Stopařův průvodce digitálním zvukem - 5. díl

Odpovědět
jindrich
Příspěvky: 48
Registrován: 01 úno 2013 19:12

Stopařův průvodce digitálním zvukem - 5. díl

Příspěvek od jindrich » 20 kvě 2013 17:03

Digitální rozhraní a rozvod digitálního signálu.

S rozvojem digitální techniky samozřejmě nastala i potřeba přenášet signál v digitální podobě. Důvodů je pro to hned několik, ať už jde o rozvod na velmi velké vzdálenosti, velkou odolnost proti rušení nebo snahu minimalizovat zbytečné D/A a A/D převody při propojování digitálních komponent systému. Původně šlo samozřejmě o propojení bod-bod, v podstatě paralely k analogovým spojům. V průběhu historie bylo standardizováno několik rozhraní, která vlastně přetrvala dodnes. Jedná se o AES/EBU, S/PDIF a ADAT. Samozřejmě existují další rozhraní (např. TDIF), ale zde jsou vyjmenována jen ta, která najdete nějakým způsobem zastoupena víceméně v každém lépe vybaveném audio rozhraní a u velkého množství dalšího hardwaru (samostatné převodníky, digitální efekty, nahrávací zařízení atp.). Nemyslím, že by běžný uživatel musel nutně vědět, jak přesně vypadají datové rámce jednotlivých rozhraní aj. Spíše si řekněme pár praktických poznatků. Základním faktem je, že digitální rozhraní jsou odolná vůči rušení. A to z toho prostého důvodu, že signál nejde kabelem přímo, ale místo toho cestuje zakódován do např. elektrických pulzů. I když se tedy na ony pulzy cestou nabalí nějaké rušení, bude to celé fungovat bez kvalitativních ztrát, pokud rušení nebude takové, aby přijímající zařízení nebylo schopno kód rozluštit. Pokud nebude možné signál rozluštit, nebude to hrát vůbec, takže máme jasno a nemusíme se pídit po tom, jestli nám někde něco slabě nebzučí, nebručí, neztrácejí se vyšší kmitočty a podobně.

Běžně používaná rozhraní v profesionálním audiu
Zkratka S/PDIF znamená Sony Philips Digital Interface a často ji můžeme najít na produktech těchto dvou, ale i jiných výrobců. Existuje optická a metalická nesymetrická varianta vedení, optická je často ve spotřebitelské oblasti nazývána TOSLINK, což je vlastně název použitých optických konektorů. Na audio rozhraních určených pro profesionální práci najdeme často obojí, nebo můžeme někdy i volit, jakou variantu chceme použít.
ObrázekObrázek
Rozhraní S/PDIF v metalické i optické podobě na zadním panelu DVD přehrávače a optický konektor TOSLINK.

Dalším rozhraním je AES/EBU, což s S/PDIF přímo souvisí. AES/EBU je pouze prakticky využívané označení sestávající ze zkratek Audio Engineering Society a European Broadcasting Union, tedy názvů organizací stojících za tímto standardem. Ten je ve skutečnosti veden jako AES3, což je poněkud praktičtější označení v kartotéce standardů... Obsahuje 3 varianty vedení, metalickou symetrickou, nesymetrickou a optickou. Systémově je rozhraní velmi podobné jako S/PDIF. Nejčastěji se setkáme se symetrickou variantou realizovanou pomocí XLR konektorů. Nesymetrická varianta využívá konektory BNC.

ADAT znamená Alesis Digital Audio Tape. Původně tato zkratka označovala osmistopý záznam na magnetickou pásku, dnes se ale vžila jako označení pro rozhraní, které se ve skutečnosti jmenuje ADAT Lightpipe. Jeho největší výhodou je přenos osmi kanálů jedním optickým kabelem.

Nejnovějším přírůstkem je MADI (Multichannel Audio Digital Interface) nebo také AES10. To umožňuje přenos až 64 kanálů pomocí jediného kabelu, ať už koaxiálního metalického nebo optického. MADI už ale na většině audio rozhraní nenajdeme, spíše se vyskytuje na specializovaných zařízeních určených pro komplexní rozvodné sítě a přenosy, využití najde také v oblasti živého zvuku. MADI box s převodníky na pódiu a jeden jediný kabel vedoucí k digitálnímu mixážnímu pultu představuje skutečně zjednodušení oproti vedení těžkých multipárových kabelů. Navíc může být délka optického vedení až 2.000 metrů.
Obrázek
Obrázek
Příklad využití MADI při velkých projektech.

