Since the early 80's, a
step towards digital audio has been set by the introduction of the Compact Disc
player. In the beginning, those signals stayed inside the set, and were
converted to analog signals before leaving the cabinet. A new trend is to keep
signals into the digital domain as long as possible, because this is the only
way to keep the signal quality. To make this possible different devices must be
able communicate with one another within the digital domain. Several interfaces
exist to perform such tasks, from which one has grown to the audio standard
worldwide: IEC958 1989-03 (consumer Part) from the EBU. In Japan an equivalent
EIAJ CP-340 1987-9 is standard.
Standard IEC958
"Digital audio interface" from EBU (European Broadcasting Union)
details:
Physical
connection:
IEC958 is a newer standard which
supersedes AES/EBU and also S-PDIF. The S/PDIF interface (IEC-958) is a
'consumer' version of the AES/EBU-interface. The two formats are quite
compatible with each other, differing only in the subcode information and
connector. The professional format subcode contains ASCII strings for source
and destination identification, whereas the commercial format carries the SCMS.
Here is a short comparision
table of AES/EBU and S/PDIF interfaces:
ааааааааааааааааааааааааа AES/EBUааааааааааааа S/PDIF (IEC-958) Cablingаааааааааааааааааа 110 ohm shileded TPа 75 ohm coaxial or fiberConnectorаааааааааааааааа 3-pin XLRааааааааааа RCA (or BNC)Signal levelааааааааааааа 3..10Vаааааааааааааа 0.5..1VModulationааааааааааааааа biphase-mark-codeааа biphase-mark-codeSubcode informationаааааа ASCII ID textааааааа SCMS copy protection infoMax. Resolutionаааааааааа 24 bitsааааааааааааа 20 bits (24 bit optional)
NOTE:
AES/EBU also exists in 75 ohm/BNC version (AES-3id-1995 standard). 75 ohm BNC
version of AES/EBU is very electrically similar to 75 ohm coaxial S/PDIF shown
above.
The electrical
characteristics of AES/EBU are based on on RS-422, so basically any
differential RS-422 chip will do as the receiver and transmitter chips. S/PDIF
coaxial interface is not specificaly based on any other standard I know of (but
is quite similar in signal levels and bandwidth requrements to some video
signals).
Both S/PDIF and AES/EBU
can, and do transfer 24 bit words. In AES/EBU, the last 4 bits have a defined
usage, so if anyone puts audio in there, it has to go to something that doesn't
expect the standard specifies. But in S/PDIF, there's nothing that says what
you have to use the bits for, so filling them all up with audio is acceptable.
Typical S/PDIF equipments only use 16 or 20 bit resolutions. While many
equipments use more than 16 bits in internal processing, it's not unusual for
the output to be limited to 16 bits.
Note on HDR-2 (2 pin
header) interface used in some PC products:
Many modern PC CD-ROM drives and some soundcards (SB32, AWE32, etc.) have a two
pin digital output connector in the back of the drive and they sometimes call
that interface S/PDIF. Unfortunately the electrical signal which comes from it
is not exactly what is described in S/PDIF specifications. The data format is
exactly the same, but the signal is TTL level (5Vpp) signal instead of the
normal 1Vpp signal. The output level might be selected to make the interfacing
to other digital electronics easy when signal is travelling inside the computer
(the normal output driver system and input amplifiers can be avoided). The
downnside of this is that you need to build some electronics to make the signal
from the CD-ROM drive to match what normal S/PDIF equipments expect.
IEC958 was named IEC60958
at 1998. IEC60958 (The S/PDIF) can carry normal audio and IEC61937 datastreams.
IEC61937 datastreams can contain multichannel sound like MPEG2, AC3 or DTS.
When IEC61937 datastrams are transferred, the bits which normally carry audio
samples are replaced with the databits from the datastream and the headers of
the S/PDIF signal. Channel-status information contains one bit (but 1) which
tells if the data in S/PDIF frame is digital audio or some other data (DTS,
AC3, MPEG audio etc.). This bit will tell normal digital audio equipments that
they don't try to play back this data as they were audio samples. (would sound
really horrible if this happens for some reason).
The equipments which can
handle both normal audio and IEC61937 just look at those header bits to
determine what to do with the received data.
