WIP FPC-III support
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / sound / cards / audiophile-usb.rst
bloba7bb5648331fd6d27cea1c9a85ceb177e92fb084
1 ========================================================
2 Guide to using M-Audio Audiophile USB with ALSA and Jack
3 ========================================================
5 v1.5
7 Thibault Le Meur <Thibault.LeMeur@supelec.fr>
9 This document is a guide to using the M-Audio Audiophile USB (tm) device with 
10 ALSA and JACK.
12 History
13 =======
15 * v1.4 - Thibault Le Meur (2007-07-11)
17   - Added Low Endianness nature of 16bits-modes
18     found by Hakan Lennestal <Hakan.Lennestal@brfsodrahamn.se>
19   - Modifying document structure
21 * v1.5 - Thibault Le Meur (2007-07-12)
22   - Added AC3/DTS passthru info
25 Audiophile USB Specs and correct usage
26 ======================================
28 This part is a reminder of important facts about the functions and limitations 
29 of the device.
31 The device has 4 audio interfaces, and 2 MIDI ports:
33  * Analog Stereo Input (Ai)
35    - This port supports 2 pairs of line-level audio inputs (1/4" TS and RCA) 
36    - When the 1/4" TS (jack) connectors are connected, the RCA connectors
37      are disabled
39  * Analog Stereo Output (Ao)
40  * Digital Stereo Input (Di)
41  * Digital Stereo Output (Do)
42  * Midi In (Mi)
43  * Midi Out (Mo)
45 The internal DAC/ADC has the following characteristics:
47 * sample depth of 16 or 24 bits
48 * sample rate from 8kHz to 96kHz
49 * Two interfaces can't use different sample depths at the same time.
51 Moreover, the Audiophile USB documentation gives the following Warning:
52   Please exit any audio application running before switching between bit depths
54 Due to the USB 1.1 bandwidth limitation, a limited number of interfaces can be 
55 activated at the same time depending on the audio mode selected:
57  * 16-bit/48kHz ==> 4 channels in + 4 channels out
59    - Ai+Ao+Di+Do
61  * 24-bit/48kHz ==> 4 channels in + 2 channels out, 
62    or 2 channels in + 4 channels out
64    - Ai+Ao+Do or Ai+Di+Ao or Ai+Di+Do or Di+Ao+Do
66  * 24-bit/96kHz ==> 2 channels in _or_ 2 channels out (half duplex only)
68    - Ai or Ao or Di or Do
70 Important facts about the Digital interface:
71 --------------------------------------------
73  * The Do port additionally supports surround-encoded AC-3 and DTS passthrough, 
74    though I haven't tested it under Linux
76    - Note that in this setup only the Do interface can be enabled
78  * Apart from recording an audio digital stream, enabling the Di port is a way 
79    to synchronize the device to an external sample clock
81    - As a consequence, the Di port must be enable only if an active Digital 
82      source is connected
83    - Enabling Di when no digital source is connected can result in a 
84      synchronization error (for instance sound played at an odd sample rate)
87 Audiophile USB MIDI support in ALSA
88 ===================================
90 The Audiophile USB MIDI ports will be automatically supported once the
91 following modules have been loaded:
93  * snd-usb-audio
94  * snd-seq-midi
96 No additional setting is required.
99 Audiophile USB Audio support in ALSA
100 ====================================
102 Audio functions of the Audiophile USB device are handled by the snd-usb-audio 
103 module. This module can work in a default mode (without any device-specific 
104 parameter), or in an "advanced" mode with the device-specific parameter called 
105 ``device_setup``.
107 Default Alsa driver mode
108 ------------------------
110 The default behavior of the snd-usb-audio driver is to list the device 
111 capabilities at startup and activate the required mode when required 
112 by the applications: for instance if the user is recording in a 
113 24bit-depth-mode and immediately after wants to switch to a 16bit-depth mode,
114 the snd-usb-audio module will reconfigure the device on the fly.
