Transmisja sygnałów cyfrowych - transmisja wielokanałowa

Zaczęło się... no właśnie, nie bardzo wiadomo od czego się zaczęło. Czy były to znaki dymne, czy słoneczne "zajączki" za pomocą wielkich zwierciadeł, czy walenie w tam-tamy. Człowiek zawsze chciał przesyłać informacje możliwie daleko, możliwe szybko, i tak, aby odczytujący wiadomość zinterpretował poprawnie i jednoznacznie.

Temu miały służyć różne kody (znaki dymne, odpowiednia sekwencja uderzeń w tam-tam). Sama transmisja polegała na wykorzystaniu naturalnych właściwości atmosfery i bezpośrednio zmysłów wzroku lub słuchu. Wraz z wynalezieniem telegrafu i alfabetu Morse’a sprawa zaczynała się bardziej komplikować. Obecnie najdoskonalszy i najszybszy sposób przesyłania informacji to transmisja danych cyfrowych. Miesiąc temu zaprezentowałem dwa standardy dwukanałowej transmisji dźwięku cyfrowego. Co więc dziś przygotowałem? Ano, na początek coś pośredniego między transmisją dwu- i wielokanałową.

I2S

System transmisji opracowany w firmie Philips, pod nazwą Inter-IC-Sound, przeznaczony jest do sprzęgania i przesyłania cyfrowych danych audio pomiędzy układami scalonymi, wewnątrz danego urządzenia audio. Jego rodowód wywodzi się z bardzo popularnego interfejsu I2C, służącego do sterowania układów scalonych umieszczonych w niewielkiej odległości od siebie. Dane foniczne przesyłane są po linii danych począwszy od najbardziej znaczącego bitu. Rozwiązanie takie umożliwia łatwe dopasowanie długości przesyłanych słów do możliwości urządzenia: jeśli nadajnik pracuje z większą liczbą bitów, odbiornik zignoruje bity najmniej znaczące.

W przypadku kiedy układ nadawczy wyśle słowa o mniejszej precyzji, młodsze bity mogą zostać zamaskowane zerami. Nigdy więc nie następuje zmiana wagi bitów znaczących, co jest wielką zaletą tego systemu. W związku z pewnymi wadami, jakie ma system I2S możliwe staje się wyparcie tego łącza przez I2S-e, opracowane przez firmę UltraAnalog.

No dobrze, możemy przesyłać dźwięk mono lub stereo pomiędzy poszczególnymi urządzeniami audio, za pomocą protokołów S/PDIF bądź AES/EBU. Możemy wymieniać dane na poziomie "druku", czyli przesyłać je pomiędzy układami scalonymi za pomocą właśnie poznanego protokołu I2S. Ale co zrobić, kiedy chcemy przesłać dane cyfrowe z kilku kanałów, np. pomiędzy cyfrowym rejestratorem wielośladowym a komputerem albo pomiędzy konsoletą cyfrową a stage rackiem? Tu do dyspozycji mam kilka rozwiązań. Zacznijmy od tych starszych.

TDIF

Jest to standard, który pozwala na przesyłanie 8 kanałów sygnałów dźwiękowych, oczywiście w postaci cyfrowej. Opracowano go dla potrzeb rejestracji i współpracy magnetofonów Tascam DA- 88, ale oczywiście obecnie można go spotkać w wielu urządzeniach profesjonalnych. Spora liczba firm produkujących sprzęt cyfrowy oferuje w swoich urządzeniach ten typ złącz (np. w konsoletach) lub oferuje je jako dodatkową opcję. Połączenie to realizuje się za pomocą wielostykowego kabla, podobnego do tego, jakim kiedyś podłączało się drukarki do komputera (LPT).

ADAT

a w zasadzie AODI, gdyż pełna nazwa tego standardu brzmi ADAT Optical Digital Interface. W tym przypadku do przesyłania danych wykorzystujemy nie kabel elektryczny, ale światłowód. O światłowodach będzie jeszcze mowa (choć całkiem niedawno mówiliśmy o nich przy okazji omawiania sieci cyfrowych), teraz tylko słów kilka o samym protokole.

Został on zaprojektowany przez firmę Alesis do przesyłania sygnału pomiędzy magnetofonami wielośladowymi, wykorzystującymi do rejestracji 8 kanałów zwykłą kasetę video VHS, czyli tzw. ADAT-ami - no, i stąd wzięła się nazwa. Umożliwia on równoległą transmisję do ośmiu kanałów danych cyfrowych przez pojedynczy kabel światłowodowy, przy długości słowa do 24 bitów. Podobnie jak w przypadku "kolegi" ze "stajni" TASCAM-a (czyli TDIF), ten standard występował i wciąż jeszcze występuje w urządzeniach cyfrowych, w których niezbędne jest przesyłanie wielokanałowego dźwięku cyfrowego (rejestratory twardodyskowe, miksery, karty komputerowe).