S/PDIF (IEC-958) uses 75
ohm coaxial cable and RCA connectors. 75 ohm coaxial cable is inexpensive,
because it is the same cable as used in video transmission (you can buy a video
cable with RCA connectors to connect you S/PDIF equipments together). By
specification, the max. length is 25 feet. If good 75-ohm cable with good
75-ohm connectors is used, it is possible to get good results with much longer
lines. It depends on the quality of the transmitter, the receiver and the
impedance match for the entire line, including the connectors. In general
practical cases coaxial S/PDIF connections work typically to 10-15 meter
distances with good 75 ohm coaxial cable.
AES/EBU-interface uses the
well known symmetrical connections with transformer isolation and an output
impedance of 110 ohm. The signal-level of this interface is reasonably higher
than in the consumer version (3...10 volts). Because AES/EBU digital audio
signals are transmitted at high, video-like frequencies (at around 6MHz) and
should be handled very differently than standard analog audio lines. Commonly
used XLR-3 microphone cables have various impedance ratings (30 ohm to 90 ohm
typical) and exhibit poor digital transmission performance. The result is
signal drop out and reduced cable lengths due to severe impedance mis-matching
(VSWR) between AES/EBU 110 ohm equipment. AES/EBU signal transmission work for
few tens of meters with a good cable.
There also an optical version
of S/PDIF interface which is usually called Toslink, because uses Toslink
optical components. The transmission media is 1 mm plastic fiber and the
signals are trasmitted using visible light (red transmitting LED). The optical
signals have exactly the same format as the electrical S/PDIF signals, they are
just converted to light signals (light on/off). Because high light signal
attenuation in the Toslink fiberoptic cable, the transmission distance
available using this technique is less than 10-15 meters (with some equipments
only few meters).
There are two things which
can cause differences between the sound of digital interfaces:
This really only affects
sound of the signal going directly to a DAC. If you're running into a computer,
the computer is effectively going to be reclocking everything. Same applies
also to CD-recoders, DAT tape decs and similar devices. Even modern DACs have
typically a small buffer and reclocking circuitry, so the jitter is not so big
problem nowadays that it used to be.
This usually causes very
significant changes in the sound, often loud popping noises but occasionally
less offensive effects. Any data loss or errors in either are a sign of a very
broken link which is probably intermittently dropping out altogether.
The signal on the digital
output of a CD-player looks like almost perfect sine-wave, with an amplitude of
500 mVtt and a frequency of almost 3 MHz.
For each sample, two 32-bit
words are transmitted, which results in a bit-rate of:
ааа 2.8224 Mbit/sа (44.1 kHz samplingrate, CD, DAT)ааа 3.072а Mbit/sа (48 kHz sampling rate, DAT)ааа 2.048а Mbit/sа (32 kHz sampling rate, for satellite purposes)
The output
impedance is standard 75 ohm, so ordinary coaxial cable designed for video
applications can be used. The minimal input level of S/PDIF interface is 200
mVtt which allows some cable losses. There is no real need for special quality
cable as long as the cable is made of 75 ohm coaxial cable (a good video
accessory cable works also as good S/PDIF cable).
The digital signal is coded
using the 'biphase-mark-code' (BMC), which is a kind of phase-modulation. In
this system, two zero-crossings of the signal mean a logical 1 and one
zero-crossing means a logical 0.
ааааааааааааааа _аа _аа _аа _аа _аа _аа _аа _аа _аа _аа _аа _аааааааааааааа | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |clockаа 0 ___ _| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_| |_ ааааааааааааааа ___аааааааа _______аааа ___аааааааа ___аааааааааааааа |аа |аааааа |аааааа |аа |аа |аааааа |аа |dataааа 0 ___ _|аа |_______|аааааа |___|аа |_______|аа |___signalаааааааааа 1аа 0аа 0аа 1аа 1аа 0аа 1аа 0аа 0аа 1аа 0 аааааааааааааа а_аа ___аааа _аа _аа ___аа _аааа ___аа _Biphaseааааааа | | |аа |аа | | | | |аа | | |аа |аа | | |Markааа 0 ___а | | |аа |аа | | | | |аа | | |аа |аа | | |signalаааааааа | | |аа |аа | | | | |аа | | |аа |аа | | |ааааааааааааа _| |_|аа |___| |_| |_|аа |_| |___|аа |_| |___ cellsаааааааааа 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0
The
frequency of the clock if twice the bitrate. Every bit of the original data is
represented as two logical states, which, together, form a cell. The length of
a cel ('time-slot') is equal to the length of a databit. The logical level at
the start of a bit is always inverted to the level at the end of the previous
bit. The level at the end of a bit is equal (a 0 transmitted) or inverted (a 1
transmitted) to the start of that bit.
