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Interfacciamento AES3-SPDIF

Interfacciamento tra gli standard AES3 e S/PDIF

Concetti generali
L'audio digitale nasce con l'introduzione del Compact Disc, all'inizio degli anni '80, e ciò fa sì che esso abbia ormai più di trentacinque anni.
Attualmente esistono due interfacce seriali: la AES3 (nota anche come AES/EBU), per l'uso professionale, e lo S/PDIF, per i prodotti consumer. Anche se è possibile, ed è anche facile, una semplice conversione passiva tra le due, si tratta di un metodo che richiede molte precauzioni.
La vecchia regola che indica la connessione diretta tra un apparato AES/EBU e uno S/PDIF come una pratica sbagliata è al giorno d'oggi attenuata da nuovi chips che supportano entrambe le interfacce. Detto questo, andiamo a esplorare questo ingarbugliato ginepraio.
Iniziali, Acronimi e Standard
L'interfaccia audio digitale professionale nota come AES/EBU è composta dalle iniziali di Audio Engineering Society / European Broadcasting Union, le due organizzazioni che hanno creato nel 1985 la prima interfaccia audio digitale seriale a due canali. Pubblicata come standard AES3-1985, essa è stata successivamente rivista e ripubblicata, con l'ultima versione che è la AES3-1992 (r1997).
Sono stati anche codificati uno standard nazionale americano, pubblicato come ANSI S4.40-1992, e uno standard internazionale, pubblicato come IEC 60958-4.
È importante dire che tutti questi documenti riguardano la stessa interfaccia seriale. Ray A. Rayburn aggiunge: “AES3 permette l'uso di interfacce con o senza trasformatore, mentre il corrispondente standard EBU richiede l'uso di trasformatori. Dunque è diventata un'abbreviazione comune dire AES/EBU quando l'interfaccia è accoppiata mediante trasformatore, e AES3 quando non lo è o quando non è noto il tipo di interfaccia”.
Nell'universo consumer troviamo l'acronimo S/PDIF (noto anche come SPDIF, senza barra) creato dalle parole: Sony/Philips Digital Interface Format. Ne è stato anche fatto uno standard internazionale, pubblicato come IEC 60958-3 (stesso numero, differente estensione dello standard professionale), ed è conforme con lo standard EIAJ (Electronic Industry Association Japan) CP-1201 (riclassificato come CP-340).
AES-3id-1995 (documento informativo AES per l'audio digitale-Trasmissione di dati formattati AES3 su cavo coassiale sbilanciato) è lo stesso formato dell' AES3 ma invece della linea bilanciata a 110 ohm, è una linea sbilanciata a 75 ohm che utilizza connettori BNC e deriva dalla stessa interfaccia coassiale del sistema consumer S/PDIF. AES3id (così abbreviato per semplicità) rappresenta un sotto-standard speciale di AES3 per applicazioni broadcast e lunghe distanze (per trasmissioni ad alta frequenza e su lunghe distanze, il coassiale sbilanciato è superiore alle linee bilanciate per via dell'alta capacità delle coppe schermate "twisted"). La conversione tra l'AES3 e l'AES3id è molto simile allo S/PDIF. [Nota: AES è solo uno standard audio professionale e lo S/PDIF è solo uno standard audio consumer, mentre IEC 60958 ed EIAJ CO-1201 comprendono entrambe le definizioni, professionale e consumer.]

[Attenzione: Non confondete S/PDIF con SDIF; essi sono standard completamente differenti. SDIF, sviluppato e utilizzato esclusivamente dalla Sony su apparati semi-professionali, è mono e non auto-sincronizzato, di conseguenza richiede tre cavi per l'interconnessione: due per i canali stereo e uno per il clock di sincronizzazione.]


