DIGITabile: mini-serie sulle interfacce digitali

Introduzione - Parte 1.1

Premessa

Dopo aver disegnato alcuni DAC, ho iniziato a pensare ad ulteriori possibili miglioramenti. Avendo già qualche esperienza di meccaniche di livello elevato e clock a basso jitter, ed un cd player predisposto per questi test, era il caso di proseguire su questa strada.

Perciò, ho incominciato a raccogliere informazioni di tutti i tipi, in rete e non, e ne ho trovate veramente in quantità.

Sfortunatamente, l'aspetto tecnico sesso è presentato in maniera tanto iperbolica e commerciale da divenire spesso molto sospetto proprio dal punto di vista tecnico.

In questo caso specifico, poi, vedremo fra pochissimo che le soluzioni sono parecchie, e molte di esse scarsamente utilizzate...

Il problema che si poneva a questo punto, era di cercare di raccogliere informazioni valide sotto il profilo tecnico e possibilmente risultati di test relativi concernenti questo campo così vasto. E si tratta di un problema serio, perchè i laboratori di ricerca pubblicano i loro risultati sul Journal of Audio Engineering Society o come paper presentati alle convention dell'AES, oppure se li tengono per loro.

Mi sono reso conto di quanta poca documentazione sia diponibile su alcuni argomenti quando ho iniziato a cercare informazioni sui bracci per giradischi negli archivi dell'AES: la maggior parte delle informazioni è di vecchia data, e le nuove sembrano del tutto secondarie. Il che non corrisponde affatto al clamore pubblicitario con cui molte società presentano le loro ricerche: perciò, o queste società semplicemente fanno finta di fare ricerca, oppure tengono riservate tutte le informazioni in quanto considerate fondamentali vantaggi competitivi. Beh, in effetti, più probabile la prima: nulla resta segreto tanto a lungo quanto quello che non esiste proprio...

Così alla fine ho tentato di capire se con la mia modesta strumentazione, rinforzata di recente da qualche ingente investimento (ok, ok, qualche piccolissima spesuccia...) si poteva cavare qualche ragnetto dal buco.

La ricerca si è andata estendendo sempre più, anche perchè, mentre lavoravo attorno a queste problematiche, un nostro amico ci ha proposto di testare alcuni suoi clock, ed io ne possedevo altri due da usare come riferimento.

E mentre lo studio e gli esperimenti continuano, sempre nuovi fatti e punti di partenza vengono a galla. Così, questa che nelle mie intenzioni doveva essere una miniserie di due o tre articoli, si sta sviluppando in una telenovela...

Comunque, nei successivi articoli della serie ci proponiamo di discutere in dettaglio il jitter, presentare alcuni clock a basso jitter, proporre l'implementazione DIY di alcune delle interfacce elencate sopra e discutere parametri tecnici e suono dei cavi digitali.

Un programmino legger leggero, vero? Ehh, sì, lo sappiamo, il nostro maggiore difetto è la mancanza di ambizione... :-)

La struttura del CD player

Solo per essere certo che i prossimi paragrafi risultino più chiari, vorrei ricordare alcuni aspetti fondamentali della struttura di un CD player.

Il CD player può essere visto, ad altissimo livello, come costituito da due componenti principali, una meccanica, che si occupa di leggere i dati digitali dal CD, ed un convertitore D/A, che ha cura della conversione dei dati digitali in un segnale analogico musicale (o magari solo rumoroso...).

Le due unità sono sincronizzate da un singolo master clock, che pilota entrambe. Cioè, i dati sono letti dal CD, trasferiti al convertitore D/A e convertiti in musica in accordo con il passo definito dal master clock. Altre informazioni di temporizzazione (bit clock, word clock, lrclock, a seconda dei chip utilizzati) sono trasferiti dalla meccanica al convertitore, ma in ogni caso sono sincrone al master clock.

Infatti, mentre il CD contiene informazioni musicali, il ritmo con cui questa informazione deve essere trasformata in musica è uno standard predefinito e fissato, che dipende unicamente dal tipo di supporto (CD, DVD, SACD) e dalla traccia o layer selezionati. Fra l'altro in maniera molto simile al giradischi: la velocità di rotazione, almeno nelle ultime decadi, è standardizzata a 33 e 1/3 or 45 giri.

Da notare che comunque c'è una differenza fondamentale fra un giradischi ed un CD player: mentre il disco in vinile deve essere letto ad una velocità "rotazionale" costante, il cd player deve essere letto ad una velocità lineare costante: cioè, mentre il giradischi ruota sempre alla stessa velocità, il cd player ruota più rapidamente quando il pickup laser è nelle tracce più interne di quando è nelle esterne. Ciò significa che per avere un flusso dati stabile e costante, la velocità di rotazione del motore deve essere controllata in maniera molto sofisticata. Il motore, a sua volta, può assorbire correnti molto elevate quando è necessaria una variazione di velocità improvvisa, causando gran parte dell'inquinamento EMI nel CD player.