The first 4 bits of a
32-bit word (bits 0 through 3) form a preamble which takes care of
synchronisation. This sync-pattern doesn't actually carry any data, but only
equals four databits in length. It also doesn't use the BMC, so bit patterns
which include more than two 0's or 1's in a row can occur (in fact, they always
do).
There are 3 different
sync-patterns, but they can appear in different forms, depending on the last
cell of the previous 32-bit word (parity):
аа Preambleааа cell-orderаааааааа cell-orderаааааа (last cell "0")ааа (last cell "1")аа ----------------------------------------------аа "B"аааааааа 11101000аааааааааа 00010111аа "M"аааааааа 11100010аааааааааа 00011101аа "W"аааааааа 11100100аааааааааа 00011011 Preamble B: Marks a word containing data for channel A (left)ааа at the start of the data-block. Preamble M: Marks a word with data for channel A that isn'tааа at the start of the data-block. Preamble W: Marks a word containing data for channel B.ааа (right, for stereo). When using more than 2ааа channels, this could also be any other channelааа (except for A).
Every sample is transmitted
as a 32-bit word (subframe). These bits are used as follows:
аа bitsаааааааааа meaningаа ----------------------------------------------------------аа 0-3ааааааааааа Preamble (see above; special structure) аа 4-7ааааааааааа Auxillary-audio-databits аа 8-27аааааааааа Sampleа (A 24-bit sample can be used (using bits 4-27).аа A CD-player uses only 16 bits, so only bitsаа 13 (LSB) to 27 (MSB) are used. Bits 4-12 areаа set to 0). аа 28аааааааааааа Validityа (When this bit is set, the sample should notаа be used by the receiver. A CD-player usesаа the 'error-flag' to set this bit). аа 29аааааааааааа Subcode-data аа30аааааааааааа Channel-status-information аа 31аааааааааааа Parity (bit 0-3 are not included)
The number
of subframes that are used depends on the number of channels that is
transmitted. A CD-player uses Channels A and B (left/right) and so each frame contains
two subframes. A block contains 192 frames and starts with a preamble
"B":
"M" Ch.1 "W" Ch.2 "B" Ch.1 "W" Ch.2 "M" Ch.1 "W" Ch.2 "M" ... |ааааааааааааааа ||_ sub __|_ sub _||ааааааааааааааа ||ааааааааааааааа ||ааааааааааааааа ||ааааааааааааааа ||__ Frame 191 ___||__ Frameаа 0 ___||__ Frameа 1 ____| а |аааааааааааа block-start
In each block, 384 bits of
channelstatus and subcode info are transmitted. The Channel-status bits are
equal for both subframes, so actually only 192 useful bits are transmitted:
аа bitааааааааааа meaningаа -------------------------------------------------------------аа 0-3ааааааааааа controlbits: а bit 0: 0 (is set to 1 during 4 channel transmission)а bit 1: 0=Digital audio, 1=Non-audioаа (reserved to be 0 on old S/PDIF specs)а bit 2: copy-protection. Copying is allowed when this bit is set.ааааааааааааааааа bit 3: is set when pre-emphasis is used. аа 4-7ааааааааааа 0 (reserved) аа 9-15аааааааааа catagory-code: а 0 = common 2-channel formatа 1 = 2-channel CD-formatааааа (set by a CD-player when a subcode isаааааа transmitted)ааааааааааааааааа 2 = 2-channel PCM-encoder-decoder format ааааааааааааааааа others are not used аа 19-191аааааааа 0 (reserved)
The
subcode-bits can be used by the manufacturer at will. They are used in blocks
of 1176 bits before which a sync-word of 16 "0"-bits is transmitted
The electrical interface
for S/PDIF signals can be either 75 ohm coaxial cable or optical fiber (usually
called Toslink). Usually consumer models use that coaxial cable interface and
semiprofessional/professional equipments use optical interface. The electrical
signal in the coaxial cable is about 500mVtt.
There are differences in
the electrical characteristics of AES/EBU and S/PDIF interfaces:
You can
convert one electrical interface to another with a small amount of
off-the-shelf hardware and a little time as you can see in the circuit below.
But the protocol used in
AES/EBU and S/PDIF is not exactly the same and that can cause sometimes
problems. The basic data format of AES and S/P-DIF are identical. There is a
bit in the channel status frame that tells which is which. Depending upon the
setting of that bit, some bits have different meanings. For example, the bits
used to describe de-emphasis in the AES/EBU protocol overlap the bits used to
implement the SCMS protocol in S/P-DIF land.
