2021年4月14日 星期三 05:26

音频世界的连接协议

深入研讨 理论知识 音频世界的连接协议

USB、Firewire和Thunderbolt:谁更适合音频工作?

当你在挑选新的音频接口或计算机时,对于种类如此之多的连接协议,你是否了解它们各自的优势和劣势呢?

购买带有USB、Firewire、Thunderbolt或PCIe接口的声卡是不是更好?在接下去的5至10年里,这些连接方式还会存在吗?为什么支持USB 3的音频接口还不太多呢?数据从A到B的传输选项又增加了——新加入的USB 3、Thunderbolt和Thunderbolt 2,以及之前的PCIe、USB 1、USB 2和Firewire 400、800——这些是专业人士和家庭录音室用户经常会面临的问题。在这篇文章中,我会尝试告诉你,在投资音频计算机和/或音频接口时需要知道的事。

世代的更迭

在深入讲解细节之前,有一些好消息是我们值得关注的:不管产品采用的USB、Firewire和Thunderbolt是哪一代的,最新的标准都具有向下兼容性。大多数Firewire 400设备能通过Firewire 800连接运作。通过转换器,很多Firewire设备也能连接到Thunderbolt端口上。类似地,USB 1和2设备也能在USB 3端口上使用。即便如此,这其中也还是存在一些例外。

在本文撰写的时期里,最常见的通用PC数据连接类型是USB 2,但很明显,未来会更加广泛地采用USB 3。目前,很多新发布的主板已经用USB 3取代了一部分的USB 2插槽。庆幸地是,USB 3是向下兼容的。实际上,它能支持大部分常用的周边设备。不过,在通过USB 3端口连接一些老的USB音频接口时,可能会遭遇未知的问题。在USB 2刚出现时,USB 1设备也常出现类似的问题。我们看到音频接口厂商在陆续对固件和驱动做升级——这意味着,不久之后,这样的问题就将彻底解决。

USB 3标准在这方面是很成熟的。今后你购买的音频接口应该会处理好这些问题。但是,如果你选择购买二手设备,那么最好提前到网络上搜索该型号在某些问题上的表现情况。当然,就算你遇到了兼容性问题,也不会是世界末日:现在的主板还是会搭载少量的USB 2接口。你可以选择低效但稳定的工作方式,直到音频接口制造商将这些暂时的问题处理好。

UBS 2够好了吗?

很多用户都对音频接口制造商在USB 3方面如此迟缓的进展感到意外。直到最近几个月,才有一些支持USB 3的产品进入市场。的确,USB 3是具有一些优势的,但进展如此缓慢,也是有原因的。

首先,在带宽的问题上,USB 2已经能满足大部分家庭录音室的应用需求了。USB 2的技术规格显示,它能传输高达480Mbps的数据。但由于线路限制,数据处理的方式以及设计师为保证日常使用效果而保留的净空量,设计良好的USB 2也只能达到接近280Mbps的吞吐量。

让我们用更具体的音频词汇来翻译一下。在USB 2最大的理论带宽下,你能够录制超过40轨24-bit、96kHz的音频。改为48kHz的采样率,能够录制80轨。如果在24-bit/48kHz的情形下,考虑更加实际的USB 2带宽,240Mbps(比较保守的数字,考虑到之前提到的连接限制):你仍然有能力同时使用40条达到广播品质的音频通道!另外有一些公司,通过构建自己的USB控制器,将USB 2音频接口的通道数提得更高。当然,因为在研发和性能优化上进行的工作和设计更多,所以它们的售价也更高。举例来说,RME的MADIFace USB,一款采用USB 2连接方式的数字音频接口,能提供128条通道的支持。为什么有这样的可能?这是因为数据传输处理采用了比USB标准更加高效的MADI协议。

很多USB 2音频接口制造商也会提供更高的采样率,比如96、192和384kHz,但在这样的情况下,USB的带宽会不够用:每当你加倍采样率时,数据量也会加倍。按照我之前说的240Mbps来讲,在96kHz的情况时,你能同时处理35条通道;在192kHz下,只有17条;384kHz下,只有8,9条。制造商要么提供数量少,但品质高(在前置放大器,A-D和D-A转换上)的通道I/O,要么就会限制某一采样率下可用的I/O数量。所以,虽然USB 2存在带宽的限制,但公平地讲,对于今天大多数的家庭录音室用户来讲,这个限制是可以忽略的。毕竟,我们中有多少人能听出96kHz和192kHz录音的差别呢?

