DEMATERIALISATION: LES BASES

QUE VOUS DEVEZ CONNAITRE

I INTRODUCTION.
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Au cours des dernières années, la «dématérialisation» de la musique est devenue de plus en plus importante, tant en termes de parts de marché qu’en termes d’intérêt pour les amateurs.

Au début, la plupart des personnes intéressées par la dématérialisation n’étaient pas des amateurs de HiFi, mais surtout des accros de l’iPod: ils ne regardaient pas la meilleure qualité musicale mais la facilité d’utilisation.

Mais les choses changent, et la dématérialisation est dans l’œil d’un nombre croissant d’audiophiles, et nous recevons chez Threshold Lovers, un nombre croissant de demandes pour commenter et informer sur cette nouvelle approche, ainsi que d’évaluer divers appareils, plus ou moins dédiés à la musique dématérialisée.

 

Mais d’abord, qu’entendons-nous par dématérialisation?

 

Par dématérialisation, on entend la musique qui n’est pas stockée sur un support physique tel que CD, DVD audio, SACD, Bluray audio ou … vinyle (voir note 1) !

La plupart du temps, la musique sera enregistrée sur un fichier, qui peut être stocké sur un disque d’ordinateur, une clé USB ou une carte mémoire (ou sur Internet).

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[note 1]: ne pas confondre “numérique” et “dématérialisé” …
 
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II-DIGITAL VERSUS DÉMATERIALISÉ D’UN POINT DE VUE DE QUALITÉ.

Notre CD bien connu a plus de 20 ans … (oh mon dieu …).

 

Pour ceux d’entre vous qui étaient déjà en mesure de comparer la qualité musicale des premiers CD avec une excellente platine vinyle (voir note 2), vous vous souvenez sans doute que les premiers lecteurs de CD étaient simplement: un désastre du point de vue qualité de reproduction.

 

Ils ont été une catastrophe auditive, même pour ceux d’entre nous qui ne connaissaient pas les systèmes haut de gamme …

 

Il a fallu deux ou trois ans pour que le CD acquière une qualité musicale acceptable, ou plus exactement pour que les lecteurs de CD atteignent un niveau acceptable de qualité musicale pour le commun des mortels.

 

Lorsque cette première étape a été atteinte, les audiophiles ont dit la même chose: « le CD n’est pas aussi musical que le vinyle » (et notez qu’ils ont encore beaucoup à dire, mais ce n’est pas le but de cet article).

 

Ensuite, nous avons vu apparaître un nouveau type d’appareils (très importants) sur le marché: les DAC. C’est-à-dire le convertisseur numérique-analogique, qui met l’accent sur l’importance de la conversion numérique/analogique pour réaliser un système hautement musical.

 

Je ne suis pas sûr à 100% que WADIA ait été le premier à offrir un DAC de haute qualité, mais je me souviens que le WADIA 2000 a marqué nos mémoires comme étant l’une des plus célèbres avancées de la reproduction musicale numérique, accompagnée de quelques autres des produits bien conçus comme le THETA par exemple.

 

La plupart de ces DAC haut de gamme utilisaient des puces ou des algorithmes propriétaires et constituaient un «tour de force» à cette époque.

Le prix de ces DAC en France à cette époque était souvent supérieur au prix de la grosse voiture!

 
wadia_2000.jpg

De nombreuses années plus tard, les DAC ont fait beaucoup de progrès, et ils offrent désormais une qualité musicale élevée à bas prix: du moins certains d’entre-eux….

 

Plus exactement les puces impliquées dans les DAC se sont (vraiment) largement améliorées (voir note 3), les constructeurs ont parfaitement compris les pièges à éviter, ils savent comment concevoir un bon DAC, le jitter est de mieux en mieux géré, et beaucoup de gens peuvent s’offrir un très bon CAD à un prix très raisonnable (c’était encore difficile il y a 5 ans …).

 

Nous pourrions donc croire que tout devient parfait dans le monde numérique.

Cela pourrait être la fin de cet article, mais malheureusement Steve JOBS a rendu son iPod si populaire, et les majors ont été si paresseux (voir note 4), que la musique dématérialisée est devenue un succès indomptable.

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À la recherche d’une qualité musicale supérieure à celle d’un iPod (on les comprend aisément…), les amateurs de vraie Hi-Fi ont commencé à utiliser un autre type de DAC pour convertir le flux numérique issu de leur iPod ou de leur ordinateur en musique analogique.

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Ces DAC ont été connectés à l’ordinateur via un câble USB.

