что такое digital audio s pdif
Цифровые аудиоинтерфейсы S/PDIF: что это такое, как работает и зачем нужно
Содержание
Содержание
Аудиозапись на компакт-дисках и сам компакт-диск в начале 80-х представили Philips и Sony. Они же разработали и запатентовали цифровой интерфейс для передачи данных: Sony-Philips Digital Interconnection Format — S/PDIF. В этом материале разбираемся, что это такое и зачем это нужно.
Первоначально S/PDIF был создан для передачи с компакт-диска двухканального звука в цифровом формате. Интерфейс разрабатывали как упрощенный вариант более продвинутого профессионального стандарта AES/EBU. Нужно было заменить массивные XLR-разъемы более привычными, бюджетными и понятными потребителю бытовыми коннекторами, и при этом дать возможность получать с компакт-диска «сырой» цифровой сигнал, без дополнительных преобразований.
Что и как передается по S/PDIF?
Чтобы гарантировать правильную передачу стереозвука с компакт-диска, достаточно было обеспечить скорость 150 Кбайт/с, но разработчики подстраховались и заложили запас по пропускной способности. S/PDIF может передавать не только несжатый стереосигнал с компакт-диска, но и многоканальный звук в формате 5.1 или 7.1 с использованием сжатия. А также некоторое количество дополнительной служебной информации вроде номера дорожки, флага о допустимости копирования, о наличии сжатия, о количестве каналов. Общий поток информации может теоретически достигать 1,536 Мбит/с. Всего-то полтора мегабита в секунду — по современным меркам это смешная цифра.
Еще забавнее изучить протокол изнутри: передача стереозвука была реализована импульсно-кодовой модуляцией PCM. Данные передавались пакетами по 32 бита в каждом, из которых 24 передавали данные, а 8 — служебную информацию. Если данных было меньше (некоторые компакты были записаны в 16 бит), то остаток пакета забивался нулями. Не очень рационально, зато эффективно — транслируемый сигнал тактировался через служебные биты, поэтому мог иметь самую разную частоту дискретизации. И хотя протокол аппаратно поддерживал только передачу стереопотока PCM с конкретными значениями частот дискретизации (32, 44.1 или 48 кГц), в него умудрились впихнуть многоканальность.
DVD-носители аудио и видео используют многоканальный звук формата 5.1 или 7.1, который вполне успешно сжимается по стандарту Dolby и DTS, и передается сквозь изначально стереофонический S/PDIF. Да настолько хорошо сжимается, что битность получается даже ниже, чем 16 бит. Недостающие биты опять же забиваются нулями.
Аппаратная реализация SPDIF-подключения
Наибольшую популярность SPDIF получил в форме электрического кабельного подключения через разъем RCA. Он же «тюльпанчик» или «колокольчик». Если дальность передачи не превышает полуметра, то для подключения можно использовать самый обычный и первый попавшийся кабель RCA-RCA —точно такой же, каким подключалось большинство видеомагнитофонов к телевизору. Но гораздо правильнее подключать SPDIF специальным кабелем с сопротивлением 75 Ом. Его часто называют коаксиальным, вероятно, чтобы подчеркнуть специализированное назначение.
На самом деле, все аудио-видео кабели RCA являются коаксиальными, то есть соосными. В них по центру идет сигнальный провод в изоляции, обернутый в экранный провод. Специальные кабели для подключения SPDIF, те самые на 75 Ом, устроены также. Телевизионный антенный или спутниковый кабель тоже коаксиальный. И разъемы все эти, по большому счету, тоже соосные. Но именно разъем SPDIF почему-то часто маркируют как «coaxial» или «coax».
Если дистанция передачи меньше полуметра, то SPDIF можно коммутировать хоть телефонной «лапшой» — будет работать. Да и в пределах 1.5-2 метров можно обойтись обычным, но качественным RCA-кабелем. А вот дальше потребуется тот самый волшебный коаксиальный кабель на 75 Ом.
Вторая популярная реализация SPDIF —подключение оптоволоконным кабелем и передача сигнала лазерным лучом. Выходы обычно маркируются как OpticalOut или TOSLINK—сокращение от ToshibaLink. Разъемы имеют квадратную форму и закрыты либо вставными заглушками, либо откидными шторками. В портативной электронике встречается модификация MiniTOSLINK в форм-факторе миниджека: в такой разъем можно подключать как обычные наушники, так и оптический кабель.
