.

Der adaptive Modus hingegen ist eine sehr weit verbreitete Art des Datentransfers: Auf DAC-Seite erfolgt hierbei eine Art Taktwiederherstellung durch eine Phasenregelschleife (PLL), die in Abhängigkeit von der durchschnittlich ankommenden Datenmenge pro Zeiteinheit (also von der Datenrate, und nicht direkt vom Frametakt) die ursprüngliche Samplingfrequenz der Audiodaten wiederherstellt. Dies erfolgt in Reaktion auf den Computer und dessen Taktvorgabe, die freilich von Natur aus nicht darauf getrimmt wurde, einen maximal genauen Datenstream sicherzustellen. Der Computer ist im adaptiven Modus der Master, der DAC der Slave.

Beim asynchronen Modus hingegen erfolgt keine Taktwiedergewinnung durch eine PLL-Regelschleife, sondern eine vom Rechner unabhängige Masterclock im D/A-Wandler gibt das Timing vor, womit die Taktung unabhängig von den Unzulänglichkeiten des Rechners und vom USB-Bus hervorgerufenen Interface-Jitter werden soll. Das Master/Slave-Verhältnis dreht sich um: Die Clock im D/A-Wandler hat nun das Sagen und vermittelt über den USB-Audiocontroller wird eine Feedbackschleife installiert, die dafür Sorge trägt, dass der Computer den Zwischenspeicher am USB-Eingang im rechten Maß mit Daten versorgt, also nicht leer- oder volllaufen lässt.

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