Et puis un autre problème est apparu: les Audiophiles ont fait remarquer que ces DAC alimentés par un bus USB n’étaient pas aussi musicaux que les DAC alimentés par la classique prise SP/DIF pour un même fichier écouté.

Ainsi est apparu un sujet supplémentaire très intéressant à discuter, pour nous, les audiophiles …

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Alors arrête de regarder CNN, arrête de manger ton hamburger, arrête d’embrasser ta copine, on va juste essayer de comprendre ce qu’il se passe !

 

[note 2]: ahhh, le Linn Sondek LP12 avec une alimentation Lingo, l’Oracle, le fameux Micro Seiki, le Well Tempered, etc …

[note 3]: par exemple, l’amélioration de la qualité entre un récepteur d’entrée de puce CS-8412 et son frère compatible pin-to-pin CS-8414 est tout simplement incroyable ….

[note 4]: pyracy est là mais les supports musicaux matérialisés, comme le DVD-Audio ou SACD, auraient pu être le successeur du CD s’ils avaient été correctement commercialisés et s’il avait été possible de les copier (oui copie par rendre le flux numérique haute résolution entièrement accessible) afin de leur apprendre la leçon dans notre voiture ou notre deuxième maison.

Mais ce n’est pas le sujet de notre article …

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III-LE TERME « ISOCHRONE » PEUT SIGNIFIER DIFFÉRENTS MODES….

Depuis que les faiblesses de la conversion numérique ont été découvertes, un terme est devenu populaire: «jitter», et la promesse de «la sonorité parfaite émise par n’importe quel lecteur de CD» s’est transformée en beaucoup d’explications confuses sur les raisons de pourquoi  nous n’obtenons pas ce fameux son parfait …

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Mais les ingénieurs ont amélioré leur compréhension des problèmes et ce qui se passe exactement entre la lecture du fichier numérique et sa conversion analogique.

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C’est ce que nous allons étudier dans les sections suivantes.

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Afin de simplifier, nous limiterons notre étude à l’utilisation audio de l’USB.

 

La norme USB a été conçue pour fournir un moyen facile d’utiliser l’échange de données depuis un ordinateur.

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Bien qu’il existe 4 modes possibles (voir note 5) dans lesquels une connexion USB peut être utilisée, nous limiterons notre étude à celle qui intéresse notre communauté audiophile: le mode isochrone.

 

Contrairement au mode de transfert en masse (voir la remarque 5), le mode de transfert isochrone est conçu pour les applications qui transmettent les données de façon continue, et où le temps est critique. La bande passante est garantie et la latence est limitée.

 

C’est le mode pour nos applications audio.

L’intégrité des données n’est pas le but principal de ce mode: les erreurs sont détectées par la méthode CRC classique (CRC=Cyclical Redundancy Check), mais les données ne sont pas envoyées une seconde fois en cas d’erreur: vous comprenez certainement maintenant pourquoi on vous a parlé de « détection d’erreurs » et pourquoi ils devraient être évités autant que possible (les données ne sont pas renvoyées !) …

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Contrairement au mode de transfert de contrôle, le flux est unidirectionnel.

 

Les vitesses supportées de ce mode sont désignées par “Full speed” et “High speed” seulement (voir note 6): ce n’est pas une nouvelle puisque comme nous le savons tous, la toute première norme USB basse vitesse ne convenait pas à l’audio …

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Comme nous le verrons plus loin, un problème majeur avec le mode isochrone est que si les données sont corrompues pour une raison quelconque (défaillance du bus, interférence, etc …) les données ne seront pas envoyées une seconde fois: il n’y a pas de signal d’acquittement ( ou reçu) donné par le dispositif de réception.

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Par conséquent, si les données sont corrompues, vous pouvez seulement faire confiance au système de détection des erreurs pour espérer que les données seront reconstruites par ce système de détection d’erreurs.

 
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Quelle est la séquence de lecture / envoi en mode isochrone?

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La séquence peut être décrite comme suit:     

  1. le bus USB utilise une horloge dédiée (c’est-à-dire un quartz utilisé uniquement par le bus USB) cadencée à 1 kHz     
  2. l’ordinateur lit les données du fichier musical, qui peuvent être stockées sur un disque dur, une carte mémoire ou tout autre dispositif de stockage de fichiers     
  3. quand il a lu les données, il stocke les blocs de données dans sa mémoire et les pousse (disons les spools) vers la sortie USB dans un flux continu à une fréquence de 1 kHz (c’est-à-dire toutes les 1 ms)    

 

 

Le rythme de ce flux continu est permanent et ne dépend pas de la valeur des données: les blocs sont envoyés alors qu’ils sont vides ou non.