116 This approach has the advantage to let the driver automatically switch from sample 
117 rates/depths automatically according to the user's needs. However, those who 
118 are using the device under windows know that this is not how the device is meant to
119 work: under windows applications must be closed before using the m-audio control
120 panel to switch the device working mode. Thus as we'll see in next section, this 
121 Default Alsa driver mode can lead to device misconfigurations.
123 Let's get back to the Default Alsa driver mode for now.  In this case the 
124 Audiophile interfaces are mapped to alsa pcm devices in the following 
125 way (I suppose the device's index is 1):
127  * hw:1,0 is Ao in playback and Di in capture
128  * hw:1,1 is Do in playback and Ai in capture
129  * hw:1,2 is Do in AC3/DTS passthrough mode
131 In this mode, the device uses Big Endian byte-encoding so that 
132 supported audio format are S16_BE for 16-bit depth modes and S24_3BE for 
133 24-bits depth mode.
135 One exception is the hw:1,2 port which was reported to be Little Endian 
136 compliant (supposedly supporting S16_LE) but processes in fact only S16_BE streams.
137 This has been fixed in kernel 2.6.23 and above and now the hw:1,2 interface 
138 is reported to be big endian in this default driver mode.
140 Examples:
142  * playing a S24_3BE encoded raw file to the Ao port::
144    % aplay -D hw:1,0 -c2 -t raw -r48000 -fS24_3BE test.raw
146  * recording a  S24_3BE encoded raw file from the Ai port::
148    % arecord -D hw:1,1 -c2  -t raw -r48000 -fS24_3BE test.raw
150  * playing a S16_BE encoded raw file to the Do port::
152    % aplay -D hw:1,1 -c2 -t raw -r48000 -fS16_BE test.raw
154  * playing an ac3 sample file to the Do port::
156    % aplay -D hw:1,2 --channels=6 ac3_S16_BE_encoded_file.raw
158 If you're happy with the default Alsa driver mode and don't experience any 
159 issue with this mode, then you can skip the following chapter.
161 Advanced module setup
162 ---------------------
164 Due to the hardware constraints described above, the device initialization made 
165 by the Alsa driver in default mode may result in a corrupted state of the 
166 device. For instance, a particularly annoying issue is that the sound captured 
167 from the Ai interface sounds distorted (as if boosted with an excessive high
168 volume gain).
170 For people having this problem, the snd-usb-audio module has a new module 
171 parameter called ``device_setup`` (this parameter was introduced in kernel
172 release 2.6.17)
174 Initializing the working mode of the Audiophile USB
175 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
177 As far as the Audiophile USB device is concerned, this value let the user 
178 specify:
180  * the sample depth
181  * the sample rate
182  * whether the Di port is used or not 
184 When initialized with ``device_setup=0x00``, the snd-usb-audio module has
185 the same behaviour as when the parameter is omitted (see paragraph "Default 
186 Alsa driver mode" above)
188 Others modes are described in the following subsections.
190 16-bit modes
191 ~~~~~~~~~~~~
193 The two supported modes are:
195  * ``device_setup=0x01``
197    - 16bits 48kHz mode with Di disabled
198    - Ai,Ao,Do can be used at the same time
199    - hw:1,0 is not available in capture mode
200    - hw:1,2 is not available
202  * ``device_setup=0x11``
204    - 16bits 48kHz mode with Di enabled
205    - Ai,Ao,Di,Do can be used at the same time
206    - hw:1,0 is available in capture mode
207    - hw:1,2 is not available
209 In this modes the device operates only at 16bits-modes. Before kernel 2.6.23,
210 the devices where reported to be Big-Endian when in fact they were Little-Endian
211 so that playing a file was a matter of using:
214    % aplay -D hw:1,1 -c2 -t raw -r48000 -fS16_BE test_S16_LE.raw
216 where "test_S16_LE.raw" was in fact a little-endian sample file.