Кабель (волновод, если точнее) для оптического подключения SPDIF очень легко переломить. Поэтому их часто выпускают с дополнительной защитой, которая ограничивает изгиб, но увеличивает толщину кабеля. Прямой разницы в качестве и дальности передачи звука между толстым и тонким оптическим кабелем нет — первый просто лучше защищен от физического воздействия извне.
Еще бывает S/PDIF в формате Pin header — самая непопулярная реализация для «внутреннего» использования. Это штыревой разъем на материнских платах, аудиокартах, CD-приводах. Нужен для внутреннего подключения или вывода с материнской платы разъема RCA на заднюю панель компьютера. Дальность действия — сантиметров 30, не больше. Разъем обычно двухконтактный для коаксиального подключения и трехконтактный для комбинированного оптического. Лучше свериться с документацией и использовать любой подходящий кабель небольшой длины.
Какой SPDIF лучше: коаксиальный или оптический
Информация передается одинаковая, при любом типе подключения. С этой точки зрения нет никакой разницы, как именно передавать S/PDIF — по электрике или по оптике. Электрическое соединение доступнее: найти лишний кабель RCA-RCA в бытовых запасах обычно проще, чем оптоволокно. С другой стороны, оптическое подключение TOSLINK меньше подвержено помехам и электрическим наводкам, поэтому может использоваться совместно с кучей прочей электрики, например, в автомобиле.
Оптоволокно более хрупкое, при укладке резкими углами и поворотами уместнее проложить коаксиальный кабель. Сматывать и хранить оптоволокно нужно широкой петлей, без перегибов.
По дальности действия победителя тоже нет — максимальная дистанция передачи заявлена в 10 метров для обоих вариантов подключения, а «оверклокеров», которые бы решили побить этот рекорд, не очень много. Хотя на дистанции от пяти метров выигрывает оптика — лазерный луч, в отличие от электросигнала, не затухает.
Эпохи массового применения SPDIF
Первый пик популярности цифрового интерфейса многие пользователи могли и не заметить – это был специальный двухконтактный разъем на задней панели компьютерного CD-привода, через который он подключался к звуковой карте. Звук можно было выводить и через четырехконтактный аналоговый разъем, но в те времена цифро-аналоговый преобразователь в звуковой карте обычно был качественнее, чем в приводе.
Популярность первого пришествия интерфейса S/PDIF сошла на нет в ходе естественного развития компьютерной техники. Когда компьютеры стали достаточно быстры, чтобы обрабатывать цифровой поток аудио в реальном времени, необходимость в отдельном кабельном подключении исчезла — вся информация передавалась по штатному шлейфу IDE. Цифровой выход убрали с задней панели CD-приводов одновременно с кнопкой переключения дорожек, миниджеком и регулировкой громкости на лицевой панели дисковода. Это был конец 90-х.
Второй пик популярности пришелся на первые домашние кинотеатры с многоканальным звуком, еще до появления HDMI. Бытовые DVD-проигрыватели обычно предлагали два варианта вывода звука: либо стереозвук двумя «тюльпанами», либо многоканальный одним разъемом – оптическим или коаксиальным. Разумеется, для подключения был нужен AV-ресивер, который не только умел принимать многоканальный звук по S/PDIF, но и выступал в качестве усилителя. Он же был центром подключений всех источников видео и аудио.
Третий пик мы можем наблюдать сегодня, когда центральным устройством воспроизведения и ядром всей медиасистемы все чаще становится телевизор. Подключить в него можно что угодно, а вот звуковые способности тонкого корпуса невелики, да и для вывода звука предусмотрен только коаксиальный (реже оптический) S/P-DIF. И чтобы подключить к телевизору акустику помощнее, потребуется цифро-аналоговый преобразователь, который сделает из коаксиальной или оптической «цифры» парочку аналоговых «тюльпанов».
И в такой схеме, когда от телевизора до ЦАПа всего несколько сантиметров, нужен не специализированный коаксиальный кабель с точным сопротивлением, а самый обычный бытовой «тюльпан-тюльпан».
Будущее S/PDIF
Несмотря на долгую и непростую историю интерфейса, перспектив у него практически нет: с невысокой скоростью и дальностью передачи данных он вчистую проигрывает современным комбинированным способам передачи звука и видео, пропускная способность которых выражается в десятках гигабит в секунду — HDMI и DisplayPort.