Wszystko jest w porządku dopóki mamy tylko osiem kanałów. Co, jeśli potrzebujemy przesłać więcej, niż owe osiem ścieżek? W tym przypadku nie obejdzie się bez synchronizacji. Załóżmy, że chcemy przepisać dane z 16 kanałów miksera cyfrowego na dysk twardy komputera. Musimy zsynchronizować dwie karty ADAT zainstalowane w konsolecie z programem zapisującym w komputerze, tak aby zarówno pierwsza, jak i druga grupa 8-miu kanałów były ze sobą prawidłowo zsynchronizowane. Prawidłowe zsynchronizowanie takiej transmisji będzie wymagało użycia nie tylko AODI, ale także jego 9-cio pinowego połączenia synchronizujacego. Niestety, nie każdy interfejs oferuje takie łącze, dlatego można też wykorzystać kody czasowe lub sterujące, np. SMPTE lub MTC.

MADI

Standard MADI (ang. Multichannel Audio Digital Interface) został wprowadzony w celu uproszczenia transmisji danych w systemach wielokanałowych.

Dane z 56-ciu kanałów dźwiękowych są transmitowane szeregowo, w sposób asynchroniczny. Ramki protokołu MADI są podzielone na podramki. Nie jest wymagane zastosowanie preambuły, ponieważ stosowana jest odmienna metoda synchronizacji. Czterobitowy blok synchronizacji zastępowany jest przez tzw. 4 "bity trybu". Poza tą różnicą budowa ramki jest identyczna, jak w standardzie AES/EBU (oczywiście oprócz tego, że ramka AES/EBU składa się z dwóch podramek, gdyż transmitowane są tylko dwa kanały, a ramka MADI składa się z 56 podramek). Zaletą tego protokołu jest możliwość skorzystania ze zwykłej skrętki ekranowanej oraz przesyłanie 56 kanałów, a nie np. 8. Oczywistą wadą zaś, w stosunku do poprzednich protokołów, jest mniejsza szybkość, gdyż przesyłanie danych następuje szeregowo. Sygnały MADI można przesyłać też za pomocą światłowodu.

FIRE WIRE (IEEE 1394, SONY I-LINK)

Standard ten, opracowany przez firmę Apple Computers, został zaadaptowany przez amerykański Institute of Electrical and Electronic Engineers w 1995 roku. IEEE 1394 jest to cyfrowy interfejs pozwalający na szybkie przesyłanie danych cyfrowych pomiędzy takimi urządzeniami jak: kamery cyfrowe, sprzęt audio, instrumenty elektroniczne, itp. Standard umożliwia włączanie i wyłączanie urządzeń bez odłączania komputera od sieci, co eliminując konieczność jego restartowania bardzo przyspiesza cały proces.

Na jednym złączu można podpiąć jednocześnie do 63 urządzeń, z tym że ujednolicono wejścia i wyjścia (nie ma jednoznacznego określenia które jest które), więc transmisja odbywa się jednocześnie w obu kierunkach. Szybkość transmisji jest na tyle duża, że pozwala na przesyłanie danych praktycznie bez angażowania w ten proces centralnej jednostki komputera. Dzięki temu możliwe stało się wykorzystanie wtyczek programowych jako integralnej części systemu w trakcie dokonywania nagrań.

Jak to wygląda w praktyce? Adresowanie jest dynamiczne - w zależności od potrzeb i od tego czy dane urządzenie jest w tym momencie aktywne, następuje przypisywanie adresów poszczególnym urządzeniom. Jest zresztą w czym wybierać, gdyż IEEE 1394 pozwala na wykorzystanie 1023 kanałów transmisji. Ponadto urządzenia można łączyć niemalże dowolnie: w gwiazdę, drzewo z dodatkowymi odgałęzieniami, w łańcuch, a także nie jest konieczne stosowanie terminatorów na końcach linii. Szybkość transmisji można wybrać spośród trzech wartości - 100, 200, 400 Mb/s, zaś najnowsza specyfikacja IEEE-1394b dopuszcza również przesył z prędkością 800 Mbit/s (wersja 9-żyłowa).