218 Thanks to Hakan Lennestal (who discovered the Little-Endiannes of the device in
219 these modes) a fix has been committed (expected in kernel 2.6.23) and
220 Alsa now reports Little-Endian interfaces. Thus playing a file now is as simple as
221 using:
224    % aplay -D hw:1,1 -c2 -t raw -r48000 -fS16_LE test_S16_LE.raw
227 24-bit modes
228 ~~~~~~~~~~~~
230 The three supported modes are:
232  * ``device_setup=0x09``
234    - 24bits 48kHz mode with Di disabled
235    - Ai,Ao,Do can be used at the same time
236    - hw:1,0 is not available in capture mode
237    - hw:1,2 is not available
239  * ``device_setup=0x19``
241    - 24bits 48kHz mode with Di enabled
242    - 3 ports from {Ai,Ao,Di,Do} can be used at the same time
243    - hw:1,0 is available in capture mode and an active digital source must be 
244      connected to Di
245    - hw:1,2 is not available
247  * ``device_setup=0x0D`` or ``0x10``
249    - 24bits 96kHz mode
250    - Di is enabled by default for this mode but does not need to be connected 
251      to an active source
252    - Only 1 port from {Ai,Ao,Di,Do} can be used at the same time
253    - hw:1,0 is available in captured mode
254    - hw:1,2 is not available
256 In these modes the device is only Big-Endian compliant (see "Default Alsa driver 
257 mode" above for an aplay command example)
259 AC3 w/ DTS passthru mode
260 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
262 Thanks to Hakan Lennestal, I now have a report saying that this mode works.
264  * ``device_setup=0x03``
266    - 16bits 48kHz mode with only the Do port enabled 
267    - AC3 with DTS passthru
268    - Caution with this setup the Do port is mapped to the pcm device hw:1,0
270 The command line used to playback the AC3/DTS encoded .wav-files in this mode:
273    % aplay -D hw:1,0 --channels=6 ac3_S16_LE_encoded_file.raw
275 How to use the ``device_setup`` parameter
276 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
278 The parameter can be given:
280  * By manually probing the device (as root):::
282    # modprobe -r snd-usb-audio
283    # modprobe snd-usb-audio index=1 device_setup=0x09
285  * Or while configuring the modules options in your modules configuration file
286    (typically a .conf file in /etc/modprobe.d/ directory:::
288        alias snd-card-1 snd-usb-audio
289        options snd-usb-audio index=1 device_setup=0x09
291 CAUTION when initializing the device
292 -------------------------------------
294  * Correct initialization on the device requires that device_setup is given to
295    the module BEFORE the device is turned on. So, if you use the "manual probing"
296    method described above, take care to power-on the device AFTER this initialization.
298  * Failing to respect this will lead to a misconfiguration of the device. In this case
299    turn off the device, unprobe the snd-usb-audio module, then probe it again with
300    correct device_setup parameter and then (and only then) turn on the device again.
302  * If you've correctly initialized the device in a valid mode and then want to switch
303    to  another mode (possibly with another sample-depth), please use also the following 
304    procedure:
306    - first turn off the device
307    - de-register the snd-usb-audio module (modprobe -r)
308    - change the device_setup parameter by changing the device_setup
309      option in ``/etc/modprobe.d/*.conf``
310    - turn on the device
312  * A workaround for this last issue has been applied to kernel 2.6.23, but it may not
313    be enough to ensure the 'stability' of the device initialization.
315 Technical details for hackers
316 -----------------------------
318 This section is for hackers, wanting to understand details about the device
319 internals and how Alsa supports it.
321 Audiophile USB's ``device_setup`` structure
322 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
324 If you want to understand the device_setup magic numbers for the Audiophile 
325 USB, you need some very basic understanding of binary computation. However, 
326 this is not required to use the parameter and you may skip this section.