Digitální rozhraní a kabely
Z hlediska rozvodu digitálního signálu je podstatná jedna vlastnost kabelů, která nás v analogovém světě nemusí zase tolik zajímat, a to charakteristická impedance. To je také to jediné, co dělá kabel vhodným pro přenos daného digitálního signálu. Všechno ostatní jsou jen marketingové řeči. Navíc je charakteristická impedance skutečně charakteristickou, čili méně nebo více není horší nebo lepší. Jde jen o to, aby kabel byl takový, jak vstupní a výstupní obvody očekávají. Pro AES/EBU se jedná o 110 ohmů v případě nejčastějšího rozvodu symetrickým vedením. Není důvod nepoužít nějaký dobře udělaný mikrofonní kabel, velmi pravděpodobně to bude fungovat také. V tom je velká výhoda digitálních rozhraní - ve velké většině případů buď fungují nebo nefungují, nestává se často, že by fungovaly hůř a zároveň to nebylo na první poslech jasné. S/PDIF využívá koaxiálního (tedy jeden vodič uvnitř druhého vodiče) kabelu o charakteristické impedanci 75 ohmů osazeného konektory RCA (více známé jako cinch). Opět není důvod nepoužít normální propojovací kabel využívaný běžně např. pro propojování komponent domácího kina nebo spotřebitelských audio zařízení.

Optické kabely většinou kupujeme samostatně přímo pro daný účel. Je důležité si uvědomit, že opravdu nelze přenášet signál lépe nebo hůře. Jelikož se ale digitální rozhraní používají často i v hi-fi světě, jsou k dostání opět spousty nesmyslně drahých „speciálních kabelů“, to se ale pohybujeme v oblasti zvukové ezoteriky. Je lepší se podívat k prodejcům profesionální techniky a spotřebitelským obchodům se v tomto případě vyhnout. Pokud nevíme, co přesně hledáme, mohlo by se to nepěkně prodražit.

Digitální rozhraní jsou skutečně lepší z hlediska dosažitelných vzdáleností (např. oněch 2.000 metrů u opticky vedeného MADI), ale v délkách, které by zajímaly běžného uživatele, se analogové spojení chová naprosto v pořádku. Proto není potřeba každé 3m spojení řešit digitální linkou, v klasických nahrávacích studiích prochází signál skutečně desítkami metrů analogových drátů.

Digitální rozhraní versus vzorkovací frekvence
AES/EBU a S/PDIF byla původně koncipována pro vzorkovací frekvence do 48 kHz, protože nebyla vymyšlena zrovna loni. Postupem času byla do specifikace dodána možnost provozovat je i v rychlejších módech. Na dnešních zařízeních tak fungují do formátu 24 bit/96 kHz.

S/PDIF je kromě přenášení dvojice signálů využíván ještě k přenosu komprimovaných vícekanálových formátů jako Dolby Digital nebo DTS, což často můžeme vidět v zapojeních domácích kin.

ADAT umožňuje v tzv. S-MUX úpravě provoz při vyšších vzorkovacích frekvencích se snížením počtu přenášených kanálů, při 96 kHz na čtyři a při 192 kHz na dva. Takový provoz ale závisí na schopnostech elektroniky a ovladačů zařízení. Např. MOTU Traveler mk2 při přepnutí interních hodin na 192kHz vůbec ADAT nenabízí, naopak karta RME HDSPe AIO nabízí všechna rozhraní až do 192kHz, záleží skutečně na konkrétní úpravě.

MADI přenáší maximální počet kanálů, tedy 64, při vzorkovacích frekvencích do 48 kHz. Při využití maximální rychlosti vzorkování 96 kHz počet kanálů klesá na 28.

Synchronizace a praktická úskalí digitálního rozvodu signálu
Ke správné rekonstrukci signálu dojde pouze v případě, že vzorky dorazí na výstupní převodník ve stejné vzdálenosti od sebe. K tomu slouží dostatečně stabilní generátor hodinového signálu, který zařízení určuje, kdy má vzít další vzorek, obdobně jako bubeník na antické lodi určoval, kdy mají všichni námořníci zabrat do vesel. Poškození signálu vlivem kolísání synchronizační frekvence se nazývá jitter. O kvalitách generátorů hodinového signálu je toho na internetu napsáno hodně. Ne že by jitter neexistoval, ale přesvědčení o „jasném rozdílu v kvalitě zvuku po zapojení externího generátoru za velmi mnoho peněz“ ponechme těm, kdo jsou tak nadáni, že to slyší. V praxi narazíme na problémy s vnitřním generátorem pouze sporadicky a to u tak špatného hardwaru, že by připojení hodin za velmi mnoho peněz těžko dávalo smysl. Jako vždy je důležité zvážit skutečný dopad problému na danou práci, kterou chceme se zařízením vykonávat a jeho skutečné možnosti.