Długość kabla ograniczona jest do ok. 4,5 metra, natomiast w wersji optycznej do ok. 1000 metrów. IEEE-1394b przewiduje również wykorzystanie połączeń optycznych, co umożliwi transfer 3,2 Gb/s i uzyskanie długości ponad 100 m, natomiast przy wykorzystaniu standardowej skrętki Cat5 możliwe jest uzyskanie 100 Mbit/s i odległości 100 m. Na podstawie protokołu IEEE 1394 firma Yamaha opracowała system dedykowany specjalnie do zastosowań przesyłania wielokanałowego cyfrowego audio, nazywając go

MLAN

Jest to skrót od music Local Area Network. Jest to połączenie przeznaczone do spinania urządzeń w technice punkt- -punkt. Ponieważ mLAN powstał w oparciu o FireWire, dlatego oba te standardy są ze sobą tożsame, co oznacza, że komputer wyposażony w gniazdo FireWire może bez kłopotu współpracować z dowolnym sprzętem muzycznym pracującym w standardzie mLAN, pod warunkiem wyposażenia go w odpowiednie sterowniki. W podstawowym układzie funkcjonalnym system zapewnia transmisję z prędkością 400 Mbps, co pozwala na przesyłanie ok. 150 kanałów o parametrach: częstotliwość próbkowania 48 kHz i rozdzielczość 24 bity.

AES50 ORAZ HYPERMAC

Rozwijany przez firmę Sony Pro-Audio Lab AES50 jest standaryzowany przez Audio Engineering Society i pozwala przesyłać do 48 kanałów w obu kierunkach, równolegle z użyciem technologii zaczerpniętej z 100 Mbps Ethernet, jednakże nie w całości (własne routery). HyperMAC przenosi do 384 kanałów w obu kierunkach jednocześnie, używając technologii Gigabit Ethernet. Te konfiguracje bazują na sygnałach o częstotliwości próbkowania 44,1 lub 48 kHz, ale jakość dźwięku może być znacząco polepszona, nawet do 176,6 lub 192 kHz, który to sygnał może być transportowany w sieci AES50 w ilości 12 kanałów, a w sieci HyperMAC - 96.

A-NET

A-Net jest wysokiej szybkości cyfrowym rozwiązaniem transmisji audio firmy Aviom. Jest on zdolny do wysyłania i odbierania nieskompresowanego, 24-bitowego dźwięku cyfrowego poprzez nieekranowany kabel Cat-5 (przy dłuższych połączeniach rekomendowany jest kabel Cat-5e z dodatkową parą w celu redukcji zakłóceń i interferencji).

Latencja sygnału wynosi 880 ms z analogowego wejścia do analogowego wyjścia. A-Net pozwala na połączenia urządzeń kablem o długości nawet do 150 metrów. Tak mniej więcej wyglądają standardy przesyłania wielokanałowego dźwięku cyfrowego. Wszystkie z nich są jeszcze lub już stosowane, ale oczywiście należy się spodziewać powolnego wypierania protokołów ADAT i TDIF przez zastosowanie rozwiązań sieciowych, o których pisałem kilka miesięcy temu (CobraNet, EtherSound i Dante). Jeśli już jesteśmy przy temacie przesyłania cyfrowych danych, to warto wspomnieć jeszcze o jednym standardzie. Co prawda nie pozwala on na przesyłania wielokanałowego audio, ale ma wiele znaczących zalet. Jest to

USB

Jest to już powszechnie stosowany przez użytkowników komputerów interfejs, pozwalający na podłączanie klawiatury, myszki, drukarek, skanerów i innych urządzeń zewnętrznych do komputera, bez konieczności mozolnego restartowania go po każdym podłączeniu lub odłączeniu. Powstał z połączonych sił takich gigantów komputerowych jak Intel, IBM, NEC czy Microsoft, a oznaczy tyle co Universal Serial Bus. Dzięki temu złączu możemy przesyłać również dane cyfrowego dźwięku lub dane MIDI. Obecnie dostępne są trzy formaty: 1.1, pozwalający na przesyłanie danych z szybkością przepływu do 12 Mbps, 2.0 - transmisja do 480 Mbps oraz USB 3.0, z szybkością transmisji równą 4,8 Gbps.

Z muzycznego punktu widzenia w pierwszym przypadku przepływność 12 MBps pozwala na transmisję dwóch kanałów cyfrowych audio i towarzyszących im kilku kanałów MIDI. Do pojedynczego złącza USB można podpiąć wprost tylko jedno urządzenie, ale wykorzystując zewnętrzne rozdzielacze, zwane "hubami", można te liczbę zwiększyć nawet do 128. Pojedynczy hub ma najczęściej osiem wejść dla zewnętrznych urządzeń. Wiele urządzeń z zaimplementowanym USB ma już wbudowany hub. Do takich należą przede wszystkim klawiatury komputerowe i monitory, dzięki czemu maleje znacząco liczba podłączeń do komputera, jakie trzeba wykonać. Pamiętać jednak należy, że maksymalna długość przewodu USB nie może przekraczać 5 metrów. Jeżeli potrzebne jest dłuższe połączenie, należy skorzystać z dodatkowego huba.

