A Digitális Adattovábbítás Kihívásai és a Manchester-kódolás Szerepe az USB Audio Rendszerekben
A digitális futóművek, audio szerverek, streamerek és USB DAC-ok korszakát éljük, az analóg lemezzel szemben egykor gyakorlatilag kizárólagos alternatívát jelentő CD hegemóniája mára a múlté. Jóllehet eredetileg egyáltalán nem zenefájlok valós idejű továbbítására tervezték, az USB mára a digitális jeltovábbítás megkerülhetetlen interfészévé vált. A fájl alapú zenelejátszás, streamelés, tehát a digitális audio témakörében talán a „nullák és egyesek, nem lehet különbség” a legtöbbször magabiztosan hangoztatott téves megállapítás és talán semelyik egyéb a kábelekkel kapcsolatos kérdéskör boncolgatása nem vezet akkora vitákhoz, mint az USB kábeleké.
Ennek oka pedig minden bizonnyal éppen a „nem lehet különbség” és a „csak nullákat és egyeseket kell továbbítani” tévedésben keresendő. Szószólóik meg vannak győződve róla, hogy a nullák és egyesek korszakában az egyetlen biztos pont, amivel nem kell foglalkoznunk, az a digitális jeltovábbításra használt, azon belül is különösen az USB kábelek - de sajnos nem is tévedhetnének nagyobbat. Akik már hallották a különbséget, azok számára mindez már nem kérdés, de a szubjektív megtapasztalásokon túl műszaki magyarázatok is rendelkezésre állnak. Mielőtt azonban digitális kábelek USB alcsoportjáról beszélnénk, egyszer és mindenkorra számoljunk le a digitális audio témakörén belül a „nullák és egyesek” téves koncepciójával!
A Digitális Jelek Valódi Természete
Az USB szabvány egy több mint 650 oldalas száraz, unalmas dokumentum, böngészését és tökéletesen pontos értelmezését meghagyjuk az informatikus/villamosmérnök közösségnek. Számunkra elegendő annak megértése, hogy a digitális jelek valójában olyan négyszögjelek, amelyeket a feszültség értékük definiál, és végül az alapján lesznek 0 vagy 1, hogy átlépnek-e egy küszöbértéket.
Az USB soros kommunikációt valósít meg, a kábel pedig 4 eret tartalmaz: ezek közül kettő a föld és a tápfeszültség (VBUS = +5 V), a maradék kettő pedig egy sodrott érpár, amelyeken az adat differenciális jel formájában (D+ és D-) kerül továbbításra. A logikai 0 vagy 1 értékét az USB busz különbségi jelszintekkel határozza meg, ezt az információt pedig nem más hordozza, mint a D- és D+ vezetékek közötti feszültségkülönbség. Ha a D- feszültségéhez képest a D+ feszültsége nagyobb, mint 200 mV akkor a logikai 1 állapot áll fenn, ha kisebb, akkor a logikai 0.
Emiatt viszont végső soron már nem is digitális, hanem egy nagyon érzékeny, elektromos
A Valós Idejű Adatátvitel Kihívásai: Hibajavítás és Szinkronizáció
Sokan felvetik a kérdést, hogy miért lennének különbségek a digitális jeltovábbításban, ha ott van a hibajavítás. Nem egészen, mert ha elmentünk egy fájlt, vagy elküldjük egy nyomtatónak, akkor a fogadó eszköz hibakorrekciós rendszere mindaddig újra küldetheti a küldő eszközzel az adatot, amíg a fájl tényleg 100%-ban azonos nem lesz. A stream-elt zenék esetén azonban van egy kis bökkenő, mégpedig az, hogy mivel minden valós időben történik, ezért ez az újraküldési/hibajavítási funkció nem áll rendelkezésre. A nem létező hibakorrekció miatt az esetlegesen hiányzó vagy hibás adatokat a hibajavító rendszerek nem tudják kicserélni/újra küldeni.
Szinkron kommunikáció esetén külön dedikált szinkron jel (órajel) áll rendelkezésre. Aszinkron kommunikáció esetében viszont kizárólag az adatok átvitelére is szolgáló vezeték teremthet lehetőséget erre, mégpedig úgy, hogy a vevő órájának szinkronizációja az éleknél (amikor az adat 1-ről 0-ra, vagy 0-ról 1-re változik) történik meg. Ez azonban további kérdéseket is felvet. Mivel senki nem tudja garantálni előre, hogy az adatfolyam milyen bitsorozatból épül fel, így azt sem lehet előre tudni, mikor következik be a soron következő jelváltás, előfordulhat tetszőlegesen hosszú változatlan állapotú jelsorozat is.
Ez esetben az adó és a vevő órájának eltérése által meghatározott idő múlva „kiesne a szinkronból” az adatátvitel, ami persze nem megengedhető.
Adatkódolási Stratégiák, avagy a Manchester-kódolás
A szinkronizációs problémák elkerülésére több stratégia is létezik, pl. Manchester-kódolás, EFM, start-stop rendszer, bitbeszúrás és hasonló módszerek, melyek garantálják, hogy adott számú bitet követően mindenképpen legyen jelváltás. Ha a kódolás olyan, hogy az órajel az adatot is hordozó bitekből állítható vissza, akkor izokron önórajelező (self-clocking) jelről beszélünk.
Manchesteri kódolás magyarázata
A Jelminőség Romlását Okozó Tényezők
Mindebből is látható, hogy ha a jel esetleg hibás, azt az aszinkron rendszer nem tudja kijavítani, az hibásan kerül a D/A konverter bemenetére, ami aztán próbálja majd feldolgozni. Az időzítési hibákon túl minden apró impedancia-eltérés és minden kis tápegység-zaj, amely az adatokkal - esetünkben a zenével - együtt halad, különféle torzításokat, hibákat okoz, amelyek aztán hallható problémákat, végső soron pedig romló hangminőséget eredményeznek.