Differenze tra AES e S/PDIF

La seguente tabella riassume le differenze che ci sono nelle caratteristiche elettriche delle interfacce AES3 e S/PDIF:
  AES3 AES3id S/PDIF
Interfaccia Bilanciata Sbilanciata Sbilanciata
Connettore XLR-3 BNC RCA
Impedenza 110 ohm 75 ohm 75 ohm
Livello di uscita 2-7 Vp-p 1.0 Vp-p 0.5 Vp-p
Livello massimo OUT 7 Vp-p 1.2 Vp-p 0.6 Vp-p
Corrente massima 64 mA 1.6 mA 8 mA
Livello minimo IN 0.2 V 0.32 V 0.2 V
Cavo STP1 Coassiale Coassiale
Distanza massima 100 m 1000 m 10 m
1:Shielded Twisted Pair
La tabella evidenzia una grande differenza tra il livello minimo di uscita e il minimo livello di ingresso (2V contro 0.2V di AES3). La differenza è spiegata da due fattori:

  • Metà del segnale si perde a causa dell'accoppiamento di impedenza richiesta da linee di trasmissione ad alta velocità (impedenza di uscita uguale a impedenza di ingresso crea un'attenuazione di 6dB)

  • Perdita di segnale dovuta a cavi lunghi


Precauzioni nella conversione

Si può convertire un'interfaccia in un'altra con pochi componenti, ma i protocolli utilizzati dall'AES3 e dallo S/PDIF non sono esattamente gli stessi e ciò può essere causa di problemi. Il formato di base dei dati è identico, ma c'è un bit nel frame channel status che assegna a certi bit differenti significati. Ciò rappresenta sicuramente la base per delle incompatibilità. Molte vecchie unità sono pignole riguardo a cosa rappresenta ciascun bit, e persino se un dato segnale rispetta fedelmente gli standard, esso viene rifiutato. Fortunatamente molte apparecchiature sono flessibili e tolleranti, così dei semplici convertitori resistivi o a trasformatore lavorano bene. Tuttavia si sappia che un convertitore che lavora bene con un'apparecchiatura non è garantito che faccia lo stesso con tutte le apparecchiature. Bisogna ricordare che, anche se i dati audio sono gli stessi tra gli standard AES e S/PDIF, essi hanno differenti codifiche di sotto-formato. L'AES3 convertito in formato coassiale a 75 ohm non è lo S/PDIF, e lo S/PDIF convertito in XLR bilanciato non è l' AES3. E l'AES3id con BNC a 75 ohm non è la stessa cosa dello S/PDIF-RCA; può lavorare, ma non è lo stesso. Essi si trovano ancora nel proprio formato nativo; è solo cambiato il mezzo di trasmissione. Passare dallo S/PDIF all'AES3 presenta un più alto grado di successo del procedimento contrario. Spesso i segnali AES3 non sono riconosciuti come validi da ingressi S/PDIF. Se essi lavoreranno nella tua applicazione dipende esclusivamente dalle apparecchiature scelte. Dunque gli schemi passivi che seguono convertono solo il livello del segnale e l'impedenza, e non gli altri particolari del protocollo (es. il sample rate, lo stato consumer/professionale, né sono corretti errori di blocco del flusso dei dati). L'esame della tabella evidenzia come la differenza dei livelli sia il problema maggiore. Il minore disadattamento di impedenza può essere facilmente affrontato, ma i livelli e le correnti sono un'altra faccenda per un convertitore passivo. Se si aggiunge un alimentatore al convertitore esso diventa più lineare. Ma questo dovrà essere per forza oggetto di una trattazione separata.


