Testeur S/PDIF – Système de test pour l’audio numérique

Le petit montage proposé ici pourra être utilisé pour une vérification rapide des sorties d’audio numérique d’une platine CD, d’un lecteur/enregistreur DAT voire d’un lecteur/enregistreur MiniDisc. L’apparition sur le marché d’un nouveau décodeur S/PDIF à CNA (Convertisseur Numérique/ Analogique) intégré permet la conception d’une réalisation ne requérant qu’un petit nombre de composants connexes.

Nous vous recommandons, si vous n’avez que des notions rudimentaires, voire pas de notion du tout, sur la structure de données
d’un signal S/PDIF, de faire un détour par l’encadré qui lui est consacré. Si vous avez passé par cette étape ou que vous en savez suffisamment sur le sujet vous pouvez vous considérer comme un expert en S/PDIF et poursuivre la lecture de cet article.

Le cœur de notre testeur S/PDIF est un nouveau composant de l’écurie de Philips Semiconductors, baptisé du doux nom de UDA1350ATS (voire UDA1351TS pour les taux d’échantillonnage à 96 kHz); il s’agit, comme le dit son fabricant, d’un IEC-958- Audio-DAC, un CNA audio répondant aux normes IEC-958.

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Figure 1. Synoptique de l’UDA 1350/1.

La figure 1 en donne le synoptique interne. On y découvre un décodeur IEC-958 et un convertisseur N/A stéréo intégré, de sorte
que l’on dispose en sortie d’un signal analogique.

Le composant peut être piloté sériellement par un microcontrôleur par le biais d’une interface dite de type L3, mais connaît également un fonctionnement statique aux possibilités plus limitées dès lors que son entrée SELSTATIC est forcée au niveau haut.

Dans ce mode, un certain nombre de fonctions telles que réglage du volume, des graves, des aigus, des paramétrages de filtres BF, le silencieux et la commande externe de la désaccentuation (deemphasis) ne sont plus disponibles. Cependant, si l’on veut uniquement utiliser ce composant pour tester une sortie d’audio numérique, on peut fort bien le mettre en œuvre en mode autonome.

 

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Traitement des données par le UDA1350/1 :

Le cheminement des données au cœur du UDA1350/1 va de l’entrée S/PDIF au décodeur IEC-958 et à système d’horloge interne (PLL) en passant par un amplificateur intégré chargé d’amener le signal d’entrée à un niveau CMOS.

On trouve en aval un processeur de caractéristique audio (un AFP pour Audio Feature Processor comme disent les anglophones) chargé de réaliser la désaccentuation lorsque l’on se trouve en mode statique comme cela est le cas ici.

La désaccentuation consiste à atténuer le niveau des fréquences audio les plus élevées en vue de réduire le bruit et partant d’améliorer le rapport signal/bruit.

Pour ce faire, côté émetteur, c’est-à-dire sur le support d’enregistrement (CD, DAT, et autre) on rehausse le niveau de la partie
supérieure du spectre des fréquences, processus appelé préaccentuation.

Tous comptes faits, la courbe de réponse en fréquence est retrouvée, la somme de la préaccentuation et la désaccentuation étant
nulle. Dans l’interpolateur qui se trouve à la sortie de l’AFP on procède, pour préparer la conversion N/A, à une multiplication par 128 de la fréquence d’échantillonnage.

On utilise pour ce faire un filtre numérique récursif (IIR) suivi d’un filtre numérique FIR. Ce filtre atténue de 50 dB toutes les  composantes de signal de fréquence supérieure à la moitié de la fréquence d’échantillonnage.

Dans le dernier bloc de la chaîne, celui de la « mise en forme de bruit » (noise shaper), on effectue un déplacement du bruit de
quantification situé dans la plage des fréquences utiles (10 Hz à 25 kHz) vers le haut de manière à le faire sortir de la plage des fréquences audio, ce qui a pour effet de rehausser le rapport signal/bruit dans la plage des fréquences audio.

Le « metteur en forme » convertit en outre les valeurs d’échantillonnage arrivant sous forme parallèle en un flux de données de 1 bit (un train pour le canal gauche un autre pour le canal droit).

Le convertisseur N/A intégré dans le UDA1350/1 prend la forme d’un filtre de reconstruction quasi-numérique qui transforme le flux de données de 1 bit en provenance du « formateur de bruit », par filtrage passe-bas, en un signal analogique.

