เข้าสู่ Digital Audio กับ SPDIF

เป็นเวลากว่า 30 ปีมาแล้วที่เทคโนโลยีของอุปกรณ์ด้านออดิโอได้ก้าวย่างจากระบบแอนะลอก เข้าสู่ระบบดิจิตอล จากเครื่องเล่นเทปแคะเซ็ทแอนะลอก(Cassette) สู่เครื่องเล่นแคะเซ็ทดิจิตอล(Digital Audio Tape) จากเครื่องเล่นแผ่นเสียงไปสู่ คอมแพคท์ดิสก์(Compact disc) จนกระทั้งในปัจจุบันเข้าสู่ ยุคที่คอมพิวเตอร์เข้ามามีบทบาทกับระบบเสียงอย่างมากโดยคอมพิวเตอร์ทุก เครื่องจะต้องมีซาวการ์ดที่มีหน้าที่ในการประมวลสัญญาณออดิโอทั้งสิ้น
อันจะกล่าวได้ว่าอุปกรณ์เครื่องเล่นเสียงดิจิตอลที่กล่าวมาทั้งหมดข้าง ต้นจำต้องมีส่วนประกอบที่สำคัญที่มีผลกับเสียงมากๆ ก็คือส่วนที่เรียกว่าตัวแปลงดิจิตอลเป็นแอนะลอก(Digital to Analog Converter) ซึ่งส่วนใหญ่ อยู่ในรูปของไอซีชิฟ ซึ่งแต่ละผู้ผลิตชิฟก็ใช้เทคโนโลยีในการแปลงดิจิตอลเป็นแอนะลอกที่ต่างกัน เช่น แบบหลายบิท(Muitibit Converters) แบบ 1 บิท และแบบ ซิกม่า-เดลต้ามอดูเลชัน(Sigma-Delta Modulation) และด้วยเทคโนโลยีที่ต่างกันก็จะให้เสียงที่ต่างกันไปด้วย

รูปที่ 1 องค์ประกอบของระบบเสียง
รูปที่ 1 เป็นองค์ประกอบของระบบเสียงโดยทั่วไป โดยเริ่มจากแหล่งกำเนิดสัญญาณ ซึ่งในปัจจุบันนี้ก็คือเครื่องเล่นซีดี หรือดีวีดี จากนั้นส่งสัญญาณอะนาล็อคไปยังปรีแอมป์ และเพื่อปรับระดับสัญญาณให้เหมาะสม เพื่อส่งให้เพาว์เวอร์แอมป์ ขยายสัญญาณเสียงออกลำโพงต่อไป
จากบล็อกไดอะแกรมของระบบเสียงคุณภาพที่ได้ จะขึ้นอยู่กับแต่ละส่วน ถ้าแหล่งกำเนิดสัญญาณมีความผิดเพี้ยนของสัญญาณ สัญญาณที่ผิดเพี้ยนนั้นก็จะถูกขยายออกลำโพงไปด้วย ซึ่งจะเห็นว่า แหล่งกำเนิดสัญญาณ ค่อนข้างจะมีความสำคัญอย่างมาก เพราะถึงแปรีแอมป์จะไม่มีความผิดเพี้ยนเลย แต่ถ้าแหล่งกำเนิดผิดเพี้ยน ทั้งระบบก็จะผิดเพี้ยนไปหมด ดังนั้น ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะแหล่งกำเนิดสัญญาณเท่านั้น

รูปที่ 2 แหล่งกำเนิดสัญญาณดิจิตอล(เครื่องเล่นซีดี)

แหล่งกำเนิดสัญญาณในที่นี้ส่วนใหญ่เป็นเครื่องเล่นซีดี หรือเครื่องเล่นดีวีดี คุณภาพของเสียงจึงขึ้นอยู่กับคุณภาพของแต่ละส่วนของเครื่องนั้น