Pro praxi je důležitější problematika spojování různých zařízení pomocí digitálních rozhraní. Je důležité si uvědomit, že to není zdaleka tak snadné jako pomocí analogových signálů. Celý systém totiž musí běžet na stejné vzorkovací frekvenci a ta musí být určována pouze jedním generátorem synchronizace, jinak by vlivem různých drobných rozdílů a kolísání docházelo neustále k výpadkům signálu. Pokud máme propojena jen dvě zařízení, můžeme využít pro synchronizaci přímo propojovací rozhraní (ADAT, AES/EBU, S/PDIF i MADI to umožňují) - čili v jednom zařízení (v tom, které slouží jako zdroj signálu) necháme interní zdroj hodin a v přijímajícím tzv. zavěsíme na přicházející signál. Horší je to při komplikovanějších zapojeních. Jedním z možných řešení je využití smyčky rozhraní WordClock pomocí 75ohmového koaxiálního kabelu s konektory BNC, do kterého generuje synchronizační signál buď jedno ze zařízení, nebo dedikovaný generátor a to obchází zařízení v uzavřené smyčce. Jak již bylo řečeno, na generátory je zaměřena značná část současné zvukové „ezoteriky“. Samozřejmě by měl být generátor kvalitní, ale takový najdeme ve většině „pořádných“ zvukových rozhraní. Internet je skutečně plný bizarních úvah o tom, jak moc „zlepší zvuk“ systému postaveného na převodníku za 8.000 Kč nákup generátoru za 32.000 Kč (Apogee Big Ben, klasická to modla v této oblasti).

Fakt, že rozvod hodinového signálu funguje špatně, poznáme tak, že některá zařízení začnou ztrácet synchonizaci. To se projeví výpadky signálu nebo různými lupanci a tak podobně. Obecně platí, že větší řetězení často vede k různým problémům. Jako příklad uveďme třeba použití nějakého rackového kanálového stripu, který má i digitální výstup. V případě využití takového výstupu ho tedy prakticky používáme i jako A/D převodník. Je vhodné zvážit, jestli je to dobrý nápad, zda třeba naše hlavní rozhraní nemá převodníky kvalitnější, už proto, že pochází od firmy, která se jejich vývojem přímo zabývá a není to jen připlácnuté mimochodem jako bonus u něčeho, co má plnit zcela odlišnou funkci. Vraťme se k našemu modelově komplikovanému zapojení, k němuž ale velmi často může dojít. Stačí, že požíváme zesilovač, který je určen pro hi-fi oblast. To znamená, že nedisponuje symetrickými analogovými vstupy, může mít ale digitální vstup, pravděpodobně S/PDIF. Tak proč ho nezapojit, stačí jeden kabel a máme to. Má to ale dvě nevýhody. Jednak opět nevyužíváme bezesporu kvalitní převodníky dedikovaného zvukového rozhraní, k výstupnímu převodu do analogové oblasti dojde v zesilovači (resp. receiveru v případě hi-fi zařízení). Zároveň řetězení synchronizace také přináší problémy. V takovém zapojení totiž bude hlavním generátorem vstupní procesor, na něj bude zavěšeno zvukové rozhraní a na něj digitální obvody receiveru.

Z předešlého odstavce vyplývá, že lepší variantou bude propojit vše analogově, protože tím pádem využijeme nejkvalitnější převodníky v řetězci a ušetříme si mnoho komplikací s nastavováním synchronizace. Problém je totiž v tom, že nastavení celého systému je příliš závislé na jeho struktuře a proto není příliš vhodné využívat digitální propojení pro systémy, kde dochází často ke změnám. Proto najdeme v téměř všech studiích analogové propojovací pole, kde můžeme vše velmi rychle přepojit. Představte si totiž co musíte udělat v digitálním zapojení, když vyřadíte jeden člen z řetězce digitálních propojení, nebo ještě hůře, chcete změnit směr toku signálu. To znamená velmi mnoho změn v nastaveních a to vždy přináší komplikace. Samozřejmě předpokládáme nezávadné kabely, protože různá mechanická poškození a narušení mohou vyvolávat např. odrazy vedeného signálu a zařízení se pak nebudou schopna dorozumět.

MADI je poněkud odlišné, protože přece jen nabízí větší možnosti pomocí různých směrovačů a podobných aktivních prvků. Je to ale rozhraní určené až pro poměrně náročné situace a tomu také odpovídá cena čehokoli, co s ním souvisí.

