Transmisja sygnałów cyfrowych - transmisja dwukanałowa

My jednak, w kolejnym artykule z serii Technika cyfrowa, zajmiemy się nie tajnymi kodami szyfrowymi, ale innymi rodzajami kodów, które mają coś wspólnego z przesyłaniem informacji oraz generalnie transmisją sygnałów cyfrowych.

STANDARDY (KODY) TRANSMISJI CYFROWYCH

Możemy je podzielić na standardy transmisji dwukanałowej oraz wielokanałowej. Z tej pierwszej grupy najczęściej spotykamy dwa: S/PDIF oraz AES/EBU, i właśnie nimi zajmiemy się w tym numerze. Obydwa te standardy mają wiele cech wspólnych, ale też i pewne zasadnicze różnice, powodujące, że pierwszy z nich, S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format), nazywany jest formatem amatorskim lub konsumenckim i w takowym sprzęcie jest używany, a drugi - AES/EBU (Audio Engineering Society/European Broadcast Union) - uważany jest za standard profesjonalny.

Obydwa standardy wykorzystują do przenoszenia dźwiękowych danych cyfrowych interfejs IEC958. Najważniejsze różnice ujęte są w Tabeli 1. Standard AES/EBU został zaprojektowany do przesyłania dźwięku cyfrowego za pomocą zwykłej skrętki ekranowanej na odległość do 100 m. Urządzenia powszechnego użytku są zwykle umieszczone w jednym miejscu, więc kable połączeniowe nie muszą być takie długie. Dlatego standard amatorski przewiduje przesyłanie danych za pomocą kabla koncentrycznego na odległość do 10 m.

Oba formaty pozwalają na wykorzystanie istniejących złączy i przewodów używanych do przesyłania dźwięku w postaci analogowej. W standardzie profesjonalnym korzysta się z ekranowanej symetrycznej skrętki dwuprzewodowej o impedancji 110 Ω, ze złączem XLR (można do tego celu wykorzystać kabel mikrofonowy). W standardzie konsumenckim natomiast używa się symetrycznego kabla koncentrycznego o impedancji 75 Ω ze złączem RCA (cinch) oraz kabla światłowodowego z prostokątnym złączem (rysunek 1).

FORMAT RAMKI I BLOKU

Żeby za każdym razem nie powtarzać: "w obu formatach", przyjmijmy, iż to, co będę opisywał bez rozróżniania formatów, odnosi się właśnie do obu. Natomiast różnice występujące pomiędzy nimi będą omówione później.

Ramka składa się z dwóch podramek (dla dwóch kanałów: lewego i prawego). 192 ramki tworzą jeden blok (rysunek 2), zaś częstotliwość transmitowania ramek jest równa częstotliwości próbkowania.

PODRAMKA

Przyglądnijmy się, jak wygląda organizacja bitów w takiej podramce (rysunek 3). Słowo próbki dźwięku przesyłane jest w podramce składającej się z 28 bitów i preambuły. Preambuły są to specjalne czterobitowe sygnały, stosowane do synchronizacji oraz identyfikacji podramek i bloków. Pierwsze 24 bity za preambułą przeznaczone są do przesyłania próbek sygnału fonicznego.

Jeśli długość słowa próbki dźwięku nie przekracza 20 bitów, wówczas zamiast czterech najmniej znaczących bitów można przesyłać bity AUX, niosące dodatkową informację. Bity te mogą być użyte np. do przenoszenia pojedynczego sygnału koordynującego niskiej jakości. Sygnał ten ma częstotliwość próbkowania równą dokładnie 1/3 częstotliwości próbkowania sygnału głównego oraz jest kodowany na dwunastu bitach.

Jednocześnie mogą być przesyłane dwa takie sygnały, jeden w podramce 1, a drugi w podramce 2. Wróćmy do rysunku 3 i naszej podramki. Na pozycji 28 przesyłany jest bit ważności (V), informujący czy słowo próbki dźwięku można poddać konwersji analogowo-cyfrowej. Czemu to służy? Ano, przyjmijmy, że dekoder w urządzeniu wysyłającym dane cyfrowe znajdzie nienaprawialny błąd w próbce, wówczas bit ważności dla tej próbki zostanie ustawiony na "1". Odbiornik danych może w takiej sytuacji tę próbkę interpolować, zastąpić próbką poprzednią lub wyciszyć.

Jedziemy dalej - jako 29 bit przesyłany jest bit danych użytkownika (U). Bity te nie są określone przez normy i mogą być wykorzystywane przez producenta w dowolnym celu. Dane użytkownika mogą być grupowane w powtarzające się bloki 192-bitowe lub mogą tworzyć własny asynchroniczny strumień danych.

Bitem 30 jest jeden ze 192 bitów statusu kanału. I tu mógłbym się rozpisywać, jakie to informacje niesie ze sobą status kanału, ale przecież nie jest to czasopismo dla naukowców, więc podarujmy sobie takie dokładne szczegóły. Krótko i węzłowato - status kanału zawiera informacje dotyczące sygnału, takie jak: długość słowa próbki dźwięku, częstotliwość próbkowania, informacja o emfazie.