328 The device_setup is one byte long and its structure is the following:
331        +---+---+---+---+---+---+---+---+
332        | b7| b6| b5| b4| b3| b2| b1| b0|
333        +---+---+---+---+---+---+---+---+
334        | 0 | 0 | 0 | Di|24B|96K|DTS|SET|
335        +---+---+---+---+---+---+---+---+
337 Where:
339  * b0 is the ``SET`` bit
341    - it MUST be set if device_setup is initialized 
343  * b1 is the ``DTS`` bit
345    - it is set only for Digital output with DTS/AC3
346    - this setup is not tested
348  * b2 is the Rate selection flag
350    - When set to ``1`` the rate range is 48.1-96kHz
351    - Otherwise the sample rate range is 8-48kHz
353  * b3 is the bit depth selection flag
355    - When set to ``1`` samples are 24bits long
356    - Otherwise they are 16bits long
357    - Note that b2 implies b3 as the 96kHz mode is only supported for 24 bits 
358      samples
360  * b4 is the Digital input flag
362    - When set to ``1`` the device assumes that an active digital source is 
363      connected 
364    - You shouldn't enable Di if no source is seen on the port (this leads to 
365      synchronization issues)
366    - b4 is implied by b2 (since only one port is enabled at a time no synch 
367      error can occur) 
369  * b5 to b7 are reserved for future uses, and must be set to ``0``
371    - might become Ao, Do, Ai, for b7, b6, b4 respectively
373 Caution:
375  * there is no check on the value you will give to device_setup
377    - for instance choosing 0x05 (16bits 96kHz) will fail back to 0x09 since 
378      b2 implies b3. But _there_will_be_no_warning_ in /var/log/messages
380  * Hardware constraints due to the USB bus limitation aren't checked
382    - choosing b2 will prepare all interfaces for 24bits/96kHz but you'll
383      only be able to use one at the same time
385 USB implementation details for this device
386 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
388 You may safely skip this section if you're not interested in driver 
389 hacking.
391 This section describes some internal aspects of the device and summarizes the 
392 data I got by usb-snooping the windows and Linux drivers.
394 The M-Audio Audiophile USB has 7 USB Interfaces:
395 a "USB interface":
397  * USB Interface nb.0
398  * USB Interface nb.1
400    - Audio Control function
402  * USB Interface nb.2
404    - Analog Output
406  * USB Interface nb.3
408    - Digital Output
410  * USB Interface nb.4
412    - Analog Input
414  * USB Interface nb.5
416    - Digital Input
418  * USB Interface nb.6
420    - MIDI interface compliant with the MIDIMAN quirk 
422 Each interface has 5 altsettings (AltSet 1,2,3,4,5) except:
424  * Interface 3 (Digital Out) has an extra Alset nb.6 
425  * Interface 5 (Digital In) does not have Alset nb.3 and 5 
427 Here is a short description of the AltSettings capabilities:
429 * AltSettings 1 corresponds to
431   - 24-bit depth, 48.1-96kHz sample mode
432   - Adaptive playback (Ao and Do), Synch capture (Ai), or Asynch capture (Di)
434 * AltSettings 2 corresponds to
436   - 24-bit depth, 8-48kHz sample mode
437   - Asynch capture and playback  (Ao,Ai,Do,Di)
439 * AltSettings 3 corresponds to
441   - 24-bit depth, 8-48kHz sample mode
442   - Synch capture (Ai) and Adaptive playback (Ao,Do)
444 * AltSettings 4 corresponds to
446   - 16-bit depth, 8-48kHz sample mode
447   - Asynch capture and playback  (Ao,Ai,Do,Di)
449 * AltSettings 5 corresponds to
451   - 16-bit depth, 8-48kHz sample mode
452   - Synch capture (Ai) and Adaptive playback (Ao,Do)
454 * AltSettings 6 corresponds to
456   - 16-bit depth, 8-48kHz sample mode
457   - Synch playback (Do), audio format type III IEC1937_AC-3
459 In order to ensure a correct initialization of the device, the driver 
460 *must* *know* how the device will be used:
462  * if DTS is chosen, only Interface 2 with AltSet nb.6 must be
463    registered
464  * if 96KHz only AltSets nb.1 of each interface must be selected
465  * if samples are using 24bits/48KHz then AltSet 2 must me used if
466    Digital input is connected, and only AltSet nb.3 if Digital input
467    is not connected
468  * if samples are using 16bits/48KHz then AltSet 4 must me used if
469    Digital input is connected, and only AltSet nb.5 if Digital input
470    is not connected
472 When device_setup is given as a parameter to the snd-usb-audio module, the 
473 parse_audio_endpoints function uses a quirk called 
474 ``audiophile_skip_setting_quirk`` in order to prevent AltSettings not 
475 corresponding to device_setup from being registered in the driver.