Vous avez donc compris que cela garantit qu’il n’y a pas de problème de synchronisation…

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Malheureusement, ce n’est pas …!

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Même si l’horloge est dédiée au bus USB, les actions ne dépendent pas uniquement de l’horloge: elles dépendent également du processeur, qui peut être occupé par de nombreux autres processus différents des seules actions USB …

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Quand il s’agit de la synchronisation entre les 2 appareils (lecteur et convertisseur), le mode isochrone peut être géré par 3 méthodes différentes, appelées Synchrone,     Adaptatif ou encore     Asynchrone que nous allons comparer ci-dessous.

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Sachez que très peu d’entreprises n’utilisent pas l’audio USB en mode isochrone classique; ces entreprises qui font ‘exception à la règle’ adoptent un mode de transfert par bloc et leur propre design: nous mettrons bientôt à jour cet article sur cette approche spécifique (voir note 5).

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IV-.DRIVE/HOST, DAC, MAÎTRE, ESCLAVE, ET … ÉCHEC!
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IV-1.La méthode synchrone. 
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C’est évidemment la plus simple, et probablement la première méthode qui est apparue dans l’audio USB.

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Avec cette méthode, l’horloge qui régule le DAC est faite à partir du signal de 1 kHz provenant du câble USB.

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Le problème principal n’est pas seulement qu’il est limité à la fréquence la plus élevée que cette méthode peut supporter (voir note 7), mais c’est surtout qu’il est très sensible au jitter.

Et le jitter n’est pas du tout notre ami du point de vue de la qualité musicale …

 

On pourrait dire que le DAC est asservi à l’USB. Et c’est une très mauvaise idée car la conversion N / A sera énormément impactée par le jitter en provenance du câble USB, et on peut donc logiquement s’attendre à une mauvaise qualité finale de restitution de la musique…

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IV-2.La méthode Adaptive.   

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Le jitter généré par le bus USB étant notre ennemi, que pourrait-on faire pour l’éviter?

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Nous pouvons bien sûr utiliser une horloge externe au lieu d’utiliser l’horloge venant de l’USB 1kHz.     

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Dans cette approche, une horloge séparée est utilisée, c’est-à-dire que le 1kHz provenant du câble USB n’est plus l’horloge maître au niveau de l’interface audio USB.

Cette horloge séparée est située dans l’interface du contrôleur audio USB.     

 

C’est bien sûr une meilleure approche que celle synchrone, car elle est beaucoup moins sensible au jitter.

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Néanmoins, elle peut toujours être affecté par un problème provenant du bus USB, puisque ce bus USB est en AMONT du convertisseur.     

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En outre, l’utilisation d’un synthétiseur de fréquence présente certains inconvénients, car il peut générer son propre jitter …     

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Un circuit dédié regarde le taux de transfert de données sur le bus USB et modifie légèrement l’horloge pour être parfaitement en ligne avec le taux de transfert.

Le circuit dédié est une boucle Phase Loop Locked classique connue sous le nom de « PLL ». 

Synoptique du fonctionnement :

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Les premières puces ont été limitées à 16 bits comme le Texas Instruments PCM2702 par exemple: datasheet est disponible ici.

De nos jours, la plupart des puces offrent le support de 24 bits / 96 kHz.

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Comme toujours lorsqu’il est question d’ordinateurs, les pilotes sont nécessaires et les pilotes audio USB de classe 1 ne peuvent pas dépasser les 96 kHz: vous avez besoin des pilotes audio USB de classe 2 pour atteindre les 192 kHz.

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Voir note 8. Le VIA EnvyVT1730 ou le GFEC Tenor 8802L sont deux exemples de contrôleurs audio USB 2 plus modernes.