The big problem comes in
the fact that MANY products out there are VERY picky about what they see in the
bits, and even though a given signal may fall within the letter of the
standard, some equipment will absolutely refuse to talk to it. Many equipments
are reasonably flexible and tolerant of slight foos in the signal so the simple
converters cna work on those. But a simple converter that works fine with one
piece will as likely not work with another.
There are 2 implementations
of IEC 958: consumer and professional. Those are referred in standard as IEC958
Types I and II. IEC958 professional format is same as AES/EBU but is carried
over same type of coaxial or optical interface as consumer S/PDIF. IEC958
consumer format is the S/PDIF format used in CD-players. You can put an S-PDIF
data stream on an AES/EBU physical balanced cable, or vice versa, and still
have it be valid IEC958 data. Professional and consumer formats (Types I and
II) differ only in the subcode information. In order to do track indexing, you
must have a consumer format data stream (ie. an S/PDIF style data).
The AES/EBU standard for
serial digital audio uses typically 163 ns clock rate and allows up to +-20 ns
of jitter in the signal. This peaks to peak value of 40 ns is aroun 1/4 of the
unit interval. D/A conversion clock jitter requirements are considrably
tighter. A draft AES/EBU standard specifies the D/A converter clock at 1 ns
jitte; however, a theoretical value for 16-bit audio could be as small as 0.1
nsec. Small jitter D/A conversion is implemented by using separate PLL clocks
for data recover and DAC and by using a buffering between data recovery and
DAC.
Here are some AES/EBU and
S/PDIF circuit collected from various sources. The following circuit will only
convert the signal levels, not other protocol details.
Remeber that although the
audio data is the same in both AES/EBU and S/PDIF interfaces, they are indeed
different formats, at least in their subcode. AES converted to coax is NOT
S/PDIF, and S/PDIF converted to XLR balanced is NOT AES. They are still their
native format, just the transmission medium has changed. Whether they will work
in your application depends on the equipment chosen.
Some DATs have a switch
that selects one format or the other regardless of the physical interface, some
just ignore what they don't understand (usually resulting in the generally
positive benefit of ignoring SCMS encoding), and some indeed gag on the
"other" format. But simply fixing the physical interface works far
more often than it doesn't.
Here are some ideas how to
make the most common conversions using the circits described below. Note: there
is no guarantee that the information in this or the circuit are correct (they
are believed to be correct but note tested by the author).
For every
other conversion combination you can think of you can find circuits on the lis
below. To build an dapter you need two parts connected after each other.
After you
have slected the suitable circuit parts, built them an attached them together
you get the conversion circuit you want. If you need more than one output, you
can connect few (1-4) output modules to one input circuitry to have more then
one output.
AES out:аа 2-------330 ohm-----+-------------аа SPDIF inаааааааааааааааааааааааааааааа |аааааааааа 3--+ааааааааааааа 91 ohmааааааааааааа |ааааааааааааааа |аааааааааа 1--+------+---------+-------------аааааааааааааааааааа |аааааааааааааааааааа -ааааааааа ааааааground
The idea for this circuit
is taken from articles posted to Usenet News.
If you are looking for a
professional components for 110 ohm to 75 ohm interconnection then check Canare web site where they have 110 OHM-75 OHM IMPEDANCE
TRANSFORMERS.
аааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа _ааааааааааааааааа + 5 voltааааааааааааааа | \SPDIF out:ааааааааа |аааааааа аааааааааа+-|а O-+ааааааааааааааааааа _ +--4,7k-+аааааааа | |_/а |ааааааааааааа diode ^ |а _ааа |аааа _аа |а _аа |аааааа 10 u (+)аааа | | | \аа |ааа | \а | | \а |ааааа 100 nO--+--+-||-+--------+-+-|а O--+--+-|а O-+-|а O-+-120 r-||-+----+-- 2аа |а |аа а|ааааааа |аа |_/аа |а | |_/ааа |_/аааааааааааа |ааа |аа |а +-||-+ 100nаа _аааааа 2,2k |аааааааааааааааааааааа 1 kаа |а 75rаааааааааааааа ^ diodeаа |а |аааа ICаааааааааааааааа |ааа |аа AES inаа |ааааааааааааааа |ааааааа --- |аааааааааааааааааааааа ---а а|а ---ааааааааааааа ---аааааааааа |аааааа _ааааааааааааааааааа 220rаааааааааааааааааааааааааааааааа |ааааа | \аааааааааа 100 nааа |аааааааааааааааааааааааааааааааа +--+---|а O---+--120 r-||-+---+--- 3 Diode = 1N914 or 1N4148ааааааааааа |аа |_/ааа |аа аааааааа|ааааааааааааааааааааааааааааааааааа |ааа _аааа |аааааааа 1 kаа +--- 1ааааааааааааааааааааааааааааааааааа |аа | \ааа |аааааааааа |аа |ааа IC = 74HC04 or CMOS 4049ааааааа +---|а O---+ааааааааа --- ---ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |_/
The idea
for this circuit is taken from articles posted to Usenet News.
