Digitale Interfaces – wat zijn de verschillen?

De meeste d/a-converters bieden meer dan één aansluiting. Achterop zijn op zijn minst wel een coaxiale en optische aansluiting te vinden. En in veel gevallen is dat nu uitgebreid met een usb-aansluiting. Betreft het een luxer model, dan vindt u wellicht nog een AES, BNC of een vorm van I2S aansluiting. De vraag is: wat is nu de beste digitale interface of verbinding? Wij lopen ze langs. 

Coaxiaal

Wat wellicht niet iedereen weet, is dat S/PDIF (Sony / Philips Digital Interface) een protocol is. Specifiek is het een data link layer protocol. IT-nerds weten nu op welke OSI-laag we zitten :-).

S/PDIF is uni-directioneel en kent dus géén foutcorrectie, zoals een netwerk dat wel kent. Tevens is S/PDIF in stereo-modus (PCM) niet package based: het is een seriële datastroom. Maar nu gaan we meer in op het protocol en dat was niet echt de insteek van dit artikel. Echter is het wel handig om te weten dat de S/PDIF-verbinding dus géén foutcorrectie kent én in feite een eenvoudige seriële datastroom is.

De coaxiale, S/PDIF-verbinding is geschikt voor stereo audio (origineel tot 20 bit / 48 KHz, nu ook 24 bit / 192 KHz) en ook gecomprimeerde multi-channel audio. Uiteraard moet de d/a-converter of receiver dat wel accepteren, aangezien Dolby en DTS hun eigen codecs gebruiken.

Voor de verbinding hebben Sony en Philips afgesproken dat er een 75 Ohm-kabel gebruikt moet worden. Bij de introductie waren deze kabels voorzien van een oranje connector (in contrast met rood en wit voor analoge kabels).

De ‘elektrische’ S/PDIF-interface is een behoorlijk robuuste interface. Echter kan deze wel last hebben van EMI, RFI of andere vormen van interferentie. De kabel heeft – onze ervaring – een behoorlijk impact op de weergave. Tevens is de karakteristieke impedantie cruciaal, aangezien er reflectie kan optreden als deze niet perfect 75 Ohm is (en dat zijn RCA-connectoren nooit…). Kortom: ja… de coaxiale interface werkt technisch goed, maar de meeste RCA-coaxiale kabels niet niet optimaal.

In de tabel hierboven zie je een jittermeting op een paar kabels. De twee kabels die erg slecht scoren zijn in feite geen coaxkabels. De kabel moet dus niet alleen echt coaxiaal zijn, ook de connector heeft invloed.

BNC

De BNC-interface zien we niet zo vaak. En dat is jammer, want de BNC-connector is vele malen beter dan de RCA-variant. Waarom? Simpel: de BNC-connector is perfect 75 Ohm. En dat voorkomt een heleboel problemen, zoals hierboven beschreven.

Als u kunt kiezen tussen een ‘gewone’ coaxiale kabel met een rca-connector of dezelfde kabel met een BNC-connector, dan raden we u met klem aan om voor de BNC-variant te kiezen. Het zal een hoorbaar beter resultaat opleveren. Tevens hebben we ook kunnen meten dat BNC beter werkt. Niet voor niets gebruiken ze BNC in studio’s en in laboratoria.

AES/EBU

De AES/EBU-interface is in feite een gebalanceerde versie van de coaxiale S/PDIF interface. Beide interfaces zijn gebaseerd op de S/PDIF-standaard, echter heeft de AES/EBU interface voor een gebalanceerde opzet gekozen en is de karakteristieke impedantie 110 Ohm, in plaats van 75 Ohm. Ook verschilt de channel-status bit bij AES.

Door de gebalanceerde opzet, hebt u in feite geen last meer van EMI of RFI en de karakteristieke impedantie is ook geen probleem met de gebalanceerde connectoren (‘XLR’). Kortom: als u de mogelijkheid hebt om de bron en d/a-converter te verbinden via een AES/EBU interface, dan geniet deze de voorkeur.