Zwykle status kanału w obu podramkach jest identyczny. Status kanału jest zasadniczo różny dla formatu AES/EBU oraz S/PDIF. W formacie profesjonalnym jest o wiele więcej informacji, które w formacie konsumenckim uznano za zbyteczne i pominięto. W statusie kanału obu formatów pierwszy bit określa właśnie rodzaj formatu. Jeśli bitem tym jest "1", to mamy do czynienia z formatem profesjonalnym AES/EBU, jeśli jako pierwszy bit w statusie kanału pojawi się "0", znak to niechybny, że jest to format "zwykłych śmiertelników", czyli S/PDIF.

Jak już wspomniałem, status formatu S/PDIF jest o wiele bardziej "uboższy" w informacje od swojego "profesjonalnego" kuzyna. Jednak jest pewna informacja, która nie jest w ogóle uwzględniana w formacie AES/EBU. Otóż jako trzeci bit w statusie formatu konsumenckiego (w zasadzie jest to bit 2, gdyż numerowanie bitów zaczyna się od 0) występuje tzw. bit copy. Jeśli ma on wartość ustawioną na "0", wtedy kopiowanie jest zabronione, i na odwrót - "jedynka" zezwala na kopiowanie. Na ile jest to faktycznie zabezpieczenie przed piractwem każdy raczej wie, no ale fakt jest faktem, że jakieś zabezpieczenie jest.

Innym faktem jest to, że faktycznie, jeśli mamy ustawiony bit copy na 0, nie będziemy mogli transmitować sygnału poprzez łącze cyfrowe, pod warunkiem oczywiście, że odbiornik "czyta" ten bit statusu, bo jest możliwość jego zablokowania. Natomiast w standardzie profesjonalnym takie zabezpieczanie nie istnieje, widocznie pomysłodawcy doszli do wniosku, że profesjonalistom są obce obrzydliwe praktyki piractwa.

Ostatni bit podramki, 31, jest bitem parzystości (P). Jest on ustawiany na taką wartość, aby wraz z nim na pozycjach od 4 do 31 była parzysta liczba zer i jedynek. Kontrola błędów za pomocą bitu parzystości działa poprawnie tylko wtedy, gdy liczba błędów w słowie danych jest nieparzysta. Wykrycie parzystej liczby błędnie odebranych bitów za pomocą tej kontroli nie jest możliwe. Stracona próbka dźwięku może zostać zastąpiona próbką interpolowaną lub ekstrapolowaną.

Jeszcze kilka słów o bitach próbki dźwięku (od 4 do 27). Sygnał foniczny jest sygnałem naprzemiennym, symetrycznym, dlatego do kodowania próbek dźwięku stosuje się kod dwójkowy bipolarny. Próbki są kwantowane liniowo, tzn. całkowity zakres zmian sygnału analogowego jest podzielony na równe przedziały. Bit najmłodszy przesyłany jest jako pierwszy. Jeśli źródło wysyła mniej bitów, niż na to pozwala interfejs, nieużywane bity są wyzerowane.

SYNCHRONIZACJA URZĄDZEŃ CYFROWYCH

Warunkiem poprawnego połączenia urządzeń cyfrowych jest ich synchronizacja. Częstotliwości próbkowania powinny być w każdym z nich identyczne oraz różnice fazowe powinny być zachowane z określoną tolerancją. Do synchronizacji używa się specjalnego sygnału odniesienia DARS (Digital Audio Reference Signal). Urządzenia studyjne powinny mieć specjalne gniazdo na ten sygnał oraz powinny dostosować swój wewnętrzny generator do tego sygnału.

Urządzenia mogą być synchronizowane jedną z dwóch metod:
- synchronizacja sygnałem odniesienia - wszystkie zegary o częstotliwości próbkowania są synchronizowane jednym sygnałem odniesienia. Ta metoda jest preferowana w praktyce studyjnej.
- pobieranie częstotliwości próbkowania z częstotliwości nadawania ramek sygnału cyfrowego. Ta metoda zwiększa różnice czasowe w kaskadowo połączonych urządzeniach.

Synchronizację można wyłączyć poprzez ustawienie bitu piątego na "1".

BŁĘDY TRANSMISJI

Źródła błędów mogą wynikać z:
- tłumienia sygnałów i redukcji pasma
- odbić od niedopasowanych końców linii
- niestabilności zegara taktującego
- zakłóceń

Tłumienie i redukcja pasma mogą powodować zmniejszanie poziomu sygnału do wartości nierozróżnialnych przez odbiornik. Poza tym są one przyczyną powstawania interferencji międzysymbolowych (o czym za chwilę). Przeciwdziałać tym zjawiskom można poprzez stosowanie na wejściu układu odbiorczego korekcji częstotliwościowej o odpowiednio dobranej charakterystyce.