This is a collection of
S/PDIF circuits found from various sources. The circuits are presented as
building blocks which have one end on S/PDIF standard signal and other end an
TTL level signal. The TTL levle signal end of the circuits is designed to be
the the interface which you can use to wire different modules together to make
whatever S/PDIF converter circuit you want. The circuit are presented as
building blocks because with this approacs you can most easily build a suitable
circuit for all conversion needs.
Here are tips for building
a conversision circuits for different uses:
For other conversion needs
do a little thinking and you should find quite easily the answer what blocks to
connect to each other.
Here is set of output
circuit which take in TTL level S/PDIF signal in and output standard S/PDIF
coax cable output signal. Those output circuit are very useful building blocks
for all kinds of S/PDIF related electronics projects. All the circuits do
basically the same thing. They just use different components, so use the one
where uou can easily get components.
ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа ааS/PDIF outputааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа (RCA or BNC)ааааааааааааааааааааааааааа |\ TTL level signal -----+-----| O-----680R--+---------+ааа +------- center pinааааааааааааааааааааа |аааа |/ааааааааааа |аааааааа |ааа | ааааааааааааааааааааа|аааааааааааааааааа |ааааааааа )||(ааааааааааааааааааааа |аааа |\ааааааааааа |ааааааааа )||(ааааааааааааааааааааа +-----| O-----680R--+ааааааааа )||(ааааааааааааааааааааааааааа |/ааааааааааа |ааааааааа )||(аааааааааааааааааааааааа ааааааааааааааа100Rааааааа |ааа |ааааааааааааааааааааааааа 74HC04ааааааааа |аааааааа |ааа +------- groundааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа +----+----+ T1аааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |аааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа ааа---
Idea for
this circuit is taken from "A digital Output for the CD720" web page
(was at http://www.spiceisle.com/homepages/brian/audiodiy/mods/digi-out.htm). The
transformer T1 is high quality 1:1 pulse transformer (can be salvaged from old
broken network interface card or similar source).
ааааааааааааааааааааааааааа |\ааааааааааааааааааааа +-----| O-----------+ааааааааааааааааааааа |аааа |/ааааааааааа |аааааааааааааа S/PDIF outputааааааааааааааааааааа |ааааааааааааа ааааа|а 100nFааааааа (RCA or BNC)ааааааааааааааааааааа |аааа |\ааааааааааа |аа ||ааааа T1а TTL level signal -----+-----| O-----------+---||----+ааа +-------+--75R--- center pinааааааааааааааааааааа |аааа |/ааааааааааа |аа ||ааа |ааа |аааааа |ааааааааа аааааааааааа|аааааааааааааааааа |ааааааааа )|| |аааааа | аааааааааааааааааааааа|аааа |\ааааааааааа |аааа 15аа )||(а 3ааа 220Rааааааааааааааааааааа +-----| O-----------+ааа turns )||( turnsа |ааааааааааааааааааааа |аааа |/ааааааааааа |ааааааааа )|| |ааа ааа|ааааааааааааааааааааа |аааааааааааааааааа |аааааааа |ааа |аааааа | аааааааааааааааааааааа|аааа |\04ааааааааа |аааааааа |ааа +-------+-------- groundааааааааааааааааааааа +-----| 0-----------+аааааааа |аа аааааааааааааааааааааааааааа|/ааааааааааааа ааааааа---аа аааааааааааааааааааааааааа74HCU04аааааааааааааааааааа
This circuit is part of
circuit "Splitter for S/PDIF coax/optical output" by T. Giesberts
from Elektor Electronics magazine July/August 1995 pages 78-79. The transformer
T1 is made to G2.3-FT12 ferrite ring core. Primary coil is 15 turns of 0.5 mm
diameter enamelled copper wire and secondary is 3 turns of 0.5 mm diameter
enamelled copper wire. The chip 74HCU04 is manufactured by Philips
The circuit in the magazine
had 3 outputs. The two extra output were made by adding two more output coils
to T1 and the output resistors.