De par ce principe de conversion N/A il n’est pas nécessaire de prévoir un filtre passe-bas analogique externe. Le signal de sortie
du circuit possède un niveau suffisant pour attaquer l’entrée Ligne (Line) d’un amplificateur stéréo.

Dans le cas de notre testeur S/PDIF, la sortie de signal audio sert en fait uniquement à attaquer directement un casque d’écoute stéréo.

Le décodeur IEC-985 dérive du flux de données les échantillons audio de 24 bits pour les signaux audio gauche et droit et les bits d’état du canal central. Il reconnaît le paramétrage de désaccentuation, la fréquence d’échantillonnage, le mode de fonctionnement MCI (PCM = Pulse Coded Modulation = Modulation par Codage d’Impulsion) bicanal ainsi que la précision de l’horloge.

Le traitement additionnel effectué au niveau de l’interpolateur se fait sous la forme d’un signal de 20 bits.

Une boucle à verrouillage de phase (PLL = Phase Locked Loop) interne permet de synchroniser sur des signaux dont la fréquence d’échantillonnage est comprise entre 24 et 54 kHz. Les taux d’échantillonnage courants, à savoir 32, 44,1 et 48 kHz, sont pourtant couverts.

Si l’on implante dans le testeur S/PDIF non pas un UDA1350ATS, mais un UDA1351TS compatible broche à broche avec le premier la
boucle à verrouillage de phase permet même de synchroniser à des taux d’échantillonnage allant jusqu’à 100 kHz.

La LED prise à la sortie LOCK signale lorsque le décodeur IEC 958 s’est synchronisé sur le flux de données en entrée. Si le décodeur
se trouve dans l’impossibilité de déchiffrer le flux de données d’entrée, la sortie audio est basculée en mode silencieux.

Le tableau 2 récapitule les fréquences d’échantillonnage classiques et donne les taux de données correspondants. Ce tableau nous
apprend quels taux d’échantillonnage chacun des 2 types de UDA135X est capable de traiter.

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Figure 2. L’électronique du testeur de signal S/PDIF

Une électronique compacte :

Le UDA1350ATS et le UDA1351TS travaillent à une tension nominale de +3,0 V. L’électronique dont le schéma est donné en figure 2 ne consomme, entrée en l’air, que de l’ordre de 10 mA, ce courant passant à moins de 30 mA en présence d’un signal S/PDIF.

De manière à permettre au testeur S/PDIF d’être alimenté à partir d’une pile compacte de 9 V, nous avons intégré un régulateur
linéaire du type LM317 paramétré à +3,0 V.

Les différents sous-ensembles intégrés dans le composant (PLL, convertisseur N/A, etc.) reçoivent leur courant par le biais de
connexions d’alimentation propres. Le montage est doté, sous la forme d’une triplette constituée d’une résistance de 10 Ω, d’un condensateur électrochimique de 47 μF et d’un condensateur de 100 nF, de réseaux RC de découplage ayant pour fonction de filtrer tout parasite produit par les différents domaines numériques du composant ou risquant d’en gêner le fonctionnement.

On évite ainsi que les convertisseurs N/A ne captent de parasites par le biais de leur tension d’alimentation et ne puissent en transmettre.

C8 fait office de condensateur de charge pour l’électronique de remise à zéro chargée de l’initialisation du circuit intégré lors de l’application de la tension d’alimentation. On dispose, pour le convertisseur N/A, en broche 19, de la tension de référence Vref, tension découplée à l’aide d’un condensateur électrochimique et d’un condensateur de 100 nF.

La valeur de Vref est proche de la moitié de la tension d’alimentation, soit de l’ordre de +1,5 V.

La ligne de transmission qui véhicule le signal audio numérique (S/PDIF) possède une impédance de 75 Ω et requiert partant d’être close à l’aide d’une résistance de terminaison de ligne, R7, pour éviter toute distorsion du signal par réflexions.

C11 court-circuite les signaux parasites de fréquence élevée (HF) que pourrait capter le câble. Le signal d’entrée arrive, par le biais de C10, un condensateur de 10 nF, au décodeur mono-puce.

Il faut à ce niveau que le signal ait une valeur crête à crête comprise dans la plage de tension allant de 0,2 à 3,3 V.

La broche Lock commande, au travers de la résistance R8 la LED D1 chargée de visualiser un décodeur IEC-958 verrouillé. Elle s’allumera en fait uniquement en présence d’un signal d’audio PCM. En présence de flux de données qui ne correspondent
pas à un signal audio respectant les normes cette LED ne s’allume pas, même si le décodeur est verrouillé.

