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S/PDIF - TOSLINK

Sony/Philips Digital Interconnect Format

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Als Anfang der 1980er Jahre die CD als erstes digitales Audio-Medium eingeführt wurde, war bei den CD-Abspielgeräten schon vor den Audio-Ausgangsbuchsen die Grenze der digitalen Signalverarbeitung erreicht. Vor der Übertragung zum Verstärker wurden die digitalen Audiosignale in analoge gewandelt. Schon bald kam daher auch in der Consumer-Elektronik der Wunsch auf, die digitalen Audiosignale solange wie möglich in der digitalen Domäne zu belassen um möglichst alle Störquellen auf dem Übertragungswege von der Quelle bis zum Verstärker auszuschalten. Zu den problematischsten gehörten das Entstehen von Rauschen durch den Übergangswiderstand in den Steckverbindern und in den Verbindungskabeln. Hinzu kamen Übersprechen, Störeinstrahlungen und Brummschleifen bei ungünstigen Masseverbindungen.
Die Erfinder der CD, Philips und Sony, spezifizierten daher die physikalischen Eigenschaften und Protokolle zur unidirektionalen Übertragung von digitalen Audiosignalen zwischen verschiedenen Audiokomponenten über elektrische oder optische Leitungen. Der Standard IEC 60958 beschreibt eine für den professionellen Einsatz gedachte serielle Schnittstelle AES3 und eine abgespeckte Version, IEC 60958 Type II oder S/PDIF, für den Konsumentenbereich.

Abb. 1.01: Eingangsbuchsenfeld des Verstärkers STR-DH770 von Sony [1]

Vorteil dieser gemeinsamen Lösung ist, dass IC-Hersteller flexibel anwendbare Schaltkreise entwerfen können, die sowohl den Bedürfnissen des Profibereiches, als auch denen der Consumer-Elektronik entsprachen.
Die Unterschiede von S/PDIF zu AES3 liegen im Protokoll und in der kostengünstigeren Hardware. S/PDIF verbindet die Audio-Ausgänge von Stand-Alone CD-, DVD-, BD-Player und Set-Top-Boxes wie Sat-Receiver oder Kabel-Decoder mit den Audio-Eingängen von Verstärkern oder Home-Cinema-Anlagen.

2. Der Physical Layer

2.1 AES3

Das typische, professionelle AES3-Interface verwendet 3-polige XLR-Verbinder und ein geschirmtes, symmetrisches Twisted Pair-Kabel mit einer Impedanz von 110 Ohm. Der Signalpegel beträgt 3-10Vss. Seltener sind auch BNC-Verbinder mit 75 Ohm Koaxial-Kabel im Einsatz. Die Reichweite für symmetrisches AES3 mit XLR-Verbinder liegt bei 100 Meter, für AES3 auf Koax-Kabel bis zu 1000 Meter.

Abb. 2.01: TOSLINK- und XRL-Verbinder
Abb. 2.01: TOSLINK- und XRL-Verbinder

2.2 S/PDIF

Für S/PDIF wurden zwei Verbindertypen definiert. Die einfache Variante, praktisch bei allen wertigeren Audiokomponenten eingesetzt, ist ein orange gekennzeichneter RCA- (CINCH-) Verbinder mit einem 75 Ohm Koaxialkabel. Der Signalpegel beträgt ca. 1 Vss.
Die zweite Variante wird als TOSLINK (von Toshiba Link) bezeichnet. TOSLINK ist ein standardisiertes optisches Lichtleitersystem mit einer normalen roten LED (659 nm) als Sendeelement in einem normierten Kopplergehäuse. Der Lichtleiter ist normalerweise ein einfaches POF- (Plastic Optical Fibre-) Kabel. Hiermit lassen sich Entfernungen bis zu etwa 10 Metern überbrücken. Mit höherwertigen Glasfaser- oder Siliciafaserkabeln können Strecken über 30 Meter ohne Repeater betrieben werden.
Die optischen Signale haben das gleiche logische Format wie die elektrischen. Das elektrische Signal schaltet die Treiber-LED lediglich an und aus.

Abb. 2.02: TOSLINK Lichtwellenleiter
Abb. 2.02: TOSLINK Lichtwellenleiter

2.3 Signalisierung

S/PDIF erlaubt drei Audio Sampling Frequenzen mit 16, 20 oder 24 Bit Auflösung:
48 kHz (Signalbitrate 3,1 MHz)
44,1 kHz (Signalbitrate 2,8 MHz)
32 kHz (Signalbitrate 2,0 MHz)
Zur Übertragung wird BMC (Biphase Mark Code), eine Phasenmodulation, eingesetzt. Diese Codierung erlaubt die Rückgewinnung des ursprünglichen Clocksignals und dessen Phasenlage aus dem übertragenen Audiosignal mittels einer PLL.
Die Übertragungsfrequenz ist doppelt so hoch wie die Signalbitrate, bzw. das 64-fache der Samplingfrequenz. Die Codierung erfolgt über die Anzahl der Nulldurchgänge einer Zelle des Signal. Jedes Bit, bzw. Zelle, des Originaldatenstroms wird über zwei logische Zustände dargestellt. Zwei Nulldurchgänge stellen eine "1" dar, ein Nulldurchgang eine "0". Die Länge einer Zelle entspricht somit der Länge eines Datenbits.