Nei CD player integrati, il clock principale è normalmente piazzato vicino al DAC, e per motivi più che validi, come vedremo. Quando la meccanica è progettata anche per l'uso indipendente, comunque, spesso il clock si può trovare anche sulla scheda di controllo della meccanica (per esempio la Philips CD Pro2 e tutti i lettori di CD ROM: in entrambi i casi, comunque, c'è anche un DAC "di servizio" sulla scheda).

S/PDIF e i suoi 40 figli

Il punto fondamentale di una interfaccia audio streaming è la necessità di trasferire non solo le informazioni di base del suono, cioè i campioni digitalizzati, ma anche il passo di conversione, il clock.

Questa dato di fatto, assieme alla necessità di un canale molto semplice ed economico, ha portato l'industria a definire una interfaccia a linea singola. Questa, conosciuta inizialmente come S/PDIF (Sony/Philips Digital InterFace), venne ovviamente proposta dagli "inventori" del CD agli albori dell'audio digitale.

L'interfaccia utilizza un codice speciale, denominato bifase-mark. In questo codice ciascun bit è trasmesso come una sequenza di due mezzi bit, ma la regola di combinazione è tale che ci deve essere sempre una transizione (da basso ad alto o da alto a basso) per ciascun bit trasmesso. Ciò permette, come è immediatamente chiaro, di trasferire non solo il contenuto dei dati, ma anche una informazione di clock precisa.

Codici simili vengono usati con piena soddisfazione in molte applicazioni (tipicamente reti telefoniche e dati). Come tali, al momento della loro introduzione sembravano una soluzione perfetta.

Quindi il flusso dati viene inviato dalla meccanica ad un trasmettitore audio (per esempio il CS8404) che, sulla base di un clock locale, codifica il flusso dati e lo manda al DAC.

Nel DAC, un ricevitore audio (CS8414, ad esempio) riceve il flusso dati, ne estrae il clock e decodifica i dati.

Comunque, il digitale ha dimostrato di essere affetto da altri problemi, oltre che dal suono trapanante dei primi CD ("Oh, ascolta, adesso sì che questo suono è veramente pulito e trasparente..!"): l'informazione temporale non è perfettamente corretta, c'è uno strano effetto che in qualche modo è simile al ben noto wow and flutter dei nastri e (in maniera molto più ridotta) giradischi, ma è ancora più noioso ed affaticante del solito.

Il problema è dovuto al fatto che gli sviluppatori dell'audio digitale sottostimarono la capacità del cervello umano di percepire anche le minime variazioni di ritmo della musica, ad un livello in effetti incredibile. Il problema tecnico alla base di tutto questo è il jitter, cioè l'instabilità della frequenza di un clock o di un segnale: anche gli oscillatori a cristallo, che si possono considerare perfettamente stabili per qualsiasi applicazione (pensate solo agli orologi...), vengono battuti dall'orecchio umano.

Notare che il jitter è un problema ben noto delle comunicazioni digitali, in effetti, ma nel caso dell'audio ha la brutta caratteristica di venire alla luce e causare problemi in pratica solo duramente le conversioni A/D e D/A.

Ciò non è assolutamente generale: nella maggior parte dei casi (soprattutto comunicazioni ad altissima velocità) il jitter deve essere mantenuto sotto controllo (ad esempio con il famoso "occhio") perchè può direttamente causare errori di trasmissione nel dominio digitale. Le frequenze di campionamento e trasmissione richieste per l'audio sono comunque così basse che tale problema in pratica non esiste. Anche i dati memorizzati in un CD copiato sono, a parte casi macroscopici, perfettamente identici dal punto di vista digitale ai dati originali (e nondimeno, i due possono suonare e suonano in maniera diversa...).

Torniamo all'audio. Per quanto riguarda la conversione A/D, l'utente che compra un CD non può far molto se i dati originali sono stati registrati con un certo jitter: la cosa migliore è gettar il CD nella spazzatura (fine gloriosa di cui molti antichi CD sarebbero stati altamente meritevoli per il problematico bilanciamento tonale).

D'altro canto, per ridurre al minimo il jitter in fase di conversione D/A abbiamo semplicemente bisogno di un clock il più pulito possibile.

Il problema viene risolto facilmente e felicemente dai produttori di CD player di classe alta usando dei clock molto costosi, e lasciando le persone meno fortunate alle prese col jitter...

Da notare comunque che all'interno di un CD player integrato non viene utilizzata l'interfaccia SPDIF: è stata sviluppata tutta una serie di interfacce proprietarie più o meno simili, a più fili, e nessuno standard ha avuto il sopravvento, anche perchè lo standard I2S, uno dei migliori, venne brevettato da Philips, e solo di recente è divenuto disponibile.

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