Was ist der Vorteil von optischem TOSLINK gegenüber RCA-Koaxialkabel?

Ein beliebter Standard für die Übertragung von digitalem Audio zwischen Audiogeräten ist der AES3-Standard (auch als S / PDIF bekannt). Der Standard sendet Stereo-PCM-Audio und ist in der Unterhaltungselektronik häufig anzutreffen. Der Standard spezifiziert mehrere Verbindungstypen, wobei RCA-Koaxialkabel und optisches TOSLINK die zwei beliebtesten sind.

Üblicherweise wird in Audio-Handbüchern darauf hingewiesen, dass der optische TOSLINK aufgrund der herausragenden Eigenschaften von optischen Kabeln im Allgemeinen eine hervorragende Verbindung bietet. Ich verstehe, dass das physikalische Medium von optischen Fasern weniger anfällig für Rauschen ist und eine höhere theoretische Bandbreite besitzt. Persönlich habe ich nie einen Unterschied zwischen den beiden bemerkt.

Ich möchte fragen, ob es im Rahmen der digitalen Audioübertragung beobachtbare oder messbare Unterschiede zwischen den beiden Kabeln gibt. Wenn nicht in der Audio-Wiedergabetreue, gibt es einen Unterschied in der Übertragungsqualität? Ist TOSLINK mehr als ein überteuertes Kabel?

Cinch-Anschlüsse sind billiger und universeller verfügbar.

Neben der Antwort von TimB gibt es einen weiteren Vorteil dieser optischen Kommunikation.

Mit RCA müssen die beiden verbundenen Netzwerke aufeinander bezogen werden. Im Falle der Optik besteht zwischen beiden eine galvanische Trennung. Infolgedessen kann es zu weniger Problemen mit Erdschleifen kommen, Netzwerke können isoliert bleiben usw. Dies bedeutet auch, dass die Erdung nicht als große Antenne fungieren kann, wodurch es möglicherweise einfacher wird, ein geringes Rauschen im gesamten System zu erzielen.

Ein weiterer Nachteil der Cinch-Anschlüsse liegt in der Erdung. Wenn Sie sich die meisten modernen Steckverbinder ansehen, werden Sie feststellen, dass die Erdung zuerst hergestellt wird. Infolgedessen werden die beiden zu verbindenden Schaltkreise zuerst auf das gleiche Potential gezogen und dann werden die tatsächlichen Daten verbunden. Wenn zuerst Daten verbunden werden, geschieht dies immer noch - aber die dafür erforderlichen Ströme müssen jetzt durch Ihre wahrscheinlich weitaus empfindlicheren digitalen Empfängerschaltungen fließen. Bei den Cinch-Anschlüssen ist die erste Verbindung der mittlere Pin, der die Daten überträgt. Aus diesem Grund wurde mir oft gesagt, dass Sie immer zuerst die Cinch-Anschlüsse anschließen sollten, bevor Sie das gesamte System an die Netzspannung anschließen - oder verwenden Sie die Erdungsklemme, mit der einige dieser Geräte das System immer an die Netzerde anschließen müssen. Unnötig zu erwähnen,Hot-Plugging .

Ich möchte fragen, ob es im Rahmen der digitalen Audioübertragung beobachtbare oder messbare Unterschiede zwischen den beiden Kabeln gibt.

Eigentlich ja.

Isolierung:

Lichtwellenleiter sind nicht leitend, daher werden Erdschleifen, Brumm- und Summenprobleme behoben und alle sind unempfindlich gegen HF-Störungen. Koaxialkabel können auch mit einem Transformator isoliert werden. Dies erhöht jedoch die Kosten und ist bei Verbrauchergeräten ungewöhnlich. Ein schneller Test mit einem Multimeter zwischen digitaler Cinch-Erdung und jeder anderen Cinch-Erdung zeigt, ob eine Transformatorisolation vorliegt oder nicht.

Dies ist besonders wichtig für Kabel-TV-Boxen, die mit der Erdung des Kabels verbunden sind, da dies zu störenden Erdungsschleifen führt.