La broche de silencieux (Mute, broche 11) est, dans le cas du testeur S/PDIF, forcée en permanence au potentiel de la masse, de manière à éviter toute « mise au silence » du signal de sortie.

Dans ces conditions, le circuit intégré transmet toujours vers la sortie, et cela sans retard, tous les signaux audio décodables. En l’absence de signaux de donnée ou en présence de signaux non décodables, c’est un circuit de silencieux qui entre en fonction en vue d’éliminer tout risque de production de signaux parasites de fort niveau que pourraient produire des flux de données indéfinies
appliquées au convertisseur N/A.

Les 2 canaux sont couplés à l’embase de sortie K2 par l’intermédiaire de condensateurs électrochimiques de 47 μF, C16 et C17. Les
résistances de 10 kΩ forçant les sorties à la masse définissent le potentiel en continu de la sortie en l’absence de casque d’écoute.

Les résistances série de 100 Ω protègent les sorties du circuit intégré contre une éventuelle mise en court-circuit de la ligne de signal BF.

 

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Implantation des composants et mise en service :

Le UDA1350ATS tout comme le UDA1351TS d’ailleurs, est proposé en boîtier SSOP28 (Shrink Small Outline Package à 8 broches).
Nous n’avons pas dessiné de platine à l’intention de cette réalisation ce qui ne signifie pas non plus qu’il vous faudra impérativement
faire appel à votre logiciel de CAO préféré pour dessiner votre propre platine.

En effet, vu le faible nombre de composants requis, ce montage pourra fort bien prendre place sur un morceau de platine  d’expérimentation à pastilles prévue pour la mise en place de composants CMS (telle que, par exemple, la platine de Conrad proposée sous la référence 527858).

On commencera par la mise en place du régulateur de tension et on vérifiera qu’il fournit bien les 3,0 V prévus. Ce ne sera qu’ensuite
que l’on poursuivra la réalisation du montage par la mise en place du UDA1350/1.

Une fois la réalisation physique terminée, on prendra le temps de vérifier les soudures à la loupe. Après s’être assuré qu’aucune des
broches de IC1 n’est en court-circuit on appliquera à l’entrée K1, par le biais d’un câble de 75 Ω doté d’un connecteur Cinch, un signal d’audio numérique.

L’alimentation prendra la forme d’une pile compacte de 9 V, voire, mieux encore, une alimentation de laboratoire dotée d’une limitation de courant ajustable entre 50 et 100 mA. On devrait entendre alors un signal BF de niveau normal dans les coquilles du casque branché sur l’embase K1.

Il vous faudra, si cela n’est pas le cas, revérifier les soudures du UDA1350/1. N’y aurait-il pas à un endroit ou à un autre un court-circuit quasi-indiscernable ? Vérifiez la présence des différentes tensions d’alimentation aux broches correspondantes du UDA1350/1.

On doit trouver partout 3,0 V. Si vous mesurez une valeur plus faible la possibilité d’un court-circuit n’en devient que plus probable. Vref se trouve-t-elle bien à 1,6 V ? Si tel est également le cas, il faudra peut-être envisager d’utiliser un autre signal S/PDIF.

 

Structure de données du signal S/PDIF :

Capture

Historique

Les interfaces d’audio numérique pour équipements tels que lecteurs de CD ou lecteurs/enregistreurs DAT virent le jour sous la
dénomination AES/EBU (Audio Engineering Society, European Broadcasting Union), sachant qu’elles furent spécifiées, tout au
début, pour les émetteurs radio.

On a normé, une interface travaillant à une fréquence d’échantillonnage de 48 kHz (voire 32 kHz) et utilisant 24 bits audio par canal. Avec la multiplication des lecteurs de CD, il fut temps de définir une version grand public de la norme AES/EBU EBU, norme définie par Sony et Philips, d’où sa dénomination de Sony/Philips Digital Interface (S/PDIF).

L’interface professionnelle AES/EBU EBU et l’interface grand public S/PDIF furent ultérieurement réunies dans le standard IEC-958 (IEC = International Electrotechnical Commission).

Les différences majeures entre l’interface professionnelle et son homologue S/PDIF ne se situe pas au niveau du codage des données audio, mais, entre autres, au niveau de la transmission de données additionnelles dans le bloc d’état de canal (Channel
Status). Le premier bit de ce bloc indique si l’on se trouve en présence d’une structure professionnelle ou S/PDIF.