Optisch

De optische verbinding die we achterop de dac zien, heet officieel TOSLINK. Dat stamt af van Toshiba Link. Toshiba heeft deze interface ontwikkeld om hun cd-spelers te verbinden met receivers. De software-laag is gebaseerd op de s/pdif-standaard, maar als hardware hebben ze voor glasvezel gekozen, in plaats van de 75 Ohm coaxiale koperkabel die Sony en Philips gebruikten.

In de officiële documentatie staat dat TOSLINK tot 20 bit / 48 KHz werkt, echter weten we dat moderne implementaties werken tot zeker 24 bit / 96 KHz en zelfs 192 KHz. De optische interface werkt ook met Dolby en DTS standaarden.

Kwalitatief zou een optische interface gelijkwaardig moeten zijn aan de coaxiale s/pdif interface. Echter is onze ervaring dat coaxiaal veelal iets beter klinkt. Dat kan twee redenen hebben: zowel bij de bron als bij de ontvanger is een conversie nodig. In eerste instantie van een elektrisch signaal naar licht en weer terug. Conversies zijn bijna nooit helemaal verliesloos.

Een tweede punt is de kwaliteit van de kabel zelf. De kern van een glasvezelkabel is lang niet altijd van glas. Sterker nog: het is zelden een échte glaskern. Veelal zijn het kunststoffen. De kwaliteit van de kern en van de connector zelf is extreem belangrijk, omdat er al snel verstrooiing of reflectie van licht optreedt. En dat kan weer jitter introduceren.

Een voordeel van de TOSLINK-verbinding is echter dat er géén groundloops of andere vormen van elektrische interferentie kan optreden. Immers: licht heeft geen last van EMI of RFI.

HDMI (of RJ45)

We stappen af van het S/PDIF-protocol en gaan naar I2S: Inter IC Sound. (spreek uit als ‘eye squared ess’).

In feite splitst I2S de diverse signalen die bij S/PDIF bij elkaar gevoegd zijn, namelijk data en klok. Bij S/PDIF is clock recovery nodig, maar bij I2S dus niet, wat zo zijn voordelen heeft op gebied van clocking.

Er zijn minimaal drie signaallijnen bij I2S: Bit Clock, Word Clock en Multiplexed Data. Er zijn uitgebreidere I2S-implementaties waarbij er nog een Master Clock en wellicht nog een multiplexed datalijn voor upload zijn toegevoegd.

• De Bit Clock geeft de datarate aan. Elke puls is een discrete bit op de datalijn. Bij CD zou de bitclock dus 44100 x 16 x 2 = 1.411 MHz zijn. 24 bit / 96 KHz audio zou uitkomen op 4.608 MHz.
• De Word Clock geeft aan voor welk kanaal de data bedoeld is. Dit is een 50% duty-cycle systeem waarbij het linker kanaal op de lage cycle zit en het rechter kanaal op de hoge cycle.
• De Datalijn spreekt voor zich. In deze bitstroom zit de audio voor zowel het rechter als linker kanaal.
• NB: I2S kent net als S/PDIF géén foutcorrectie!

Nu is I2S eigenlijk bedoeld als ‘Inter IC’ protocol, wat wil zeggen dat het voor korte afstanden tussen twee IC’s is bedoeld. Fabrikanten zagen echter mogelijkheden om I2S ook tussen cd-loopwerken en dacs te gebruiken.

Nu is dat niet zomaar mogelijk, aangezien I2S helemaal niet ontworpen was voor gebruik met kabels en er dus grote problemen kunnen ontstaan als dit niet gecorrigeerd wordt in het ontwerp. Denk aan mismatches in impedantie en mede daardoor synchronisatieproblemen tussen klok en data. Gelukkig gebeurt dat netjes bij alle grote fabrikanten.