Bandbreite:

Die Mehrheit der optischen Transceiver auf dem Markt wird über genügend Bandbreite für 24 Bit / 96 kHz verfügen, aber nur wenige werden 24/192 K und keiner 384 K durchlassen. Wenn Sie wissen möchten, welche Sie haben, machen Sie einen Test. Das ist eher binär: es funktioniert oder nicht. Natürlich können Sie optische Transceiver mit viel höherer Bandbreite kaufen (unter anderem für Ethernet), aber Sie werden diese nicht in Audio-Geräten finden.

Coax hat keine Probleme mit der Bandbreite, es wird 384k ohne Probleme passieren, ob es besser klingt, bleibt als Übung für die Marketingabteilung.

Ob 192k ein Marketing-Gimmick oder nützlich ist, ist eine interessante Frage, aber wenn Sie es verwenden möchten und Ihr optischer Empfänger es nicht unterstützt, müssen Sie Koax verwenden.

Länge

Kunststoff-Glasfaser ist billig. Rechnen Sie mit einer Dämpfung von 1 dB / m. Dies ist keine hochwertige Glasfaser mit 1-2 dB / km Verlust! Für eine 1 m lange Glasfaser in Ihrem Heimkino spielt dies keine Rolle. Wenn Sie jedoch einen 100 m langen Lauf benötigen, ist Koax die einzige Option. 75R TV Antennen Koax ist in Ordnung. Oder besser Faser, aber kein Kunststoff. Stecker sind natürlich nicht kompatibel.

(Hinweis 1 dB / m bezieht sich auf das digitale Signal, nicht auf das analoge Audio. Wenn das digitale Signal zu stark gedämpft ist, kann der Receiver es nicht decodieren, oder es treten Fehler auf.)

Bit Fehlerrate

Abgesehen von einem größeren Problem werden bei beiden Systemen alle Teile vorhanden sein (ich habe es überprüft). BER ist in der Praxis kein Thema. Jeder, der über Bitfehler in SPDIF spricht, hat etwas zu verkaufen, normalerweise einen teuren Trick, um ein nicht vorhandenes Problem zu lösen. Außerdem enthält SPDIF eine Fehlerprüfung, sodass der Empfänger alle Fehler maskiert.

Jitter

Optische Empfänger fügen viel mehr Jitter hinzu (im ns-Bereich) als gut implementierte Koaxial-Empfänger.

Wenn die Koax-Implementierung verpfuscht ist (nicht genügend Bandbreitenerweiterung am unteren Ende, Verletzung der 75R-Impedanz, hohe Intersymbolinterferenz usw.), kann dies auch zu Jitter führen.

Dies ist nur dann von Bedeutung, wenn Ihr DAC auf der Empfängerseite keine ordnungsgemäße Taktwiederherstellung implementiert (z. B. WM8805, ESS-DACs oder andere FIFO-basierte Systeme). Wenn es richtig gemacht wird, gibt es keinen messbaren Unterschied und viel Glück beim Hören in einem Doppelblindtest. Wenn der Empfänger den Jitter nicht richtig reinigt, sind die Unterschiede zwischen den Kabeln hörbar. Dies ist ein Problem, bei dem der Empfänger seine Arbeit nicht erledigt, und kein Kabelproblem.

BEARBEITEN

SPDIF bettet die Uhr in das Signal ein und muss daher wiederhergestellt werden. Dies geschieht mit einer PLL, die mit den eingehenden SPDIF-Übergängen synchronisiert ist. Die Menge an Jitter in dem wiederhergestellten Takt hängt davon ab, wie viel Jitter in den eingehenden Signalübergängen vorliegt und wie stark die PLL diese zurückweisen kann.

Wenn ein digitales Signal übergeht, tritt der wichtige Moment auf, wenn es die Logikpegelschwelle des Empfängers durchläuft. Zu diesem Zeitpunkt ist der Betrag des hinzugefügten Jitters gleich dem Rauschen (oder dem Betrag des in das Signal hinzugefügten Fehlers) geteilt durch die Signalanstiegsrate.

Wenn ein Signal beispielsweise eine Anstiegszeit von 10 ns / V aufweist und 10 mV Rauschen hinzugefügt werden, wird der Logikpegelübergang zeitlich um 100 ps verschoben.