Разъем SPDIF сегодня чаще используется для совместимости с предыдущими поколениями техники, чтобы подключать DVD-проигрыватель, видеомагнитофон, аналоговую акустическую систему и т. д. Вот несколько ключевых особенностей, которые нужно помнить при использовании SPDIF:
Путеводитель по аудиокабелям и переходникам
Содержание
Содержание
Количество разъемов даже на бытовом ресивере может шокировать, а звуковые карты, синтезаторы, DJ-пульты и другое музыкальное оборудование прибавляет к списку еще дюжину профессиональных портов. К любому разъему нужен свой кабель. От каких зависит качество звука, какие нужно выбирать с мультиметром, а какие не имеют значения?
Аналоговые кабели
Аналоговые кабели бывают балансными и небалансными:
Всем известные колокольчики постоянно встречаются как в бытовой аудиотехнике, так и в диджей-пультах, усилителях и другом профессиональном оборудовании.
Разъемы RCA легко узнать — они маркируются белым и красным, как в Denon AVR-X250BT
Уровень линейного сигнала сертифицирован:
Существует множество переходников для линейных разъемов. Самый популярный — с RCA на 3,5 мм TRS, например, для подключения плеера к усилителю. Но при подключении CD-плеера в студийный микшер нужно помнить, что сигнал будет тихим из-за разницы в сертификациях.
Сам акроним RCA означает Radio Corporation of America — эта компания в сороковых годах прошлого века применило их в фонографах. Это позволило проигрывателям подключаться к усилителям. На старой технике такие разъемы назывались Phono. В некоторых виниловых проигрывателях до сих пор встречается маркировка Phono Out.
RCA представляет собой небалансное моно соединение. Из-за этого они очень уязвимы к качеству провода. Его следует выбирать таким коротким, каким это возможно. Требования к любым кабелям довольно просты: чем толще сигнальная жила — тем лучше. Производители не всегда пишут сечение жилы, поэтому понять качество шнура обычно можно по его толщине и жесткости.
Кабели с разъемом XLR всегда балансные. Они разрабатывались для подключения микрофонов и успешно с этим справляются и поныне. Второй популярный способ использования — передача линейного симметричного сигнала между профессиональной или Hi-End аудиотехникой. Иногда переходники XLR/TS используются для подключения звуковой карты к активным колонкам.
Разъемы XLR бывают двух типов: «мама» и «папа», для гнезд противоположного пола в подключаемом устройстве. Неверно их не подключишь. Благодаря балансному подключению в сигнале нет шумов, а у кабеля — ограничений по длине. Защищенность от помех снижает требования к качеству кабеля, но рекомендуется выбирать шнур с максимально широким сечением и надежными разъемами во избежание скрипов и шуршаний.
Tip-Sleeve — всегда небалансные кабели для инструментального моно сигнала. Обычно оснащаются джеками диаметром 6,5 мм, бывают линейными и инструментальными. Первые часто применяются для передачи сигнала от выходов звуковой карты к активной аудиосистеме. Вторые используются для подключения гитар, басов, синтезаторов и цифровых пианино к усилителю, DI-Box или звуковой карте. Инструментальный кабель экранируют, чтобы он не ловил помехи.
Низкий уровень сигнала и специфическая область применения предъявляют высокие требования к качеству кабеля. Ключевые параметры для определения качественного шнура — емкость и индуктивность. Чем провод длиннее, тем его емкость выше. Чем выше емкость, тем больше кабель становится похожим на конденсатор, который превращает электрическую цепь в фильтр высоких частот. На практике это означает, что инструментальный кабель длиннее 10 метров будет делать сигнал глуше. Поэтому следует выбирать инструментальный кабель с минимальной емкостью и хорошим экранированием, надежными джеками и минимально возможной длиной.
Tip-Ring-Sleeve — кабели из трех проводов, широко применяемые в профессиональной и бытовой технике. TRS встречается в трех исполнениях:
● 6,3 мм — для студийной и старой бытовой техники: наушников, микшеров, звуковых карт, микрофонов для караоке и т.п.
● 3,5 мм — самый привычный стереоджек для бытовой аудиотехники: наушников, плееров и смартфонов, акустических систем и т.д.
● 2,5 мм — миниатюрный разъем для портативной техники: гарнитур, сменных шнуров для наушников и т.п.
Существуют десятки переходников с одного калибра на другой, разветвителей и хабов для разъемов TRS. В некоторые встроен ЦАП, позволяющий заменить собой аудиокарту, если в ноутбуке сломался 3,5 мм джек.
Конструкция из трех проводов дает возможность превратить кабель в балансный. При моно подключении к приборам с балансным подключением, это позволяет устранить шумы. При стерео подключении это небалансный кабель, поэтому его качество влияет на качество звука. Слишком длинный (более 10 метров) кабель может привести к потерям высоких частот, рекомендуется обращать внимание на минимально возможную длину. TRS постепенно исчезают из современной техники, стремящейся избавиться от проводов в пользу Bluetooth, Lightning и USB type C. Чтобы подключить любимые наушники к современному смартфону, все чаще используется специальный переходник.