รูปที่ 3 บล๊อคไดอะแกรมของเครื่องเล่นซีดี

บล๊อคไดอะแกรมของเครื่องเล่นซีดี จะประกอบด้วยด้วยภาคขับเคลื่อนแผ่น ซึ่งจะถูกควบคุมด้วยภาคควบคุมการหมุนแผ่นและการอ่านแผ่น สัญญาณดิจิตอลที่ได้จากการอ่านแผ่น จะถูกส่งไปยังภาคดีทูเอ(Digital to Analog Converter)ทำการแปลงสัญญาณดิจิตอลไปเป็นสัญญาณอนาลอกที่มีความถี่สุ่มออกมา ด้วย ซึ้งความถี่ซุ่มนี้เป็นสิ่งที่ต้องกำจัดออกไปโดยวงกรองความถี่ต่ำ(LowPass Filter) ซึ่งสัญญาณที่ผ่านวงจรกรองนี้แล้วจะเป็นสัญญาณอนาลอกที่เราต้องการ จากนั้น สัญญาณที่ได้เข้าสู่วงจรลายสเตรดแอมป์เพื่อขยายระดับสัญญาณ และแมชชิ่งอิมพิแดนซ์ให้เหมาะสมกับการนำไปต่อกับอุปกรณ์ที่จะนำไปต่อด้วย เช่น ปรีแอมป์, อินทีเก-รทแอมป์ต่อไป

รูปที่ 4 บล๊อคไดอะแกรมของเครื่องเล่นซีดีแบบแยกชิ้น(Transport&DAC)

ต่อมาได้มีการนำเสนอเครื่องเล่นซีดีแบบแยกชิ้นโดยการแยกภาคขับเคลื่อนและ ควบคุมออกมาเป็นอิสระและปล่อยสัญญาณดิจิตอลออกมาในรูปของ SPDIF(Sony Philips Digital Interface) ที่ถูกคิดค้น และออกแบบโดยการร่วมมือกันระหว่าง บริษัทโซนี่กับบริษัท ฟิลลิปส์ ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อข้อมูลที่มีประสิทธิภาพในการส่งข้อมูลดิจิตอล จากเอาต์พุตไปยังผู้ใช้ปลายทางได้

รูปที่ 5 เครื่องเล่นซีดีแบบแยกชิ้น(Transport&DAC) ของ Accuphase

การเชื่อมต่อข้อมูลของ SPDIF ภายใต้ข้อกำหนดของ AES/EBU ซึ่งเป็นมาตรฐาน ที่ถูกกำหนดโดยสมาคมนักวิศวกรรมเครื่องเสียง (Audio Engineering Society (ASE)) กับ สห-ภาพการกระจายเสียงของยุโรป (European Broadcasting Union (EBU)) ที่กล่าวถึง รูปแบบของข้อมูลเสียงดิจิตอล, การเข้ารหัสสัญญาณ, สัญญาณนาฬิกา, บิตควบคุม, การแก้ไข ข้อผิดพลาด, โครงสร้างบล็อกข้อมูล และการเชื่อมต่อสัญญาณแบบต่างๆ

รูปที่ 6 ขั้วต่อข้อมูลแบบ SPDIF ทั้งแบบ Coaxial (75 ) และ แบบ Toslink (Optical)

สัญญาณนี้จะถูกส่งตามสายไปยังเครื่องดีทูเอ(Digital to Analog Converter)ทำการแปลงสัญญาณดิจิตอลไปเป็นสัญญาณอนาลอกที่สามารถนำไปต่อใช้กับ ปรีแอมป์, และ อินทีเกรทแอมป์ได้เลยซึ่งโดยส่วนใหญ่ ให้คุณภาพเสียงที่ดีกว่าเครื่องเล่น CD โดยทั่วไป แต่ราคาก็ค่อน
ข้างสูงตามไปด้วย ต่อมาเมื่อมาตรฐาน SPDIF เริ่มเป็นที่ยอมรับและแพร่หลายมากขึ้นได้มีผู้ผลิตหลายรายได้ติดตั้งช่อง ปล่อยสัญญาณ SPDIF นี้กับเครื่องเล่น CD ของตนทำให้ เครื่อง CD เหล่านี้สามาอับเกรตคุณภาพเสียงโดยการหา ดีทูเอ มาต่อเข้าไปในระบบได้ ซึ่งเครื่อง ดีทูเอที่มีชื่อเสียงในอดีตและราคาไม่สูงเกินไปก็เช่น DAC IN THE BOX ของ Audio Alchemy , MSB LinkDAC ของ MSB Technology เป็นต้น