INTERFERENCJE MIĘDZYSYMBOLOWE

Zasadę powstawania tych interferencji ilustruje rysunek 4. Linia transmisyjna działa jak filtr dolnoprzepustowy. Ograniczenia szerokości pasma powodują nachylenie kształtu fali. Przy wystarczająco dużym tłumieniu, gdyby były nadawane tylko same bity o wartości "1", wówczas przekraczałyby one poziomy logiczne jedynie na krótki moment. Gdyby jednak bit "1" wystąpił zaraz po bicie "0", wówczas zmiana stanu w środku bitu nastąpiłaby przed osiągnięciem poziomu logicznego, powodując błędny odbiór bitu. Poprawny odbiór bitu o wartości logicznej "1" zależy więc od wartości bitu poprzedniego.

ODBICIA OD KOŃCÓW LINII

Wkraczamy w tematykę zjawisk falowych i falowodów. Nie jest to bynajmniej prosta dziedzina, a więc, jak zwykle, postaram się w kilku prostych słowach przedstawić problem. W teorii falowej istnieje parametr zwany impedancją falową Z0. Nie będziemy teraz wnikać, co to jest i skąd się bierze.

Dla nas ważny jest fakt, że jeśli linia transmisyjna (czyli nasz kabel, którym przesyłamy sygnał cyfrowy) obciążona jest rezystancją R, różniącą się od impedancji falowej Z0 danego przewodu (linii), to powstaje fala odbita. Fala ta jest odwrócona w fazie w stosunku do fali "głównej", jeśli R Z0. Ta fala odbita sumuje się z następnym sygnałem w odbiorniku na końcu linii. Jeśli oba sygnały mają ten sam poziom, wówczas dodają się wzajemnie i sygnał jest odebrany prawidłowo.

Gdy jednak poziomy sygnałów są przeciwne, wówczas sygnał odbity powoduje zmniejszanie poziomu sygnału odbieranego. Poziom wynikowy tego sygnału może więc być niewystarczający do poprawnego odbioru. Może też zaistnieć trzeci przypadek - odbity sygnał może pojawić się w innym momencie, niż sygnał bieżący i, powodując dodatkową zmianę stanu, może zaburzyć pracę układu regenerującego zegar taktujący.

JITTER

Jest wynikiem niestabilności zegara taktującego. Polega on na przesunięciu czasowym sygnału cyfrowego w stosunku do swego właściwego położenia. Inną przyczyną powstawania jittera może być ograniczoność pasma, która wpływa na zbocza przesyłanego sygnału.

Jak widać na rysunku 4, sygnał, który pojawia się na wejściu odbiornika po przejściu przez linię transmisyjną (kabel) w niczym nie przypomina sygnału prostokątnego, odpowiadającego zerom i jedynkom (tak po prawdzie to nigdy nim nie był, bo wygenerowanie idealnie prostokątnego sygnału jest fizycznie niemożliwe - sygnał musi mieć skończony czas narastania i opadania, gdyż w tym samym momencie nie może zmienić skokowo swojej wartości).

Sygnały ograniczone częstotliwościowo stają się pochylone, jak zęby piły, a gdy do tego dojdzie jitter i odbicia od końców linii, to, co płynie w przewodzie przypomina mniej więcej to co pokazuje rysunek 5. Jest to tak zwany "wykres oka". Na jego podstawie możemy określić minimalny sygnał wejściowy, czyli taki, który odbiornik powinien prawidłowo odebrać.

Jeśli parametry "oka", widoczne na rysunku 4, mają wartość co najmniej równą Vmin = 200 mV oraz Tmin równą jednej czwartej czasu trwania jednego bitu, to odbiornik jest jeszcze w stanie odebrać prawidłowo ten sygnał. Poniżej tych wartości mogą nastąpić przekłamania. Warto dodać, że maksymalna wartość napięcia z rysunku 4 wynosi 5 V (dotyczy to sygnałów w formacie AES/EBU). Widzimy teraz wyraźnie - sam fakt, iż sygnał jest cyfrowy nie znaczy wcale, że jest on wolny od błędów i można go przesyłać na dowolną odległość dowolnym, nawet byle jakim, przewodem.

I STAŁO SIĘ ŚWIATŁO

Światłowód to była prawdziwa rewolucja technologiczna. W porównaniu do przesyłania sygnałów elektrycznych w światłowodowej transmisji unika się zakłóceń i szumów oraz pętli masy. Poza tym zawsze można "podpatrzeć" czy jest sygnał w przewodzie, bez potrzeby podpinania jakichkolwiek mierników czy oscyloskopów. Nie występuje tu problem pojemności kabla, a więc nie powinien występować jitter ani przypadkowe błędy danych. Ideał? No, może niekoniecznie.

Problem występuje już przy samym procesie produkcji. Co prawda, to nie nasz problem, ale za to, żeby inni się głowili i męczyli przy produkcji, my musimy zapłacić. Problem też jest w samodzielnym wykonaniu złącz, no, a poza tym światłowód jest bardziej delikatny niż stary, dobry "drut".

Więcej o światłowodach oraz o wielokanałowych standardach transmisji cyfrowych sygnałów już za miesiąc.

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.