SpeakON
Спикерный кабель передает сигнал от усилителя к колонкам. Это уязвимая часть аудиосистемы, и от качества кабеля зависит качество аудио. Чем меньше сопротивление жилы, тем меньше будет потерь сигнала. Чтобы уменьшить сопротивление, производители увеличивают сечение кабеля, используют проводники из бескислородной меди и доходят до абсурдных аудиофильских решений, разбираемых на мемы. Однако на практике серьезно навредить звуку можно только при использовании шнура длиной в десятки и более метров.
Спикерные кабели делают без экранирования.
Цифровые кабели
AES/EBU
Audio Engineering Society/European Broadcast Union — цифровой формат передачи данных на скорости до 3 мегабит в секунду. Разработан в восьмидесятых для профессиональной техники и мультиканальной передачи звука, поэтому его редко можно найти в бытовой аппаратуре. Определенную популярность получил только в устройствах класса Hi-End. В качестве интерфейса используется разъем XLR, но для передачи данных на большие расстояния применяются специализированные кабели, чтобы избежать потерь данных. Микрофонные кабели обладают слишком большой емкостью, поэтому портят сигнал и не годятся для AES/EBU.
S/PDIF
Sony-Philips Digital Interconnection Format — бытовая инкарнация AES/EBU, разработанный в конце восьмидесятых цифровой формат передачи звука со скоростью до 3 мегабит в секунду. Это намного больше необходимой для передачи стерео с CD скорости, поэтому по S/PDIF можно передавать и многоканальный звук форматов 5.1 и 7.1 со сжатием. Такой порт встречается во многих DVD-проигрывателях, ресиверах, ТВ и других бытовых устройствах.
Интерфейс S/PDIF может быть цифровой и оптический Toslink (о нем ниже). В первом случае используются привычные RCA-кабели, во втором — оптоволокно.
Все RCA-кабели — коаксиальные (сигнальный провод у них запечатан в экранный, все кабели такой конструкции называются коаксиальными), но сложилось так, что именно напротив цифрового разъема S/PDIF на бытовой технике пишут «coaxial».
Коаксиальный вход на усилителе Denon PMA-800NE
Формат очень требователен к качеству кабеля, по которому течет как сам цифровой поток, так и синхронизирующая информация. Последняя необходима, чтобы принимающее устройство опознало и привязалось к передающему, иначе будут появляться артефакты, именуемые джиттером — треск, гудение, шум и т.п. Как правило, в джиттере виноват именно некачественный кабель. Однако это имеет значение только при больших расстояниях. Обычный качественный RCA в пределах двух метров отлично справится и с цифровой передачей данных. Если же нужен более длинный шнур, тогда по стандарту его сопротивление должно быть 75 Ом.
Когда-то с помощью S\PDIF даже подключался CD-привод к аудиокарте. Современная техника переходит на HDMI, но часто телевизоры имеют только цифровой S/PDIF для вывода звука.
Чтобы подключить к такому ТВ внешнюю акустику, понадобится преобразователь цифрового сигнала в аналоговый с обычными RCA выходами.
Toslink
Toshiba Optical Link — оптический интерфейс для S/PDIF. По своей сути представляет собой коаксиальный кабель, в котором вместо сигнального провода используется оптоволокно.
Это дает кабелю полную защиту от электромагнитных помех и некоторых других проблем, но прибавляет больше требований к кабелю.
Toslink часто носит маркировку Optical, как на DENON DCD-600NE
Из-за хрупкой оптоволоконной сердцевины дешевые кабели легко ломаются, а дорогие оказываются очень жесткими и не подходят, если нужно проложить шнур с перегибами. При передаче данных на большие расстояния сигнал легко теряется, появляется джиттер, поэтому кабель Toslink длиннее пары метров должен быть максимально качественным.
Alesis Digital Audio Tape — разработанный в девяностых годах формат передачи многоканального звука. В то время он умел передавать 8 каналов в разрешении 48 кГц по одному проводу для записи на кассету S-VHS. Современная версия S/MUX умеет также передавать 4 канала с частотой семплирования 96 кГц, или 2 канала для аудио в 192 кГц.
ADAT в варианте S/MUX на звуковой карте Tascam SERIES 102i
В качестве интерфейса применяется оптический разъем TosLink, иногда промаркированный как ADAT Lightpipe. ADAT, наряду с S/PDIF, часто встречается в современной профессиональной технике — звуковых картах, ЦАПах, микшерах.