รูปที่ 7 เครื่องดีทูเอ(Digital to Analog Converter)ของ Audio Alchemy

และก็มาถึงยุคของเครื่องเล่น ดีวีดีเป็นเครื่องที่เล่นได้ทั้งภาพและเสียง โดยมีช่อง SPDIF เป็น มาตรฐานที่มากับตัวเครื่อง ซึ่งถือว่าเป็นเครื่องที่คุ้มค่ามากในยุคนี้ แต่เนื่องจากเป็นตลาดที่ใหญ่มาก ภาวะการณ์แข่งขันจึงสูงมาก ทำให้ราคาเครื่องถูกลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งคุณภาพของภาพ ของเครื่องเล่นดีวีดีนั้นถือว่าดีมาก แต่คุณภาพของเสียงยังสู้เครื่องเล่น ซีดี ไม่ได้ เนื่องจากเหตุผลทางต้นทุนสินค้า จึงทำให้ผู้ผลิตต้องลดคุณภาพของสินค้าลงมา การที่จะหาเครื่องเล่น ดีวีดี ที่มีคุณภาพที่ดีทั้งภาพและเสียง จึงเป็นไปได้ยาก แม้จะมี ก็ราคาสูงตามไปด้วย ดั้งนั้น หากหาเครื่องดีวีดีที่มีคุณภาพ ภาพที่ดีโครงสร้างดีมาต่อกับ ดีทูเอ จึงเป็นหนทางออกที่ดี อีกทางหนึ่งที่จะได้ทั้งคุณภาพของภาพและเสียงที่ดีอีกด้วย

ดีทูเอ

หลักการทำงานของ ดีทูเอ(DAC)คือ จะทำการรับสัญญาณดิจิตอลที่อยู่ในรูปแบบของ Sony Philips Digital Interface (SPDIF) จากเครื่องเล่น CD หรือ DVD ที่มีความถี่สุ่ม ตั้งแต่ 44.1 kHz ถึง 192kHz. เข้ามาถอดรหัสโดยใช้ไอซีเบอร์ CS84XX ทำการถอดรหัสแล้วส่งสัญญาณไปยังวงจรแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาลอก ( Digital to Analog Converter , DAC ) ขนาด 16-24 บิต แล้วผ่านวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (Active Analog Filter Low Pass) จากนั้นส่งไปยังวงจรลายสเตรจ (Line Stage) แล้วทำการส่งออกภาคเอาท์พุตเพื่อทำการขยายต่อไป

รูปที่ 8 บล๊อคไดอะแกรมของเครื่องดีทูเอ

จากบล๊อคไดอะแกรมของเครื่องดีทูเอ โดยรับสัญญาณ SPDIF ซึ้งเป็นข้อมูล Digital Audio เป็นข้อมูลเสียงดิจิตอล, การเข้ารหัสสัญญาณซ้ายขวา, สัญญาณนาฬิกา, บิตควบคุม, บิตการแก้ไข ข้อผิดพลาด, โครงสร้างข้อมูลนี้ถูกรวมกันมาในสายเส้นเดียวกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ไอซีทำการถอดรหัสข้อมูลหรือทำการแยกข้อมูลทาง เสียงออกมาเสียก่อนซึ้งไอซีที่ใช้เรียกว่า Digital Audio Interface Receiver ซึ้งเป็น ไอซี ที่ถูกใช้อย่างแพร่หลายมานาน ของบริษัท Crystal ตระกูล CS84xx เช่น CS8412 (16bit/48kHz) , CS8414 (24bit/96kHz) , CS8415 (24bit/96kHz) , CS8416 (24bit/192kHz.)โดยค่าในวงเล็บคือค่าความละเอียดเป็น บิตและความถี่สุ่ม ที่ไอซีสามารถถอดรหัสออกมาเป็นสัญญาณการเชื่อมต่อ 4 สัญญาณด้วยกันเรียกรูปแบบสัญญาณแบบนี้ว่า การเชื่อมต่อสัญญาณเสียงดิจิตอลแบบอนุกรม (Audio Serial Data Interface) เพื่อส่งให้ ดีทูเอ ทำการแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อกแล้วผ่านวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (Active Analog Filter Low Pass) เพื่อกำจัด ความถี่แซมปริงเรท(Fs)และความถี่ที่สูงกว่าความถี่ออดิโอที่ไม่ต้องการออกไป จากนั้นส่งไปยังวงจรลายสเตรจ (Line Stage) เพื่อปรับปรุงคุณภาพหรือบัฟเฟอร์สัญญาณก่อน แล้วจึงทำการส่งออกทางเอาท์พุตเพื่อทำการขยายต่อไป