This circuit is taken from
Digital One V. 1.1 documentation. Digital One is from NET-Labs and is designed
by by Enland Unruh.
аааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа S/PDIF output ааааааааааааааааааааааааааа IC1ааааааааааааа 0.1 uFааааааа 0.1 uFаааа аааааааааааааааааааааааааааа|\аааа ааааааааааа||ааааааааааа ||TTL level signal -----------| +-----750R--+---||----+ааа +--||--- center pinааааааааааааааааааааааааааа |/ааааааааааа |аа ||ааа |ааа |а ||ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |ааааааааа )||(ааааааааааааааааааааааааааааа аааааааааааа|ааааааааа )||(ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |ааааааааа )||(ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |ааааааааа )||(ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа 499Rааааааа |ааа |ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |аааааааа |ааа +------- groundааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа +----+----+ T1аааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа ---
T1 is a HF-transformer
which has 2:1 turns ratio. Transformer type used in example circuit is
SC944-05. IC1 in this circuit consists of 8 parallel connected buffer ports
from 74ACQ244 IC.
This is the recommended
S/PDIF output circuit from Crystal Semiconductor CD4237 single chip multimedia
audio system IC datasheet page 71.
аааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа S/PDIF outputааааааааааааааааааааааааааа IC1аааааааааааааааааааааааааааааааааааааа аааааааааааааааааааааааааааа|\ааааааааааа ааааааааааааааааааааTTL level signal -----------| +-----374R--+---------+ааа +------- center pinааааааааааааааааааааааааааа |/ааааааааааа |аааааааа |ааа |ааа аааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа|ааааааааа )||(аааааааааааааааааааааааааааааааааааа ааааа|ааааааааа )||(ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |ааааааааа )||(ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |ааааааааа )||(аааааааааааааааааааааааааааааааааааааа 90.9Rааааааа |ааа |ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |аааааааа |ааа +------- groundааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа +----+----+ T1аааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа |ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа ---
The
transformer used in this circuit is 1:1 pulse transformer (the original
application note suggested pulse transformer from Pulse Engineering or Schott
Corporation). IC1 is a buffer IC which must be capablw to supply enough current
to drive the 75 ohm S/PDIF interface to full votlage swing specified (capable
of loading 415 ohm load or capable of supplying 12 mA current).
ааааааааааааааааааааааааааа |\ааааааааааааааааааааа +-----| O-----------+ааааааааааааааааааааа |аааа |/ааааааааааа |аааааааааааааа S/PDIF outputааааааааааааааааааааа |аа аааааааааааааааа|а 150nFааааааа (RCA or BNC)аааааааааааа |\аааааа |аааа |\ааааааааааа |аа ||ааааааа TTL level ---| o------+-----| O-----------+---||-----374R---+----- center pinsignalаааааа |/аааааа |аааа |/ааааааааааа |аа ||ааааааааааа |ааааааааааааа аааааааа|аааааааааааааааааа |аааааааааааааааа |ааааааааааааааааааааа |аааа |\ааааааааааа |ааааааааааааааа 93R1ааааааааааааааааааааа +-----| O-----------+аааааааааааааааа |ааааааааааааааааааааа |аааа |/ааааааааааа |аааааааааааааааа +----- groundааааааа аааааааааааааа|аааааааааааааааааа |аааааааааааааааа |ааааааааааааааааааааа |аааа |\ааааааааааа |ааааааааааааааа ---ааааааааааааааааааааа +-----| 0-----------+аа аааааааааааааааааааааа|аааа |/ааааааааааа |ааааааааааааааааааааа |аааааааааааааааааа |ааа аааааааааааааааааа|аааа |\ааааааааааа |аа аааааааааааааааааааааа+-----| 0-----------+аа аааааааааааааааааааааааааааа|/ ааааааааааааааааааааааааа 74HTU04аааааааааааааааааааа
This
circuit does not provide any isolation on the output. The TTL level signal form
74HCT04 buffer is attenuated to the levels specified in S/PDIF optical
interface by using the voltage divider made of 374 ohm and 93.1 ohm resistors. This
circuit is based on S/PDIF converter circuit diagram from Elektor Electronics
magazine issue 4/1997 page 66.