La structure des trames et le codage des données audio est parfaitement identique dans les 2 systèmes.

 

Sous-trames

Le flux de données d’une interface IEC-958 se subdivise en soustrames (subframe), trames (frame) et blocs (block). Une soustrame
comporte une seule valeur d’échantillonnage du signal audio codée sur une longueur de 32 bits.

Les 4 premiers bits (bit 0 à bit 3) contiennent un mot de synchronisation appelé préambule.

Il existe, à ce niveau, 3 modèles de bits :

le préambule B identifie le début de bloc, le bloc débutant toujours par la valeur d’échantillonnage du canal gauche.

Le préambule M désigne une sous trame standard du canal audio gauche.

Il reste le préambule W qui concerne le canal droit.

Les 24 bits suivants contiennent l’information audio. Si l’on a besoin de moins de 24 bits les premiers bits contiennent des zéros (pour 16 bits, les bits 4 à 11 seront à zéro, les bits 12 à 27 contenant la valeur d’échantillonnage).

La sous-trame est clôturée par les bits indicateur de validité (Validity Flag), données utilisateur (User Data), état de canal (Channel Status) et de parité (Parity Bit).

L’indicateur de validité permet de marquer des valeurs d’échantillonnage invalides qu’il n’est pas question d’utiliser lors du traitement
du signal en aval. Le bit « donnée utilisateur » transmet, à raison de 1 bit dans chaque sous-trame, des informations additionnelles
telles que du texte.

Le bit « état de canal » comporte, à raison de 1 bit par sous-trame lui aussi, des informations additionnelles concernant le trajet de transmission. On y trouve, par exemple, des informations de taux d’échantillonnage, de mode audio ou de mode de données, de mode professionnel ou de mode grand public.

En queue de peloton un bit de parité sécurise la transmission des données permettant la détection d’erreurs de transmission. Il n’y a pas de correction d’erreur sachant qu’il est possible de camoufler par interpolation les échantillons audio erronés.

 

Trames et blocs

La trame qui se situe au niveau au-dessus comporte autant de sous-trames qu’il y a de canaux audio. Dans le cas de signaux stéréo
classique une trame comportera partant 2 sous-trames (canaux gauche et droit). Les trames doivent être transmises à la fréquence d’échantillonnage.

Dans le cas d’un lecteur de CD travaillant à une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz et en mode stéréo à 2 canaux cela se traduit par un taux de données de : 2 canaux x 32 bits par sous-trame x 44,1 kHz = 2,822 4 Mbits/s.

On trouve, au niveau au-delà des trames, le bloc, un ensemble de 192 trames, ce qui signifie que toutes les 192 valeurs  d’échantillonnage on a un nouveau bloc. Le bloc n’a pas de signification en ce qui concerne les données audio, mais il définit une structure pour les informations additionnelles transmises par le biais des bits de donnée utilisateur et d’état de canal.

En marquant le début de bloc à l’aide d’un préambule B il devient possible de décoder sans erreur les informations véhiculées à raison de 1 bit par sous trame.

Ensemble, ils forment ainsi un champ de 384 bits (2 x 192 en stéréo). Comme nous de disions plus haut, la structure au niveau de l’état de canal entre l’interface professionnelle et l’interface S/PDIF présente une différence sensible.

Le premier bit indique s’il s’agit du format professionnel ou du format S/PDIF.

 

Signal biphase

D’un point de vue électrique, l’interface S/PDIF prend la forme d’un câble coaxial de 75 Ω doté à chacune de ses extrémités, source et drain, par une fiche Cinch.

La source fournit typiquement une tension de signal de 500 mVcc. Le drain doit avoir une sensibilité d’au moins 200 mVcc pour être en mesure de travailler avec un câble d’une longueur supérieure à 10 mètres. La transmission se fait en code biphase qui utilise, pour chaque « 1 » du flux de données, un double changement de polarité et un seul changement de polarité lorsqu’il s’agit d’un « 0 ».

Ce signal est libre de potentiel continu de sorte que l’on peut utiliser un couplage par condensateur.

L’interface professionnelle IEC-958 travaille à d’autres niveaux de signal (3 à 10 Vcc), impédance de câble (110 Ω) et requiert des
connecteurs symétriques.

La source ou le drain doit comporter un dispositif de transmission, ceci pour éliminer tout risque de boucle de masse.

 

Source : Elektor
Auteur : n/c

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