De I2S-interface kan een behoorlijke sprong in kwaliteit opleveren, mits de implementatie goed is gedaan. Weet dat iedere fabrikant wel zijn eigen draai heeft gegeven aan deze interface. Een bron met I2S-interface werkt dus niet zomaar met d/a-converters van andere merken.

USB

De USB-interface is nogal omstreden. En daar is ook wel een goede reden voor. We kennen de USB-interface natuurlijk van onze laptops, pc’s en Macs. Toen de USB-verbinding aan dacs werd toegevoegd, opende dat een compleet nieuwe wereld. Door een laptop te verbinden aan het hifi-systeem, konden we in feite alle muziek afspelen!

Maar al snel bleek dat het niet geweldig klonk. De reden: ruis. Een laptop, pc of Mac is géén schone bron in termen van elektrische ruis. De USB-poort is gewoonweg smerig.

Maar fabrikanten laten zich niet zomaar uit het veld slaan en al snel werden deze implementaties beter én kwamen er effectieve filters, zoals de Audioquest Jitterbug. Dit zijn eenvoudig gezegd energiefilters voor de usb-poort. En ja: ze werken.

USB-audio werkt in tegenstelling tot S/PDIF niet met een simpele bitstream, maar package based, wat wil zeggen dat er pakketten met audiodata worden verstuurd van bron naar de d/a-converter. Echter, net als bij S/PDIF, is foutcorrect niet mogelijk. Er is wel foutdetectie, maar er is géén correctie mogelijk.

Er zijn in basis twee modi binnen USB-Audio:

• Asynchroon
• Synchroon
• Er is ook nog een Adaptive-mode, echter zien we die niet veel terug.

In de high-end audiowereld geniet asynchroon de voorkeur, omdat dit de klok van de bron loskoppelt van de d/a-converter. Bij synchroon – en adaptive – is de bron leidend, omdat de klok van de dac linkt aan de USB-SOF (Start of Frame). Echter: in de meeste gevallen zal de d/a-converter een betere klok hebben dan de bron. Door de d/a-converter ‘master’ te maken, is een beter resultaat te bereiken.

Nu werkt een computer vaak met drivers. Dus hoe zit dat dan als u uw d/a-converter via USB aan de computer koppelt? Dat gaat verrassend gemakkelijk vandaag de dag. In de meeste gevallen – als we praten over een modern Mac-, Linux- of Windowssysteem – zijn er geen drivers nodig. En mochten er wel drivers nodig zijn, dan laten die zich prima installeren.

Yes Master!

In het stukje over USB benoemen we expliciet dat de asynchrone modus meestal de voorkeur geniet, omdat de d/a-converter dan het beheer houdt over de klok; de dac is ‘master’.

Dit is een vrij belangrijk punt om te benoemen, omdat dit bij S/PDIF anders werkt. Bij S/PDIF is de bron ‘master’. De bron stuurt namelijk de klok mee. Deze klok wordt uit het S/PDIF-signaal gehaald en is mede bepalend voor de kwaliteit van de weergave. Ja: dacs reclocken en halen allerhande truuks uit, maar in de meeste gevallen is het nog steeds cruciaal dat de bron een degelijke klok heeft, omdat deze de datastroom stuurt. Dit geldt ook voor I2S overigens.

Bij USB werkt dat dus anders, omdat de data-overdracht asynchroon loopt: de d/a-converter vraagt om data, de data loopt een buffer in en wordt omgezet, zodat de converter ermee aan de slag kan gaan. De converter gebruikt vervolgens zijn eigen klok om de boel om te zetten: de klok van de bron speelt helemaal geen rol. Tenzij u dus de synchrone modus gebruikt.

Afrondend

Het type interface speelt zonder twijfel een rol in de kwaliteit van de weergave. Wij hebben getracht aan te geven wat de voor- en nadelen zijn van bepaalde interfaces. Aan u om deze af te weten en wat verbindingen te proberen. Vertrouw hierbij wederom op uw eigen oren. Het zijn prachtige meetinstrumenten!