Word Clock
Иногда на профессиональных звуковых картах или ЦАП класса Hi-End (а также в ресиверах, усилителях и проигрывателях, оснащенных таким ЦАП) можно найти разъемы Word Clock просто Word, похожие на колокольчики. Этот порт используют цифровые подключения S/PDIF, AES/EBU и ADAT для более точной синхронизации между устройствами. По Word Clock передается синхронизирующий сигнал, позволяющий избежать джиттера и эффекта рассинхронизации звука с изображением в домашних кинотеатрах. В качестве интерфейса используется разъем BNC и коаксиальные кабели, требования к ним такие же, как к S/PDIF.
Такие кабели передают MIDI информацию от синтезаторов, миди-клавиатур, процессоров эффектов и другой музыкальной техники к звуковой карте или контроллеру. Состоят из двух сигнальных кабелей в экране и 5-контактного разъема DIN (используется только 3 контакта). Управляющей информации передается не очень много, поэтому особых требований к MIDI-кабелям не предъявляется, любой исправный шнур длиной до 15 метров будет передавать сигнал без потерь и ошибок.
Современный цифровой стандарт для бытовой техники передает видео и многоканальный звук. Есть два типа сертификации кабелей HDMI: Standard (разрешение видео до 1080i) и High Speed (видео до 4K с 3D и Deep Colour). Оба поддерживают передачу многоканального звука до 7.1 с частотой дискретизации до 192 кГц.
Любой исправный кабель длиной до 5 метров не будет портить качество изображения и ловить помехи. Для больших расстояний следует выбирать качественные кабели, здесь следует общее правило: чем более толстый и более жесткий — тем лучше.
Множество аудиокарт, ЦАП, наушников, микрофонов, усилителей и ресиверов подключаются к компьютеру с помощью интерфейса USB. Самая популярная версия все еще остается 2.0, обеспечивающая скорость до 480 Мбит/с (хотя где-то 300 мбит\с будут ближе к реальности). На практике этого хватает для одновременной записи около 50 треков в разрешении 48 кГц\24 бит.
При увеличении частоты дискретизации вдвое, количество возможных треков уменьшается в два раза, поэтому для записи аудио в высоком разрешении лучше подойдет аудиокарта с интерфейсом USB-C. Он по характеристикам соответствует USB 3.1 (скорость до 10 Гбит\с, в 20 раз быстрее). Также USB-C умеет работать в альтернативных режимах, заменяя, в частности, Thunderbolt и HDMI при наличии маркировки совместимости и соответствующего переходника.
Аудиофилия добралась и до USB кабелей, в Сети можно найти сравнения звучания дорогих шнуров. Такое случилось из-за того, что USB передает данные без проверок сумм на предмет утраты пакетов, как в HDMI. Однако на практике это не критично, и для небольших расстояний достаточно обычного качественного USB кабеля, чтобы получить четкий сигнал без потерь.
Firewire (IEEE 1394)
Уходящий в закат разъем Firewire когда-то широко применялся в звуковых картах, ЦАП класса Hi-Fi и в студийной технике. Хотя первая инкарнация 1394a даже уступала USB 2 по теоретической скорости (до 400 Мбит\с). На практике она могла похвастаться более стабильным подключением, меньшими потерями данных и меньшей задержкой при записи.
Главная проблема с Firewire не в качестве шнура, а в качестве контроллера: для стабильной работы нужны контроллеры сертифицированных для конкретной аудиокарты производителей. Встроенный в материнскую плату дешевый чип часто оказывается бесполезен.
Thunderbolt
Хорошо известный владельцам Mac разъем обладает скоростью до 40 Гб\с в актуальной инкарнации Thunderbolt 3. Сегодня разъем используется в студийных звуковых картах и пытается пробраться на рынок пользователей Windows, появляясь в материнских платах.
Thunderbolt является продолжением и заменой Firewire, поэтому к ПК с современным разъемом можно подключить звуковую карту с 1394 с помощью переходника.
Заключение
Беспроводное подключение постепенно вытесняет кабели в бытовой технике, Bluetooth колонки заменяют аудиосистемы, а саундбары уже научились передавать по воздуху многоканальный звук и конкурируют с домашними кинотеатрами. Современные кодеки позволяют передавать сигнал в высоком разрешении без каких-либо потерь. Но пока старая техника еще работает, в продаже всегда можно будет найти соответствующие шнуры и переходники.