TOSLINK-Empfänger haben viel mehr zufälliges Rauschen als ein Koax-Empfänger (das Photodiodensignal ist schwach und muss verstärkt werden), aber dies ist nicht die Hauptursache. Es ist tatsächlich bandbegrenzend.

Koax SPDIF ist normalerweise mit einer Kappe wechselstromgekoppelt oder transformatorgekoppelt. Dies fügt dem natürlichen Tiefpass eines Übertragungsmediums einen Hochpass hinzu. Das Ergebnis ist ein Bandpassfilter. Wenn das Durchlassband nicht groß genug ist, bedeutet dies, dass vergangene Signalwerte die aktuellen Werte beeinflussen. Siehe Abb.5 in diesem Artikel . Oder hier:

Längere Perioden konstanter Pegel (1 oder 0) beeinflussen die Pegel der nächsten Bits und verschieben die Übergänge zeitlich. Dies fügt datenabhängigen Jitter hinzu. Sowohl die Hochpass- als auch die Tiefpassseite spielen eine Rolle.

Optisch sorgt für mehr Jitter, da das Rauschen höher ist und das Durchlassband kleiner als ein ordnungsgemäß implementiertes Koaxialkabel ist. Siehe zum Beispiel diesen Link . Der Jitter bei 192k ist sehr hoch (fast 1/3 der Bit-Zeit), aber der Jitter bei 48k ist viel niedriger, weil der Empfänger nicht über genügend Bandbreite für das 192k-Signal verfügt, so dass er als Tiefpass fungiert und die vorherigen Bits verschmieren in das aktuelle Bit (das ist Intersymbol Interferenz). Dies ist auf 48k fast unsichtbar, da die Empfängerbandbreite für diese Abtastrate ausreicht, sodass die Intersymbolinterferenz viel geringer ist. Ich bin mir nicht sicher, ob der von diesem Typ verwendete Empfänger tatsächlich 192k unterstützt, die Wellenform wirklich schlecht aussieht und ich bezweifle, dass der Decoder-Chip es schmackhaft finden würde. Dies zeigt jedoch gut die Bandbreite gegenüber der Intersymbolinterferenz.

Die meisten Datenblätter für optische Empfänger geben einen Jitter von einigen ns an.

Das gleiche kann bei einem schlechten SPDIF-Koax auftreten, wenn es sich wie ein Tiefpassfilter verhält. Der Hochpass-Teil der Übertragungsfunktion spielt ebenfalls eine Rolle (siehe den oben verlinkten Artikel). Gleiches gilt, wenn das Kabel lang ist und Impedanzdiskontinuitäten Reflexionen verursachen, die die Kanten verfälschen.

Beachten Sie, dass dies nur wichtig ist, wenn die folgende Schaltung dies nicht ablehnt. Das Endergebnis ist also sehr umsetzungsabhängig. Wenn der Empfänger CS8416 ist und der DAC-Chip sehr empfindlich gegen Jitter ist, kann er sehr gut hörbar sein. Mit moderneren Chips, die eine digitale PLL verwenden, um die Uhr zu rekonstruieren, viel Glück beim Hören von Unterschieden! Diese funktionieren sehr gut.

Beispielsweise durchläuft WM8805 die empfangenen Daten einen winzigen FIFO und verwendet einen Frac-N-Uhrensynthetisierer, um die Uhr zu rekonstruieren, deren Frequenz von Zeit zu Zeit aktualisiert wird. Es ist ziemlich interessant, das Zielfernrohr zu beobachten.

Glasfasern strahlen nicht elektromagnetisch ab, aber wichtiger ist, dass sie unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen sind, die unter extremen Bedingungen zu Datenkorruption auf Kupfer führen können. Solche Störungen können durch den Lichtbogen eines Schalters verursacht werden, der unter Last ausgeschaltet wird, oder sie können von einem Motor unter hoher Last erzeugt werden.

Nun, ich habe ein billiges koaxiales Digitalkabel und ein billiges optisches SPDIF-Kabel gekauft, und das Koaxialkabel klang mit Sicherheit langweilig und flach. Ich habe auf das optische Kabel gewechselt und es war im gesamten Frequenzbereich heller und lebhafter. Es ist also nicht alles Marketing-Hype, ich bin seit meinem Schulabschluss vor über 40 Jahren professionell mit HiFi und Elektronik befasst