USB 3的潜力

理论上,几种不同协议的带宽非常接近。但实际上,各种协议都存在或多或少的带宽限制,特别是不同的USB协议。而Firewire和Thunderbolt需要的“净空量”较少。
理论上,几种不同协议的带宽非常接近。但实际上,各种协议都存在或多或少的带宽限制,特别是不同的USB协议。而Firewire和Thunderbolt需要的“净空量”较少。

根据技术规格,USB 3能达到惊人的5Gbps带宽。但跟USB 2一样,在真实世界的应用中,这个数字会减少很多。实际上,它接近于3.2Gbps——比USB 2带宽十倍还多。

制造商正在着手利用性能更好的USB 3。目前虽没有太多的USB 3音频接口出现,但按照趋势,早期的USB 3音频接口将拥有更多I/O数量,支持更高的采样率。对于那些需要连接大量外部设备或运行大型录音工程的用户来说(他们不会满足于在44.1或48 kHz下录音),这似乎是一则好消息——随着时间的推移,这样的系统应该会便宜不少。

虽然现在还是USB 3时代的初期,但我们已经在计算机上看到了USB 3.1的标准——在Apple MacBook和Google Chromebook的一些移动产品上已经出现,部分桌面PC主板也开始配备。笔记本上的“USB 3.1 Gen 1”(“Gen”指的是世代)端口并没有提供比USB 3.0更高的速度/带宽,但它提供了更好的功能配置和性能优化标准。

随后,更新的“USB 3.1 Gen 2”也出现了。它的功能与“Gen 1”一致,但速度翻了一倍——理论吞吐量提升到了10Gbps,同时提升了数据转码效率,降低了消耗。在真实世界里,我们可以预期它的带宽超过7Gbps,比USB 3.0和3.1 Gen 1的两倍还多。

跟以前一样,新的标准会带来很多的物理连接口,这里需要理清一下。之前提到的Apple和Google系统,使用的是USB Type-C连接头(更加小巧,可反转的插口设计)。而已经拥有USB 3.1主板的Asus和许多准备在接下来几个月更新产品线的厂商,虽然采用了更加高速的Gen 2端口,但仍然保留了经典的单向USB连接口。

USB性能

USB 3(各种世代)的另一个潜在好处是,它能为需要线路供电的设备提供更多电流:900mA,而不是USB 1和USB 2的500mA。理论上,制造商可以利用这一点,开发出更好的线路供电接口——要么有更多的功能,要么有更多的通道。我之所以说“理论上”,是因为大多数产品还没有完全利用上这些额外的资源。不过,一些用户可能已经通过其他方式获得了效益:我偶然一次发现,如果一个需要线路供电的音频接口,在通过板载放大器为幻象供电话筒或需要驱动的耳机提供较好的性能,那么,在连接到USB 3端口上时,这个情况会改善。

Firewire

Firewire 400超出了大部分用户的需求,只要还有支持当前操作系统的驱动存在,那么大多数的Firewire音频接口都可以通过转换器在Thunderbolt上运行——制造商都纷纷宣布这一消息!
Firewire 400超出了大部分用户的需求,只要还有支持当前操作系统的驱动存在,那么大多数的Firewire音频接口都可以通过转换器在Thunderbolt上运行——制造商都纷纷宣布这一消息!

Firewire(IEEE 1394)从未像被Windows PC和Apple机器广泛采用。最近几年,主板的直接支持逐渐减少,这意味着,使用Firewire音频接口的用户在购买新的桌面机器时需靠对此做特别的考虑。

说到带宽,第一代的Firewire 400标准(IEEE 1394a)在字面上要比USB 2差一些(400Mbps)。它采用了对等网络连接系统,效果比USB的主/从方式更好。这意味着,Firewire浪费的带宽较少,提供的数据吞吐量更加稳定。最终,在同等条件下,它获得的延迟比USB更低。有时候,Firewire能比USB 2设备提供更多的I/O数量。这些因素让Firewire在很长一段时间里成为大型录音室更偏爱的连接标准。不过这些年,性能的差距不断缩小。在某些情况下,高端的USB 3音频接口能够获得比Firewire更低的延迟。

第二代Firewire(Firewire 800或IEEE 1394b)也出现了很多年。它提供的带宽是FW400的两倍,所以,你能想象到,多数大型I/O解决方案会选择FW800。因为这些优势,一些产品还支持多个接口的菊花链接,它能极大地提升录音性能。这就是专门的FW800接口比FW400要少的原因:跟USB 2一样,FW400已经能满足大部分家庭录音室用户的需求了。