ŚWIATŁOWODY

Na koniec obiecane słów kilka o światłowodach - oczywiście tylko podstawowe informacje. Tych, których interesuje bardziej ta tematyka, odsyłam do fachowej literatury z zakresu optyki i optoelektroniki.

Jak już wspomniałem na początku artykułu, już w czasach starożytnych korzystano ze światła do przekazywania wiadomości: np. Grecy za pomocą latarń ustawionych w rzędy i kolumny przesyłali dość skomplikowane sygnały. Głównymi wadami tych systemów była mała szybkość i duża zawodność pracy - przy złej pogodzie sygnały nie były widoczne. Potrzebny był system prowadzący światło, działający niezależnie od pogody. Łączność światłowodowa stała się możliwa jednak dopiero w momencie gdy tłumienność w światłowodzie zredukowano poniżej 20 dB/km. Obecnie typowe światłowody mają tłumienność 0,2 dB/km i mogą przenosić dane z częstotliwościami gigahercowymi na długości rzędu dziesiątek kilometrów. Jak to się dzieje?

Światłowody są elementami prowadzącymi światło, wykonanymi ze szkła, polimeru lub ich mieszaniny. Prowadzą światło na zasadzie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia, które nota bene jako pierwszy zademonstrował John Tyndall w 1854 roku. Dzieje się tak, gdyż istnieje pewien kąt graniczny całkowitego wewnętrznego odbicia, a zjawisko to zachodzi, gdy światło przechodzi z ośrodka o większym współczynniku załamania światła do ośrodka o współczynniku mniejszym. Dlatego światłowód składa się z rdzenia oraz płaszcza otaczającego ten rdzeń.

Światłowody są wytwarzane z bardzo czystego szkła kwarcowego. Płaszcz jest wykonany z najczystszego szkła, podczas gdy do szkła, z którego wykonany jest rdzeń, dodaje się bardzo starannie kontrolowane ilości domieszek, zwiększające współczynnik załamania światła w stosunku do współczynnika załamania w płaszczu.

Najłatwiejszym sposobem wprowadzenia światła do światłowodu jest po prostu dociśnięcie końca włókna światłowodowego do źródła światła. Jest to połączenie dociskowe. Sprawność sprzężenia określa jaka część wiązki ze światła wchodzi do światłowodu pod właściwymi kątami, ulegając całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Mała sprawność sprzężenia może być głównym źródłem strat mocy w systemach światłowodowych. Straty w samym światłowodzie też mogą być znaczne, zwłaszcza przy dużych odległościach (ale na szczęście to dotyczy przesyłania telekomunikacyjnego, w naszym przypadku, gdy łączymy ze sobą urządzenia na odległość kilku metrów, nie ma to wielkiego wpływu). Głównymi źródłami start są wtedy: tłumienie, straty na zagięciach i straty na złączach. Straty tłumienia mają znaczenie przy większych odległościach, nas więc raczej nie dotyczą.

Straty na złączach powstają w miejscu połączenia między źródłem i światłowodem oraz przy połączeniach dwóch części światłowodu ze sobą. W przypadku pierwszym trzeba tylko zadbać, aby wtyk był dobrze osadzony w gnieździe, drugi raczej nas nie dotyczy, bo nikt nie będzie łączył dwóch światłowodów na odległości, załóżmy, 10 czy nawet 100 m. Straty na zagięciach można zredukować, ograniczając liczbę zagięć lub zwiększając promień zakrzywienia. Starajmy się więc, aby światłowód przebiegał po linii prostej lub był zwinięty w pętlę o szerokim promieniu. Jeszcze jednym niekorzystnym zjawiskiem, które powoduje rozmycie czasowe impulsów świetlnych, jest dyspersja, jednak ma ono znaczenie również w przypadku większych odległości przesyłu.

 

Jan Erhard

---

Jan Erhard z wykształcenia jest informatykiem i specjalistą od sieci cyfrowych, zaś z zamiłowania muzykiem. Zajmuje się też realizacją dźwięku, stąd jego zainteresowania i duża wiedza na temat cyfrowego przetwarzania sygnałów.