VIAEnvyVT1730.jpg USB Interface
» USB 2.0 High-Speed (480 Mbps) Device Compliant
» USB 2.0 Full-Speed (12 Mbps) Device Compliant
» USB 2.0 High-Speed PHY Integrated
» USB Audio Class v1.0/ v2.0 Device Compliant
» USB Device Firmware Upgrade v1.1 CompliantHigh Resolution, Multi-Channel PCM Audio Bit Streams
» Up to 24-bit, 192kHz sample rate
» Up to 5 Input Streams and 6 Output StreamsI2S Audio Interface
» 8 I2S Input
» 8 I2S Output
– Mono/ 2-Ch
– 16/20/24-bit
– 32 / 44.1 / 48 / 88.2 / 96 / 176.4 / 192 kHzS/PDIF Interface
» 2 Stereo SPDIF Output,
» 1 Stereo SPDIF Input
– Mono / 2-Ch
– 16 / 20 / 24-bit
– SPIDIF In: 32 / 44.1 / 48 / 88.2 / 96 kHz
– SPIDIF Out: 44.1 / 48 / 88.2 / 96 / 192 kHzBlu-ray Disc™ Audio Content Protection
» 24-bit/192kHz audio output delivering cinema-level audio experienceMIDI Interface
» 3 MIDI In
» 3 MIDI Out
» Any MIDI port can be used as UART

 

 

Vous trouverez plus d’informations sur le VIA VT1730 sur le site du constructeur ou le GFEC Tenor8802L:

GFEC_Tenor8802L.jpg
  •  USB2.0 High-Speed device supporting Audio Class v2.0
  •  USB2.0 Full-Speed device supporting Audio Class v1.0
  •  Audio Features
  •  2-Inputs support by one I2S pairs with 128/256 Fs
  •  2-Output support by one I2S pairs with 128/256 Fs
  •  Adaptive/Asynchronous Mode supported
  •  High-Speed mode support Adaptive/Asynchronous
  •  Full-Speed mode support Adaptive only
  •  Resolutions support 16/ 24-Bit with sampling rates support 44.1/48/88.2/96/176.4/192KHz
  •  Built in one IEC60958 professional 24 bit/96KHz S/PDIF RX
  •  Built in one IEC60958 professional 24 bit/192KHz S/PDIF TX
  •  One set of master I2C ports
  •  Two sets of standard MPU-401 compliant MIDI Tx/Rx pair by UART with pass-thru.
  •  Offer customized driver for Windows OS
  •  PLL integrated to support single 12MHz crystal operation
  •  1.8V core, 3.3V analog and I/O (3.3V tolerant)
  •  LQFP-128 package
  •  PB-Free

 

Plus de détails et des cartes d’évaluation relatives au GFEC Tenor8802L peuvent être trouvés sur la page du fabricant.

Mais revenons à notre sujet: les méthodes de synchronisation.

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IV-3. Méthode asynchrone, ou «Hôte, DAC, Esclave, Maître et … Succès».

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C’est le dernier, et probablement celui qui génère le plus gros buzz sur internet.

Cette méthode diffère du mode adaptatif en 2 points:     

 

  • une horloge externe, c’est-à-dire externe au contrôleur audio USB, est utilisée et peut être choisie pour avoir une très grande précision. Cette horloge est utilisée pour piloter le flux sortant du tampon et entrer dans le DAC.     
  • un flux de retour (provenant de l’interface audio USB vers l’hôte) informe l’hôte pour ajuster le taux d’envoi des données, afin d’éviter un débordement / sous-dépassement de tampon (le tampon est situé dans le contrôleur audio USB).

 

Nous pourrions dire que l’hôte est asservi au DAC. Ce mode est très intéressant car:     

 

  • une horloge externe de très haute précision peut être choisie par le constructeur pour minimiser le jitter (bien sûr si l’horloge est de mauvaise qualité, ne vous attendez pas à autre chose qu’un résultat décevant …).   
  • l’horloge de haute précision est aussi proche que possible du DAC (ou même de la puce DAC elle-même)    
  • le flux des données envoyées du tampon au DAC n’est pas affecté par quoi que ce soit qui se passe sur le bus USB entre l’hôte et le contrôleur USB   (puisque l’horloge est située APRES le bus USB et APRES le contrôleur USB)
  • le flux des données envoyées par l’hôte vers le contrôleur USB est piloté par l’état du tampon (assez vide / proche du débordement / proche du sous-flux)     
  • le DAC travaille dans les meilleures conditions possibles et semble être actuellement le favori parmi les audiophiles. Cette approche permet d’utiliser les meilleures horloges disponibles et un design plus flexible.
 

Synoptique du fonctionnement:

 

 

 

Cette conception est beaucoup plus flexible et permet aux fabricants d’utiliser les meilleures horloges disponibles.

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Bien que nous sachions tous que dans le monde Hi-Fi, le prix ne garantit pas du tout la qualité finale, quand il s’agit du DAC, il faut être encore plus prudent! …

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Tout constructeur peut écrire “Asynchronous” sur un DAC, mais la qualité du design est primordiale.

