USB 专业录音声卡方案

方案背景

个人/团队追求高清录音是为了让真实的，美妙的歌声/乐器的声音得以存储和转递，更加真实的声音往往需要更高的声音采样率才能装载更多声音频谱信息。同时，为了达到演唱表演的需要，往往是需要融合更多乐器的声音，个人演唱的声音，和背景音乐的声音。

由于现有的类如电脑和手机的终端设备无法实现更加高清的录音，也没有办法能够同时接入钢琴/吉他，多路高清麦克风，和监听耳机，难以满足音乐爱好者对演唱表演的要求。而使用USB Audio设备进行通过USB进行扩展专业录音声卡将是最优的选择。USB Audio方案能够实现USB UAC2.0协议异步传输，保证了多通道，高码率的（类如10通道192KH）音频传输带宽。并且能够支持MIDI接口，多路模拟麦克风，带监听耳机输出，同时使用混音算法（Mixer）以融合人声和音乐。

方案概要

XMOS USB Audio方案在众多USB专业录音声卡解决方案中是具有高性价比的选项。其优秀地结合了XMOS的专有的XCORE架构，高反转且灵活I/O，高精准时钟同步和高保真的数字音频传输。其中：

• 采用标准的UAC2.0 （USB Audio Class 2.0)协议和异步传输（Asynchronous）方式，其确保USB高带宽传输高清音频数据，同时能够高度兼容各大操作系统类如Windows, Android ,Linux等。同时集成了完善的HID协议，能够灵活实现HID控制指令上/下报。
• 高反转且灵活I/O，能够轻易实现高速率的I2S，MIDI 和SPDIF音频S输入输出接口要求，能够满足多种音频接口和多通道的需求。

在XMOS的USB专业录音声卡解决方案中，使用的是USB协议里面的Asynchronous时钟模式, PC等主机（Host）与播放设备（Device）间同步的时钟源是设备上本地的非常低时钟jitter的有源时钟，方案本身就能够保证时钟精度与bit-perfect的音频数据传输，同时本地时钟源可以使用XMOS内部高精度，低抖动的时钟源。

在XMOS的USB专业录音声卡解决方案中，XMOS芯片平台具备非常灵活的I/O特性，能够通过软件IP的方式生成多组I2S，以此能够灵活实现高端10 channel input和10 channel output@192kHz,24bit（遵循USB IF带宽标准）；也能够灵活实现MIDI in&out ,S/PDIF in&out。其PCM通道数量遵循USB IF标准的前提下，参考如下表的:

标准的USB异步传输端点不同采样率最大通道数量

另外，XMOS提供开源的工程代码，用户能够在USB专业声卡的工程代码中，使用XMOS提供的混音（Mixer）模块实现灵活配置混音和监听功能，甚至用户额外增加EQ功能（需要用户编写）。

整体方案中，也要求用户必须采用外置的高端的ADC/DAC/Codec芯片，确保用户自由选择优秀的高采样率，高SNR, THD和通道分离度高的模拟芯片选型。用户在XMOS USB Audio方案的bit-perfect和灵活性的前提下，能够充分发挥USB专业声卡音频所需的模拟音频设计。

XMOS的USB专业录音声卡解决方案要求用户根据自行需要，进而选择第三方高质量的Windows系统的USB声卡驱动，以便支持ASIO驱动，达到更加低延时，更多音频通道的体验需求。

方案特性

USB 协议

• USB 2.0 (Full-speed and High-speed)
• USB Audio Class 2.0
• USB HID
• USB Firmware Upgrade (DFU)
• UAC 2.0协议，支持ASIO，支持Windows, Linux, Android, MAC OS和IOS等多种操作系统

音频接口

• I2S in&out(master/slave)
• S/PDIF in&out
• MIDI in&out
• TDM-8 (master/slave)

音频采样率

• PCM: 44.1kHz, 48kHz, 88.2kHz, 96kHz, 176.4kHz, 192kHz, 352.8kHz, 384kHz

音频算法

• Mixer(混音)
• EQ(均衡器，用户自行实现)

方案框图

XMOS的USB专业录音声卡方案中，可以使用XMOS多个芯片平台，如如XU208-128-QF48, 但是现在推荐使用最新的XORE.AI芯片XU316-1024-QF60B-PP24来实现该方案。结合了XU316-1024-QF60B-PP24芯片硬件特性，和外围电路以及其方案的工程固件，能够完善地支持完善的UAC2.0协议和多组多种音频接口，同时确保了时钟低抖动的质量把控，和bit-perfect的质量把控，因此XMOS成为USB专业录音声卡的优秀的方案。

其中:

• XU316-1024-QF60B-PP24需要3v3, 1v8和0V9电源供电
• 可选内部pll时钟生成22.5792/24.576MHz（app_pll）提供I2S的MCLK给ADC/DAC/Codec
• 需要外挂16Mbit flash存储XU316的固件
• 需要外部选型ADC/DAC/Codec和运放等模拟器件

软件框架

XMOS 的USB Audio方案采用XMOS独有的XCORE多核架构实现，在XMOS多个芯片平台都可以实现该方案，这里以U316-1024-QF60B-PP24为例，阐述该方案的实现原理，同时建议用户查看文档, 以加深对该架构的理解。

• XMOS USB Audio白皮书
• 软件开发指导

需要说明的是，使用XMOS的平台需要至少5个核心才能满足运行XMOS的USB

• UAC协议使用了XMOS 5个核心
• I2S/TDM使用1个核心
• S/PDIF in&out各使用1个核心
• MIDI in&out各使用1个核心

应用场景

XMOS的USB专业录音声卡方案适合应用到如下产品：