不过,这些年一直存在一个困惑,尤其是对PC用户:因为Firewire标准更依赖于设备连接端之间的双向传输方式(这种情况下是计算机和音频接口),所以这也意味着,失败的可能性更高。有时候,如果两个控制器之前没有经过制造商进行的组合测试,那么它们可能无法一起工作。Apple用户经历的挫折可能比较少,因为Apple建立了少量使用通用组件的标准模型,而大多数制造商也会努力将它们的音频接口放在多数Mac型号上测试。

由于这个原因,大多数制造商会在网站上保留FAQ页面,详细描述各种Firewire音频接口型号的预测试结果。在购买之前,你有必要查看这些列表。如果你的制造商没有提供这方面的建议,那么记住,最常推荐的解决方案是使用围绕“Texas Instruments”控制芯片构建的PCIe控制器(通常会在产品盒上标明)。大多数制造商都会用这些控制卡来测试它们的音频接口。它们已经在很多工作室配置中服役多年。

Thunderbolt

通过PCIe卡,如ASUS的产品,可以让一些主板兼容Thunderbolt。但要注意,这种方法没办法直接加入USB或Firewire端口:通常,需要主板自带专门的接口。
通过PCIe卡,如ASUS的产品,可以让一些主板兼容Thunderbolt。但要注意,这种方法没办法直接加入USB或Firewire端口:通常,需要主板自带专门的接口。

最近出现的标准是Thunderbolt,它已经是Apple Mac平台上的固定配置了(对于它们的率先采用,需要表示肯定)。它也在努力(缓慢地)打入Windows PC市场——有一些主板现在开始支持它了:主板上自带端口或通过扩展卡。虽然说起来很简单,但这些扩展卡必须处于BIOS级别,并且需要有专门的接口来连接;你不能像Firewire扩展卡那样,直接连接Thunderbolt。制造商迟迟不将这些扩展卡引入市场,也阻碍了Thunderbolt在Windows用户中的应用。

去年,Thunderbolt 2标准来到——它是针对4k视频播放、采集以及其他高带宽应用需求而诞生的。跟Thunderbolt 1一样,它提供了20Gbps的单通道带宽,反之,Thunderbolt 1是两个10Gbps的通道。它保留了对原标准的向下兼容性。Thunderbolt在Windows PC上的缓慢进展,可能会导致大多数新的PC主板跳过Thunderbolt 1,直接提供Thunderbolt 2。

对我们而言,Thunderbolt的关键优势是,它的协议兼容Firewire,保留了很多同样的功能设置。这意味着,你可以在配备了Thunderbolt的计算机上通过适当的转换器,连接过去的Firewire设备。基本上,能让大量的Firewire音频接口重新派上用场,本身是一个利好消息——这可能会让过去的音频接口焕发新生。

虽然早前的一些报告指出,这些Firewire到Thunderbolt的转换器并不稳定,但最近的测试和反馈显示,大部分的Firewire音频接口——甚至是一些之前就不太稳定的——在通过Thunderbolt转换器工作时,没有出现任何问题。如果你考虑在新机器上,通过Thunderbolt,使用过去的音频接口工作,那么最好先调查一下制造商的技术支持论坛,看看其他用户分享的经验。

内置卡选择

多年以来,通过PCIe卡连接计算机的音频接口,比如RME的产品,是实现高带宽、低延迟音频的唯一选择。虽然USB在某些方面有了提升,Thunderbolt也似乎快要追上PCIe了,但从原则上讲,我们没有理由抛弃PCIe音频接口——它们仍然拥有优秀的性能。
多年以来,通过PCIe卡连接计算机的音频接口,比如RME的产品,是实现高带宽、低延迟音频的唯一选择。虽然USB在某些方面有了提升,Thunderbolt也似乎快要追上PCIe了,但从原则上讲,我们没有理由抛弃PCIe音频接口——它们仍然拥有优秀的性能。

在连接方式的比较中,我不敢怠慢这个内部声卡的经典选择。以PCIe为基础的声卡已经越来越少见了,很多用户都需要将录音室级别的音频接口带上路,通过笔记本移动工作。音频接口市场反应了这一点。然而,在需要更多带宽的情况下,我们仍需要PCIe所提供的数据传送率和低延迟。这就是为什么,在一些很专业的广播音频卡上还能看到它。这意味着,来自RME和Lynx的那些音频卡仍然能提供出色的性能。如果你拥有其中之一,并计划升级桌面机器,那么最好找一款支持PCIe插口的机器。当然,这个格式的性能正面临着新出现的Thunderbolt标准的强力挑战。