ObrázekObrázek
Konzole pro přijímání nebo generování TimeCode pomocí analogových vstupů/výstupů rozhraní MOTU Traveler mk2. Možné zdroje hodinového signálu audio rozhraní MOTU Traveler mk2.
Obrázek
Zadní panel rozhraní R.M.E Fireface 800 s konektory pro digitální rozhraní a synchronizaci, včetně vstupu pro TimeCode a video synchronizaci.

Další možností synchronizace více zařízení, hlavně při práci s videem je TimeCode. K tomu se dají využít např. vstupy označené SMPTE, případně TimeCode. Nebo se dá synchronizace odebírat přímo z videosignálu, pokud máme rozhraní, které to přímo umožňuje (např. modul Avid Sync, nebo R.M.E. Fireface 800 rozšířený o TCO option). Praktické použití je spíše u profesionálních instalací, vzhledem k tomu, že se dá očekávat v menších a středních podmínkách kompletně digitální řešení. Propojení je potřeba při použití „velkého“ video hardware, čili např. v míchacích halách k synchronizaci projektoru atp. V zásadě se jedná o synchronizaci běhu celé DAW a různých dalších zařízení, čili když zmáčkneme tlačítko Play rozběhne se vše co má přesně jak má.

Výhody digitálního rozvodu signálu
Abychom ale jen nenadávali na problémy spojené s digitálním rozvodem signálu, řekněme si, v jakých situacích je naopak výhodnější.

Můžeme si například ušetřit počet A/D a D/A převodů, které často nastávají při využití digitální pracovní stanice a externího hardwaru. Pokud totiž onen hardware stejně pracuje digitálně (např. dozvukový procesor), není důvod do něj neposlat signál rovnou digitálně a neodebírat digitálně i jeho výstup. Díky tomu, že použijeme oba směry toku, pravděpodobně s využitím jednoho typu rozhraní, si můžeme vybrat, co bude zdrojem synchronizace. Samozřejmě zvolíme naše hlavní zvukové rozhraní.

Dalším zajímavým přístupem je využití základního rozhraní s minimem analogových vstupů. Pokud totiž ve studiu nebo doma nemáme další vybavení a vše děláme na počítači, často využíváme pouze jeden stereo výstup. K dispozici jsou proto některé produkty, které mají velké množství digitálních vstupů. Stačí, když má rozhraní např. 3x vstupní ADAT a můžeme ho pomocí třeba zapůjčených A/D převodníků využít k nahrávání 24 vstupních signálů. Nebo můžeme přes ADAT připojit levné převodníky a použít je na aplikace, kde nám příliš nezáleží na případné horší kvalitě převodu, například u odposlechů pro účinkující do studia.

Některé aktivní reproduktory dnes již obsahují vlastní D/A převodníky. Poznáme to snadno, mají digitální vstupy. Toho lze využít k tomu, že třeba pro velmi kompaktní a mobilní studio využijeme levné zvukové rozhraní přes USB, které má třeba S/PDIF a připojíme jej přímo do reproduktorů. Nebo můžeme dokonce využít digitální rozhraní zabudované přímo v notebooku.

Je potřeba dobře uvážit, co je pro nás výhodnější a hlavně jednodušší a nesmíme zapomínat na to, což již bylo řečeno v úvodu tohoto seriálu: analogový vs. digitální neznamená hodnocení horší vs. lepší ani obráceně. V příštím dílu se podíváme na malé srovnání různých aplikací pro zpracování digitálního zvuku na počítači.

Jindřich Kravařík


Další díly seriálu
1. díl - ./recenze/stoparuv-pruvodce-digitalnim- ... 18487.html
2. díl - ./recenze/stoparuv-pruvodce-digitalnim- ... 18556.html
3. díl - ./recenze/stoparuv-pruvodce-digitalnim- ... 18718.html
4. díl - ./recenze/stoparuv-pruvodce-digitalnim- ... 18902.html
6. díl - ./recenze/stoparuv-pruvodce-digitalnim- ... 19447.html
PROFIL AUTORA: Ing. MgA. Jindřich Kravařík
Vystudoval ČVUT FEL se zaměřením na digitální zpracování signálů a tvorbu VST plug-inů a obor Zvuková tvorba na HAMU. Věnuje se převážně studiové práci, sound designu a tvorbě hudby pro video projekty - v rámci audiovizuálního MERGE studia a zvukového a nahrávacího studia Sype Studios. Šest let se též věnoval dabingu ve studiu Barrandov. V současné době občas vymění studiové prostředí za čerstvý vzduch nebo jiné klimatizované prostory při live práci v divadle Archa a s Cirkem La Putyka.

Odpovědět