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Un très petit nombre de fabricants ont suffisamment d’expertise dans la conception des horloges et dans la conception des DAC.

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Parmi eux, je voudrais juste souligner ANTELOPE, qui s’adresse au monde professionnel (studios de musique, etc …).

C’est l’un des très rares fabricants de Hi-Fi qui a une position très forte dans le monde pro, et conçoit / vend des horloges Master de très haute précision, telles que leur horloge atomique ISOCHRONE 10M.

 

Cette horloge Master est bien sûr conçue pour les studios de musique et son prix moyen, 47 000 € (!), la maintient clairement hors de la cible des consommateurs Hi-Fi.

Néanmoins, ils ont d’autres modèles d’horloges Master disponibles ici.

Leurs DAC destinés au public ” Hi-Fi ”  sont conçus pour être connectés à une horloge maître externe, comme leur gamme de DAC ZODIAC: je ne les ai pas (encore) passés en revue, et je ne sais pas si un produit haut de gamme comme le Zodiac Gold pourrait être amélioré en utilisant une de ces horloges Master externes, mais le design semble très sérieux.

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Ce sont les principaux concepts de l’audio USB utilisé dans le monde dématérialisé.

Threshold Lovers continuera à mettre à jour cette section avec plus d’informations et d’avis.

 

  Diagramme du fonctionnement du VIA VT1730:

VT1730_block_diagram.jpg

 

 

Enfin, les derniers mois / années ont vu naître un nouveau type de «modules récepteurs USB prêts à l’emploi», mis sur le marché par quelques entreprises qui ont fait du numérique leur cœur de métier, avec une connaissance réelle et profonde des techniques numériques.

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Parmi eux, la société XMOS est bien connue dans le monde de l’audio, car ses puces / kits / cartes XMOS sont largement utilisés par différents fabricants de HiFi, dont certains sont les plus connus.

L’utilisation d’une puce XMOS est proche de devenir un signe de produits qui « sonnent bien » dans l’arène des DAC.

Nous vous encourageons à en apprendre davantage sur leurs modules audio USB.

[note 5]:

Ces 4 modes sont :

♦le mode de transfert en masse, utilisé pour transférer de gros fichiers ou une grande quantité de données. Il est conçu pour les applications où le temps n’est pas critique mais l’intégrité des données est; cela inclut par exemple les périphériques de stockage ou les imprimantes. L’heure n’étant pas critique, la bande passante n’est pas dédiée et les transferts sont effectués en utilisant la «bande passante disponible».

Par conséquent, la livraison des données est garantie (il peut être renvoyé en cas d’erreur) mais la latence ne l’est pas.

♦le mode de transfert d’interruption, utilisé pour transférer de petites quantités de données périodiquement, comme par exemple un clavier ou une souris. Regardez ce lien si vous cherchez plus d’informations sur ce mode.

♦le mode de transfert de contrôle, qui est conçu pour contrôler les dispositifs, établir une communication avec eux et accéder à leurs descripteurs. Un paquet spécifique (paquet d’installation) permet d’obtenir les informations du fournisseur et certaines informations spécifiques à l’appareil connecté. Flux bidirectionnels.

♦le mode de transfert isochrone est celui décrit dans cet article.

 

[note 6]:

     -Les modes Low speed, Full speed et High speed sont définis comme suit:     

     -Mode Low Speed: 1,5 Mbit / s, la tolérance est de +/- 15.000 ppm soit +/- 1,5%, ses principaux objectifs étant les claviers, souris ou joysticks …    

     -Mode Full Speed: 12Mbit / s, la tolérance est de +/- 2.500 ppm ce qui signifie +/- 0.25%   

     -Mode High Speed: 480 Mbit / s, la tolérance est de +/- 500 ppm    

Super Speed est l’USB 3.0, mais pour autant que je sache, il n’y a pas de périphériques audio utilisant actuellement ce mode. Jusqu’à 5 Gbits / s en duplex intégral. Comme vous pouvez le voir, une énorme amélioration a été réalisée.

 

[note 7]: La méthode synchrone est limitée à 48kHz. [note 8]: À ce jour, un pilote tiers (c.-à-d. un pilote non Microsoft) est requis pour exécuter USB Audio class 2 sous Windows, même Windows 7.

Ce n’est pas vraiment un problème, mais vous dépendez du fabricant pour obtenir mises à jour du pilote à long terme.

Pour autant que je sache, il est supporté nativement par Mac OS-X et Linux.

 

Cet article a été écrit par Nounours – Janvier 2013.