477 Audiophile USB and Jack support
478 ===============================
480 This section deals with support of the Audiophile USB device in Jack.
482 There are 2 main potential issues when using Jackd with the device:
484 * support for Big-Endian devices in 24-bit modes
485 * support for 4-in / 4-out channels
487 Direct support in Jackd
488 -----------------------
490 Jack supports big endian devices only in recent versions (thanks to
491 Andreas Steinmetz for his first big-endian patch). I can't remember 
492 exactly when this support was released into jackd, let's just say that
493 with jackd version 0.103.0 it's almost ok (just a small bug is affecting 
494 16bits Big-Endian devices, but since you've read carefully the above
495 paragraphs, you're now using kernel >= 2.6.23 and your 16bits devices 
496 are now Little Endians ;-) ).
498 You can run jackd with the following command for playback with Ao and
499 record with Ai:
502   % jackd -R -dalsa -Phw:1,0 -r48000 -p128 -n2 -D -Chw:1,1
504 Using Alsa plughw
505 -----------------
507 If you don't have a recent Jackd installed, you can downgrade to using
508 the Alsa ``plug`` converter.
510 For instance here is one way to run Jack with 2 playback channels on Ao and 2 
511 capture channels from Ai:
514   % jackd -R -dalsa -dplughw:1 -r48000 -p256 -n2 -D -Cplughw:1,1
516 However you may see the following warning message:
517   You appear to be using the ALSA software "plug" layer, probably a result of 
518   using the "default" ALSA device. This is less efficient than it could be. 
519   Consider using a hardware device instead rather than using the plug layer.
521 Getting 2 input and/or output interfaces in Jack
522 ------------------------------------------------
524 As you can see, starting the Jack server this way will only enable 1 stereo
525 input (Di or Ai) and 1 stereo output (Ao or Do).
527 This is due to the following restrictions:
529 * Jack can only open one capture device and one playback device at a time
530 * The Audiophile USB is seen as 2 (or three) Alsa devices: hw:1,0, hw:1,1
531   (and optionally hw:1,2)
533 If you want to get Ai+Di and/or Ao+Do support with Jack, you would need to
534 combine the Alsa devices into one logical "complex" device.
536 If you want to give it a try, I recommend reading the information from
537 this page: http://www.sound-man.co.uk/linuxaudio/ice1712multi.html
538 It is related to another device (ice1712) but can be adapted to suit
539 the Audiophile USB.
541 Enabling multiple Audiophile USB interfaces for Jackd will certainly require:
543 * Making sure your Jackd version has the MMAP_COMPLEX patch (see the ice1712 page)
544 * (maybe) patching the alsa-lib/src/pcm/pcm_multi.c file (see the ice1712 page)
545 * define a multi device (combination of hw:1,0 and hw:1,1) in your .asoundrc
546   file 
547 * start jackd with this device
549 I had no success in testing this for now, if you have any success with this kind 
550 of setup, please drop me an email.