аааааааа 100nFа TTL ----||-----330ohm--+--------- coax S/PDIF signal outа inаааааааааааааааааааа |ааааааааааааааааааааа 100ohmаааааааааааааааааааааааа | Ground -----------------+--------- coax signal ground
This ricuit
interfaces directly to the TTL level output provided by some sound equipment
(CD-ROM or soundcard). This circuit works if the equipment which gives out TTL
level has powerful enough TTL output to run this circuit (enough current output
capability). If this simple circuit does not work reliably, then you need to
build a circuit which includes the buffering electronics.
If your equipment (for
example sound cards) has an S/PDIF output which does not have an isolation
transformer at the output, you can easily add the transformer to it by putting
a suitable transformer afther the original output.
Elector Electronics
magazine issue 7-8/1999 recommend building the transformer for S/PDIF isolation
in the following way:
The transformer must have
good coupling factor, so the transformer core must be a toroidal core made of
high permiability material. The prototype described in the magazine uses
Philips Type TN13/7.5/5-3E25 core which has permiability rating (yt) of 4500. THe
primary and secondary windongs consisted of 6 turns of 0.5 mm diameter
enamelled copper wire laid on opposite sides of toroid. The transformer used in
this prototype was described to have a bandwidth raged from 50 kHz to 17 MHz,
which is more than adequate for an S/PDIF link.
The transformer should be
fitted directly to the source and the receiving end must be protperly
terminated for reliable operation. The reason for this is that the transformer
input and output impedances are not exactly 75 ohm.
The following circuits can
be used to convert S/PDIF signals to TTL level signals which can be connected
to any suitable output circuit or directly to digital electronics.
ааааааааааааааааааа ааааааааааааааа+----10K--+аааааааааааааааааааааа аааааааааааааааааааааа10 nFааааааа |аааааааа |аааааааааааааааааааааа ||ааааааааа |ааа |\аа |ааааааа |\S/PDIF input ------+---||----100R--+----| O--+---+----| O----- TTL outаааааааааааааааааа |аа ||ааааа ааааааааа|/аааааа |ааа |/ааааааааааааааааа 75Rаааааааааааааааааааааааааа 10Kаааааааааааааааааа |аааааааааааааааа 74HCU04аааа |ааааааааааааааааа ---аааааааааааааааааааааааааа ---
This
circuit is part of circuit "Splitter for S/PDIF coax/optical output"
by T. Giesberts from Elektor Electronics magazine July/August 1995 pages 78-79.
The chip 74HCU04 is manufactured by Philips
ааааааааааааааааааааааааааа +----10K----- +5Vааааааа аааааааааааааааааааа|аааа /\ ааааааааааааааааааааааааааа---аааа |аааааааааааааааааааа 4700 pFаааааа |ааа ааааааааааааааааааааааа||ааааааааа |ааа |\ааааааааааа |\S/PDIF input ----------||----------+----| O-----------| O----- TTL out(+/-500mV)ааааааааа ааа||аааааааааааааа |/ааааааааааа |/аааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа7404ааа
The capacitor works as DC
blocking capacitor. 10 kohm trimpot signal raises its ground potential to the
point that Hex Inverter IC1 recognizes the difference between a digital 1 and 0
input. When you firt test the circuit then first addjust 10 kohm trimmer to the
center and then adjust it so that the circuit receivers the S/PDIF signal well.
If you have a voltmeter, you can adjust the trimpot to show around 2.6V at pin
1 of the IC. The inverter buffers the input and produces TTL 0-5V output
signal. This circuit does not provivide the 75 ohm termination resistor, so you
need to add it if you have problems because of cable signal reflections. This
circuit is ppart of Coax Digital Out to MD circuit design.
ааааааааааааааааааааааа ________________аааааааааааааааа ааааа4|аааааааааааа ___| TTL signal -----------|ааааааааааа /аааааааааааааааааааааа |аааааааааа |ааааааааааааааааааааа 3|аааааааааа | +5V--4R7--+-----------|аааааааааа |аааааааааа |ааааааааа 2|аа TOTX173 |аааааааааа +---8k2-----|аааааааааа |ааааааа ааа|аааааааааа |аааааааааа | аааааааааа=== 100 nFаа |аааааааааа |аааааааааа |ааааааааа 1|ааааааааааа \___аааааааааа +-----------|________________|аааааааааа |ааааааааа аааааааааа---
The 4.7 ohm
resistor and 100 nF capacitor make a filter against digital noise in +5V power
source. The Toslink transmitting module used in this circuit is TOTX173 from Toshiba. This circuit is a part of circuit diagram
from Elektor Electronics magazine issue 4/1997 page 65.