Da AES3 ad AES3id o S/PDIF

SE (nota il maiuscolo) si sa con certezza che sia il trasmettitore che il ricevitore sono accoppiati mediante trasformatore e che la distanza di interconnessione è corta, allora un semplice partitore resistivo adatterà le impedenze e cambierà i livelli, come indicato nella fig. 1.
Questa è la rete raccomandata dall'AES3id per la creazione di un attenuatore a 12dB (divisore in tensione 4:1) e convertire l'impedenza di uscita dell'AES3 di 110 ohm bilanciata nei 75 ohm necessari per pilotare l'ingresso AES3id. Dunque un livello medio di uscita di 4V verrà ridotto a 1V. Poiché questo eccede il massimo permesso dallo S/PDIF, si utilizzino i valori indicati tra parentesi per creare un attenuatore a 18dB (divisore in tensione 8:1) ottenendo un'uscita a 0.5V dallo stesso ingresso di 4V. Naturalmente altre tensione medie di uscita dell'AES3 richiedono differenti valori di resistenza. I trasformatori sono i migliori adattatori passivi di impedenza, in più presentano i benefici dell'isolamento dalla terra, la reiezione della RF, il blocco della corrente continua (DC) e la protezione dai cortocircuiti. L'adattamento di impedenza è facilmente raggiunto scegliendo l'appropriato rapporto degli avvolgimenti (1.21:1 per 110 ohm a 75 ohm), e una certa attenzione ai dettagli degli avvolgimenti permetterà trasformatori a banda larga sulle alte frequenze (si ha bisogno di ~12.5 MHz). Il convertitore migliore e più sicuro contiene dunque un trasformatore.
Se non si è sicuri che le apparecchiature da interfacciare siano isolate con trasformatore, bisognerà usare un trasformatore adattatore d'impedenza commerciale provvisto di connettori e una rete attenuante resistiva, come mostrato dalla fig. 2. Questa rete a T rappresenta un attenuatore bi-direzionale 75 ohm-75 ohm. L'attenuazione è leggermente inferiore di quella ottenuta con lo schema della fig. 1 per lo stesso ipotizzato segnale di ingresso di 4 V  perché il trasformatore di per sé attenua il segnale di un rapporto 1.21:1 (si scende a 3.3 V) mentre adatta le impedenze.
In alternativa si può costruire un adattatore come quello indicato nella fig. 3.
Da AES3id o S/PDIF ad AES3

Questa conversione richiede solo un adattamento di impedenza, in quanto i livelli sono inferiori a quelli dell'AES3 ma compatibili. Non esiste una rete puramente resistiva che sia soddisfacente per effettuare la conversione da AES3id o S/PDIF ad AES3, anche se ne appare una nella documentazione dell'AES3id. Mentre questa rete adatta l'impedenza,  essa lo fa con un'attenuazione del segnale d'ingresso, correndo il rischio che esso sia troppo basso per il ricevitore AES3, e inoltre non crea una linea bilanciata a 110 ohm richiesta dal ricevitore AES3. Dunque si raccomanda di utilizzare un trasformatore per effettuare questa conversione, come mostrato dalla fig. 4.
Si noti che questo trasformatore è identico a quello mostrato dalla fig. 3, solo viene utilizzato al contrario. Usando un convertitore commerciale con un adattatore maschio-femmina se ne avrà uno completamente bi-direzionale (oppure se ne costruisca uno con i trasformatori raccomandati). Ma non bisogna dimenticare che i livelli che escono da una uscita AES3 sono eccessivi per un tipico ingresso AES3id o S/PDIF, così è necessario aggiungere un attenuatore. Utilizzandolo in senso inverso non si avrà bisogno di un attenuatore poiché tutti gli ingressi AES3 possono accettare i livelli più bassi delle uscite AES3id o S/PDIF, fino a un segnale minimo di 200 mV.


Da AES3id a S/PDIF e viceversa

Poichè entrambi i formati utilizzano un cavo coassiale 75 ohm, è semplice collegare un'uscita AES3id a un ingresso S/PDIF. Tutto ciò che si richiede è un collegamento hardware compatibile e un attenuatore di 6 dB (2:1). Fino a che le distanze sono brevi, la semplice rete a T mostrata nella fig. 5 fa bene il suo lavoro. Le uscite S/PDIF possono essere collegate direttamente agli ingressi AES3id (non è necessario nessun adattatore) ma non bisogna dimenticare i precedenti ammonimenti circa il formato.
Si noti che, anche se la rete è simmetrica e funziona normalmente in entrambe le direzioni, essa deve essere usata solo per interfacciare un'uscita AES3id con un  ingresso S/PDIF. Se questo adattatore viene usato al contrario, per collegare un'uscita S/PDIF con un ingresso AES3id, la sua attenuazione potrebbe rendere il segnale S/PDIF troppo basso per essere accettato dall'ingresso AES3id.
BIBLIOGRAFIA

Dennis A. Bohn, Interfacing AES3&S/PDIF, Rane Note 149/2001 – last revised 3/06
Copyright © 2000- Vincenzo Ferrara