结论

对于需要购买设备的用户,目前的市场恐怕还存在着极大的不确定性,混杂的标准众多。的确,就在不久前,出现了Thunderbolt 3的消息。作为第一个官方支持,它会出现在2015年末发布的Intel “Skylake”芯片上。

在我们发稿前不久,Intel发布了Thunderbolt 3的消息。虽然支持的设备还没有上市,但它承诺提供更大的带宽,更多的线路电源以及串联设备的能力。这值得等待吗?
在我们发稿前不久,Intel发布了Thunderbolt 3的消息。虽然支持的设备还没有上市,但它承诺提供更大的带宽,更多的线路电源以及串联设备的能力。这值得等待吗?

Thunderbolt 3被吹捧为一个能兼容一切的连接协议。标题数字为40Gbps的数据比率——是Thunderbolt 2性能的两倍。在带宽允许的情况下,支持最多六台设备的串联。如果通过适当的转换器,它能支持过去的Thunderbolt设备以及DVI、HDMI和VGA显示器。最有意思的是,Thunderbolt 3能为连接设备提供100W的供电,同时提升线路供电设备的功率,从目前10W的标准提升到了15W。随着时间的推移,这应该能满足连接设备恐怖的“功率消耗”。顺便提一句以防混淆,它采用的是与USB 3.1一样的可反转连接口标准设计——Thunderbolt 3端口甚至能向下兼容USB 3.1。不过,在连接3.1设备时,只能按照USB标准,提供10Gbps带宽和较低的充电率。

上面提到的一切都会在未来出现。到2016年,Thunderbolt 3的计算机和外部设备应该会广泛流行起来。就目前而言,USB仍是最被广泛支持的标准。通过它,你可以轻松地连接大部分的桌面机和笔记本。你现在购买的任何主板都会带有USB 2和USB 3端口,它们能满足你大部分的需求。如果你选择的是最新的主板,也许还会配备最新的USB 3.1。

在音频接口方面,驱动和性能正在逐渐改善。对于小型录音工作室以及主要通过计算机工作,对声源录制要求不多的用户,USB仍然是最优良可靠的选择。因为USB被广泛采用,导致音频接口商在这部分市场份额上的竞争越发激烈,而这恰好有助于让价格维持在一个合理的范围内。虽然USB 3的采用率有所上升,但也不要贬低USB 2音频接口:它们所提供的性能已经超过了我们大部分人的需求。而且现在,USB 2设备也比专门的USB 3设备便宜不少。

一些音频接口,比如最新的Universal Audio Apollo,就利用了Thunderbolt提供的带宽和性能。因为它们带有DSP插件处理器,需要与计算机进行音频交换。现在的笔记本上都配备有连接口,这意味着,小型Thunderbolt音频接口还有一席之地,比如上面图片中的Zoom TAC2,它可以与其他设备进行串联使用。
一些音频接口,比如最新的Universal Audio Apollo,就利用了Thunderbolt提供的带宽和性能。因为它们带有DSP插件处理器,需要与计算机进行音频交换。现在的笔记本上都配备有连接口,这意味着,小型Thunderbolt音频接口还有一席之地,比如上面图片中的Zoom TAC2,它可以与其他设备进行串联使用。

那些需要为桌面机器增加Firewire兼容性的用户,可以通过购买价格实惠的PCIe卡轻松实现。如果你想要在笔记本上使用Firewire,那么可以选择带Thunderbolt接口的型号,购置一个转换器。大多数的Mac电脑都提供了这些接口,而如果是其他品牌,选择上会稍有限制。

最后,我们要说说Thunderbolt,它满足了大部分音频应用的诉求。一些音频接口提供了大量高品质的I/O——有些甚至有板载的DSP处理功能——目前已有不少,之后还会更多。但我们也看到了一些售价适中的设备,比如那些I/O数量并不多的产品。为什么?因为Thunderbolt带来的好处与Firewire一样。不仅是低延迟的性能,还有设备串联的能力。实际上,通过Firewire并不总能达到这么好的效果,毕竟它的带宽限制更大。鉴于现在大部分的笔记本提供的连接性相对有限,支持Thunderbolt的音频设备就变得更加诱人:不仅意味着你不需要通过转换器使用,也意味着,你可以将USB端口留给其他外部设备,如iLok软件保护器等。

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乐极客创办人,独立音乐制作人,混音师。

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