Toshiba optical receiver
& transmitter modules used for S/P-DIF TORX173, TOTX173 top view:
ааа optoаа +----+а 6.ааа .5аа +....+ааа 1234аааааааа Pinа TORX173аааа TOTX1731ааа outаааааааа GND2ааа GNDаааааааа R3ааа Vccаааааааа Vcc4ааа GNDаааааааа in5ааа case(GND)аа case(GND)6ааа case(GND)аа case(GND) Vccа +5V (use 0.1 uF decoupling to GND)аааааааа (use 47 uH choke to connect Pin 3 to Vcc for TORX)Rааа 8.2 kOhm to Vccаааааааааааааааааааааа
TORX and
TOTX are both high active and are CMOS/TLL logic compatible.
More information and
datasheets is available at Toshiba optoelectronics components web page
TOSLINK section.
With TOSLINK modules
available for as low as $10 it hardly seems worth it to bother with the trouble
of making your own TOSLINK module due to the fact that the ones from Sharp have
a built-in connector and are much easier to interface. But if you really want
to make your own optical output interface, you can do it because S/PDIF optical
(Toslink) transmitter is just basically a red LED coupled to the optical fiber.
So to build a very basic output circuit you only need a red LED and a resistor,
both available from any place where electronic components are sold.
The circuit is very simple:
аааааааааааааааааа _____TTL signal -------|_____|---------+ааааааааааааааааааааааааааааааааа |аааааааааааааааааааааааааааааааа ---ааааааааааааааааааааааааааааааааа Vа LEDаааааааааааааааааааааааааааааааа ---ааааааааааааааааааааааааааааааааа |ааа Ground -----------------------+
The idea of the circuit is
that the digital data is fed through a series current limiting resistor to the
LED (typically LEDs only require 5-30mA). A digital 0 is 0V and the LED is off.
A digital 1 is +5V and the LED is on. That's it!
If for some reason the circuit
does not work, try to change the LED and also try to connecting it better to
the optical fiber. NOTE: Not all LEDs will work, so you may have to experiment
a bit. Optimally, you want a high-brightness RED LED with a typical wavelength
of 660nm.
If swapping the LED doesn't
work, you might want to try using a hex inverter (7404 or similar IC) to buffer
the signal. This might be good practice too, just in case the TTL SPDIF output
of your source device isn't designed to handle a 20~30mA load this circuit
generates.
аааааа _____________ааааа |___ааааааааа |1ааааааааа \аааааааа |----------------- TTL outputаааааааааа |ааааааа |аааааааааа |TORX173 |3аааааааааа |ааааааа |----+----coil47uH----- +5Vаааааааааа |ааааааа |ааа |аааааааааа |ааааааа |аа === 100 nF
аааааааааа |ааааааа |2аа |
аааааааааа |ааааааа |----+
аааааааааа |ааааааа |4аа |
аааааааааа |ааааааа |----+
аааааааааа |ааааааа |5аа |
аааааааааа |ааааааа |----+
аааааааааа |ааааааа |6аа |
ааа аааа__/аааааааа |----+
аааааа |____________|ааа |
ааааааааааааааааааааааа ---
The 47 microhenry coil and
100 nF capacitor make a filter against digital noise in +5V power source. The
Toslink receiving module used in this circuit is TORX173 from Toshiba. This circuit is a part of circuit
diagram from Elektor Electronics magazine issue 4/1997 page 66.
Toshiba optical receiver
& transmitter modules used for S/P-DIF TORX173, TOTX173 top view:
ааа optoаа +----+а 6.ааа .5аа +....+ааа 1234аааааааа Pinа TORX173аааа TOTX1731ааа outаааааааа GND2ааа GNDаааааааа R3ааа Vccаааааааа Vcc
4ааа GNDаааааааа in5ааа case(GND)аа case(GND)6ааа case(GND)аа case(GND) Vccа +5V (use 0.1 uF decoupling to GND)аааааааа (use 47 uH choke to connect Pin 3 to Vcc for TORX)Rааа 8.2 kOhm to Vccаааааааааааааааааааааа
TORX and
TOTX are both high active and are CMOS/TLL logic compatible.
More information and
datasheets is available at Toshiba optoelectronics components web page TOSLINK section.