Audio Serial Data

รูปที่9 การต่อสัญญาณ Audio Serial Data กับ ดีทูเอ

สัญญาณ Audio Serial Data ที่ถอดจากไอซี Digital Audio Interface Receiver จะเป็นสัญญาณสี่เส้นดังนี้

SCLK ( Serial Audio Output Bit Clock) สัญญาณนาฬิกา ของข้อมูลเสียงดิจิตอลโดยจะมีความถี่ของสัญญาณนาฬิกาเท่ากับ 64 เท่าของความถี่สุ่ม
LRCK ( Serial Audio Output Left/Right Clock ) สัญญาณนาฬิกาที่ใช้ระบุ ข้อมูลเสียงดิจิตอลว่าเป็น frame ซ้าย หรือ ขวา โดยจะมีความถี่ของสัญญาณนาฬิกาเท่ากับความถี่สุ่ม
SDOUT (Serial Audio Output Data ) เป็นข้อมูลสัญญาณเสียงดิจิตอลแบบอนุกรม
MCLK (Recovered Master Clock) สัญญาณนาฬิกาที่ใช้ในการทำตัวกรองดิจิตอลอินเตอร์โพเลเตอร์และซิกม่า-เดลต้า มอดูเลเตอร์ ซึ่งจะเป็นสัญญาณนาฬิกาที่มีความถี่ เท่ากับ 128 เท่าของความถี่สุ่ม หรือ 256 เท่าของความถี่สุ่ม

Audio Serial Data Format

รูปแบบ ข้อมูลสัญญาณเสียงดิจิตอลแบบอนุกรมมีอยู่ด้วยกันหลายรูปแบบแต่สามารถแบบได้ตามลักษณะในการส่งข้อมูลได้ 4 แบบใหญ่ๆด้วยกันคือ
Left Justified,up to 24-bit data (MSB ชิดซ้าย)
I2S ,up to 24-bit data
Right Justified, 24-bit data (MSB ชิดขวา)
AES3 Direct (เพิ่มข้อมูลบิท V,U,C,P)

รูปทึ่ 10 แสดงสัญญาณ Audio Serial Data Format

สำหรับการเลือกใช้รูปแบบข้อมูลสัญญาณเสียงดิจิตอลแบบอนุกรมนี้จะขึ้นอยู่ กับชิบ DAC ของแต่ละ บริษัทว่ารองรับรูปแบบไหนชิบรุ่นเล็กอาจจะรองรับรูปแบบเดียวแต่ถ้าเป็นรุ่น ใหญ่จะรองรับแทบจะทุกรูปแบบ ซึ่งจะต้องตั้งรูปแบบข้อมูลสัญญาณเสียงดิจิตอลแบบอนุกรมนี้ให้ตรงกันทั้งตัว รับ(DAC)และตัวส่ง(Digital Audio Interface Receiver) เช่น

Crystal เบอร์ CS4344 รองรับโหมด I2S ,up to 24-bit data โหมดเดียว
Crystal เบอร์ CS4340 รองรับทุกโหมดยกเว้น AES3
BURR-BROWN เบอร์ PCM1730 รองรับทุกโหมดยกเว้น AES3
Philips เบอร์ TDA1543 รองรับโหมด I2S 16-bit data โหมดเดียว
Philips เบอร์ TDA1541 รองรับโหมด I2S 16-bit data โหมดเดียว

แม้ SPDIF จะมีการใช้งานมานานแล้วแต่ก็ยังไม่ค่อยมีใครกล่าวถึงหรือลงลึกถึงรายละเอียด ของมันมาก ในครั้งต่อไปเราจะลงลึก SPDIF จนถึงเชื่อมต่อสัญญาณเสียงดิจิตอลแบบอนุกรม และการใช้งานไอซีถอดรหัสเบอร์ CS8416 กับไอซี ดีทูเอ เพื่อทำเครื่องดีทูเอ(DAC) ที่มีคุณภาพขึ้นใช้เองได้
ต่อจากนี้ไปความรู้ด้านดิจิตอลออดิโอจะไม่ใช้เรื่องยากและจำกัดในวงแคบอีกต่อไป