Abb. 2.03: BMC- (Biphase Mark Code-) Kodierung
Abb. 2.03: BMC- (Biphase Mark Code-) Kodierung

3. Der Logical Layer

3.1 Struktur des Daten Streams

Der von der Audioquelle kommende digitale Datenstream ist in Blöcke unterteilt. Jeder Block besteht aus 192 Frames. Jeder Frame ist in jeweils zwei Subframes á 32 Bytes gegliedert, wobei jeder Subframe die Daten eines Audiokanals enthält.
Ein Subframe teilt sich in 32 sog. Time Slots auf, die neben einem Sample des Audiosignals zusätzliche Kontroll- und Prüfdaten enthalten (siehe Abb. 3.01).

Abb. 3.01: Struktur des S/PDIF-Streams
Abb. 3.01: Struktur des S/PDIF-Streams
Präambel

Jedes Subframe beginnt mit einem 4-Bit-Muster als Präambel. Diese vier Bits werden unkodiert, also ohne BMC, übertragen. Sie dienen der Synchronisation. Es gibt drei unterschiedliche Bitmuster:
Präambel B: Die Daten des Samples sind für Kanal A (Links) am Anfang des Audioblocks.
Präambel M: Die Daten des Samples sind für Kanal A innerhalb des Audioblocks.
Präambel W: Die Daten des Samples sind für Kanal B (Rechts).

Sample

S/PDIF war ursprünglich zur Übertragung von 20-Bit Audiostreams in den Bits 8 - 27 konzipiert. Für die Übertragung von Audioquellen mit weniger als 20 Bits Auflösung werden nur die Bits 12-27 verwendet. Die überflüssigen Bits 8-11 werden auf "0" gesetzt.
S/PDIF kann, unter der Voraussetzung, dass die Hardware dieses unterstützt, auch 24-Bit Samples übertragen. Dabei werden zusätzlich die vier Bits im Feld AUXILARY AUDIO DATA verwendet.

Validity

Das Validity-Bit 28 zeigt an, ob ein Sample verwendet werden kann. Hat z.B. eine CD Lesefehler wird das Validity-Bit auf "1" gesetzt.

3.2 Der S/PDIF C-Channel

Der C-Channel besteht aus Kontroll- und Steuerdaten ("Channel Status Bits"), die bitweise in jedem Subframe gestreamt werden. Während eines kompletten Audioblock stehen somit 384 Bits zur Verfügung, von denen allerdings nur die Hälfte, also 192, genutzt werden. Die Bedeutung der Channel Status Bits ist in S/PDIF und AES3 großenteils unterschiedlich.
Bei S/PDIF sind die 192 Bits in 12 Worte á 16 Bits angeordnet. Die ersten sechs Bits sind ein Kontroll-Code, der den Datentyp und die Eigenschaften beschreibt.

Kopierschutz

Die Bits 8-14 (Category Code) beschreiben die Quelle des digitalen Audiosignales. Bit 15, das sog. L-Bit, zeigt an, ob die Quelle ein Original mit eingeschränkten Kopierrechten ist (darf ein Mal kopiert werden) oder bereits eine Kopie (darf nicht noch einmal kopiert werden). Das L-Bit wird nur verwendet, wenn Bit 2 gesetzt ist.
Es wird unterschieden:
Das Kopieren von DVD-Rs und DVD-RWs ist  erlaubt
CD-Rs und CD-RWs dürfen nicht kopiert werden
Bei CD-DAs (gepresste CDs) wechselt Bit 2 mit 4-10 Hz den logischen Zustand. Dadurch wird ein Kopieren verhindert.

4. Einschränkungen

Übertragungsbandbreite

Aufgrund der eingeschränkten Datenrate, die zur Verfügung steht, kann unkomprimiertes PCM-Audio, so wie es z.B. ein CD- oder DVD-Player liefert, maximal mit zwei Kanälen, einer Abtastrate von 48 kHz und einer Auflösung von 24 Bit per S/PDIF oder TOSLINK übertragen werden.

Mehrkanalton

Mehrkanalton kann nur in komprimierter Form als MPEG, AC3 oder DTS übertragen werden. Voraussetzung dabei ist, dass der Empfänger (Verstärker usw.) über einen entsprechenden Decoder verfügt. Statt der Audio-Samples werden dann die Daten und Header des komprimierten Audiosignals in die S/PDIF-Audioblocks eingebettet. Bit 1 der Control Bits im C-Channel wird auf "1" (= Non Audio) gesetzt, damit der S/PDIF-Empfänger den Datenstrom zum Decoder und nicht zum Verstärker leitet (eine direkte Wiedergabe von komprimiertem Audio könnte Verstärker und Lautsprecher beschädigen).

Lichtleiter

Lichtleiter, speziell einfache POFs, können nicht so einfach wie elektrische Kabel verlegt werden. Wird der kleinste erlaubte Biegeradius unterschritten, steigt die Dämpfung des Signals im Kabel stark an oder der Lichtleiter wird beschädigt.

Jitter

Bei Geräten der ersten Generationen hatten die TOSLINK-Empfänger manchmal Probleme das Clocksignals sauber zu regenerieren. Schwankungen in der Phasenlage des Clocksignal  können dann zu einem verwaschenen Klang führen. Bei moderneren Geräten und guten TOSLINK-Kabeln sollte dieser Effekt nicht mehr auftreten.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Foto: "Abb. 1.01: Eingangsbuchsenfeld des Verstärkers STR-DH770 von Sony" Quelle: Sony Pressefoto "STR-DH770 von Sony_02.jpg"
http://presscentre.sony.de/images/str-dh770-von-sony_02-507236

 

Weblinks

Technische Beschreibung des S/PDIF-Protokols (engl.)

Informationen zum S/PDIF C-Channel (engl.)

 

Zuletzt geändert am 26. April 2016

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