Ha ez nem lenne elég, az adatküldés során, hacsak a vezető és a dielektrikum dielektromos állandója (és ezzel lényegében maga a jeltovábbítás) nincs illesztve, akkor a kábel túloldalán az érkezési idő nem lesz állandó, ami jitter-t eredményez. A jitter befolyásolja az audio jel időzítését, amire az emberi fül roppant érzékeny.
Az Optimális USB Kábel Tervezési Alapelvei
Lássuk, mit lehet tenni, az előzőekben említettek kezeléséhez milyen alapelvek mentén kell egy USB kábelt megtervezni? Mivel az USB kábelek is ki vannak téve az összes olyan környezeti problémának, mint bármelyik más összekötő vagy akár phono-kábel, emiatt megépítésük, kialakításuk során is ekként kell rájuk tekinteni. A jobb minőségű komponensekhez hasonlóan a kábelek sem képesek javítani az általuk továbbított jel minőségén, egyetlen esélyük csupán az, hogy minél kevesebbet ártsanak: csökkentsék a rajtuk keresztül a rendszerbe érkező zajt és torzítást, és ezáltal nyújtsanak jobb minőséget.
Az AudioQuest a „Do No Harm!” (ne ártsunk) elv mentén fejleszt, a kábelek pedig a tervezés és a gyártás során négy alapvető fundamentumra, a „Négy Alapelem”-re épülnek: tömör vezetők, irányítottság, zaj disszipáció, fémminőség. Az audio kábelek torzítás és zaj csökkentő képességeit és ezáltal az általuk képviselt minőséget végső soron az határozza meg, hogy tervezőik a rendelkezésre álló anyagok és gyártástechnológiai eljárások közül melyek mellett teszik le a voksot, mert az anyagválasztás és a geometriai felépítés befolyásolja a belső és külső zajokkal szembeni viselkedést.
A feladat első látásra nem bonyolult: minimalizálni kell a veszteséget és meg kell őrizni a jel hullámformáját. Ehhez elsősorban az USB kábelen belül el kell különíteni a zajos 5V táp és a jelvezetékeket. Ha ez nem történik meg, az zajt eredményez, ami miatt a hangminőség csorbát szenved. A sztatikus töltések miatti kölcsönhatás is okozhat zajt (ez egy más típusú, úgynevezett triboelektromos zaj), amitől a jel hullámformája durvább lesz, ez a durvaság pedig időzítési hibát, hibákat, a korábban már említett jitter-t okoz.
A jel egységének megőrzésére az egyik hatékony választ a kapacitív és induktív reaktancia (meddő ellenállás) csökkentése jelenti. A skin hatás is jelentkezik és problémákat okozhat, de a vezetők keresztmetszetének megfelelő megválasztásával és az alkalmazott geometriával hatása ellensúlyozható.
Manchesteri kódolás magyarázata
A Kábel Paraméterei és Jitter Kialakulása
Az USB-kábelek az analóg kábelekhez hasonlóan elektromos jeleket továbbítanak, de sokkal magasabb frekvencián. Mint minden elektromos vezeték esetében, az átvitt jel integritása az induktivitás (L), a kapacitás (C), az impedancia/ellenállás (R) és az áthallás alapvető elektromos paramétereitől függ. A kábeltervezés során alapvető feladat, hogy megvédjük a jelet az L, C, R és az áthallás káros hatásaitól, minimalizáljuk azokat.
Melyek ezek a káros hatások?
Az induktivitás hatására örvényáramok keletkeznek, amelyek a jel áramlásával ellentétes irányba próbálják tolni a feszültséget.
A kapacitás miatt a jel terjedése közben az energia egy része kiszabadul a vezetőből, és rövid időre a szomszédos anyagban, a dielektrikumban tárolódik, majd később visszadisszipálódik a vezetőbe.
Az impedancia/ellenállás miatt a feszültség a vezető adott hosszán a keresztmetszettel fordított arányban csökken.
Az áthallás pedig nem más, mint energiamozgás az egyik vezetőről a szomszédos vezetőre.
Mind a négy jelenség jitter-t okoz, ezért foglalkozni kell vele. Az USB szabvány útmutatást ad az impedanciára és az áthallásra vonatkozóan, de az induktivitást és a kapacitást teljesen figyelmen kívül hagyja. Az analóg területen tapasztaltakhoz hasonlóan tehát a mikrofónia, az örvényáramok, a dielektromos veszteségek, a rádiófrekvenciás interferencia és az impedancia mind szerepet játszanak az optimális kábeltervezés során.
AudioQuest Megközelítés a Zaj és Torzítás Minimalizálására
Az AudioQuest USB kábelei az összes bevált technológiájukat felvonultatják a zaj és a torzítás minimalizálására: egyre jobb minőségű tömör vezetőanyagok, egyre jobb/fejlettebb geometria, egyre jobb dielektrikum/szigetelés, aktív dielektromos rendszer (DBS), zaj disszipáció (NDS), irányvezérelt vezetők állnak rendelkezésre és még egy sor további egyéb, az egyes konkrét alkalmazások optimalizálásához szükséges összetevő, amelyek együttesen a lehető legkisebbre csökkentik a negatív hatásokat. A gondos tervezésnek köszönhetően olyan USB kábelek születtek, amelyekkel bárki azonnal hallhatja a hangminőség javulását: megnövekedett dinamika, alacsonyabb torzítás, ennek köszönhetően pedig pontosabb, tisztább hangzás, több zene.
tags: #adatkodolas #a #rendszer #a #manchester
