การเชื่อมต่อข้อมูลแบบ S/PDIF (Sony Phillips Digital Interface)

เมื่อยุคของเสียงแบบดิจิตอลมาถึงในปลายยุค 80  การเชื่อมต่อข้อมูลเสียงดิจิตอล SPDIF และ AES/EBU ที่เป็นไปตาม มาตรฐาน IEC 958  ก็เกิดขึ้นมา ทั้งในรูปแบบ ผู้ผลิต(Professional )และผู้ใช้(Consumer) มาดูกันว่าสายดิจิตอลเส้นเล็ก ๆนี้เก็บซ้อนข้อมูลไว้มากมายเพียงใด

S/PDIF

S/PDIF เป็นการเชื่อมต่อข้อมูลอีกรูปแบบหนึ่ง ซึ่งเป็นมาตรฐานของ AES/EBU และจัดตั้งขึ้น  โดยสมาคมวิศวกรรมเครื่องเสียง (AES: Audio Engineering Society) ร่วมกับสหภาพการกระจายเสียงของยุโรป (EBU: European Broadcasting Union) การเชื่อมต่อข้อมูล S/PDIF ออกแบบโดยบริษัทโซนี่ และ ฟิลลิปส์  ใช้ในการส่งถ่ายข้อมูล หรือเชื่อมต่อข้อมูลแบบดิจิตอลจากแหล่งจ่ายดิจิตอลไปยังอุปกรณ์อื่นๆตามความ ต้องการของผู้บริโภค ซึ่งสามารถทำให้อุปกรณ์สามารถติดต่อสื่อสารกันได้ภายในรูปแบบของสัญญาณ ดิจิตอล ในอดีต การเชื่อมต่อจะใช้สายสัญญาณ 2 เส้นแยกกัน สำหรับสัญญาณข้อมูล และสำหรับสัญญาณนาฬิกา ซึ่ง ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง จะทำให้มีการผิดพลาดทางเวลาเกิดขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพการแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นแอนะลอกนั้นจะมีการผิดพลาดไม่ สมบูรณ์ การเชื่อมต่อข้อมูล S/PDIF จึงใช้สายสัญญาณเพียงเส้นเดียว (single wire interconnect) ในการส่งข้อมูล เพื่อแก้ไขการผิดพลาดทางเวลาที่เกิดกับการเชื่อมต่อที่ใช้สายสัญญาณ 2 เส้นได้ ลักษณะการเชื่อมต่อข้อมูล S/PDIF จะใช้สาย Coaxial 75 Ω ขั้วต่อสัญญาณเป็นแบบ RCA

รูปที่ 1 เครื่อง ดีทูเอที่มีขั้วต่อสัญญาณแบบ COAX(RCA) , AES/EBU และ Toslink(Optical)

สัญญาณ S/PDIF จากเครื่องเล่น CD ไปสู่ DAC จะมีความถี่อัตราชักค่าตัวอย่าง  เท่ากับ 44.1kbps (Kilo bit per seconds) จำนวนการส่งข้อมูลเท่ากับ 24 บิต ของ 1 ช่องสัญญาณ และ 32 บิต ของ 2 ช่องสัญญาณ มีอัตราการถ่ายข้อมูลถึง 2.822 Mbps (Mega – bit per seconds) ได้จาก 1 เฟรม ที่มีค่า 64 บิตคูณกับความถี่ของการชักค่าตัวอย่าง (Fs)

รูปที่ 2 ขั่วต่อและสายดิจิตอลแบบต่างๆ ทั้งแบบผู้ผลิต(Professional )และผู้ใช้(Consumer)

บิต  เฟรม  เฟรมย่อย และ บล็อก

การเชื่อมต่อข้อมูล S/PDIF จะส่งข้อมูลเสียงดิจิตอลไปในสายเส้นเดียว และจัดเตรียมข้อมูลเสียงไว้ 2 ช่องสัญญาณ สำหรับการควบคุมข่าวสาร และสำหรับการตรวจสอบข้อผิดพลาด ข้อมูลข่าวสารจะถูกควบคุมและส่งออกไปเป็น 1 บิต ต่อตัวอย่าง ไปเก็บไว้ในโครงสร้างของ Block ซึ่งจะเรียกว่า เฟรมย่อย (sub-frame) แสดงในรูปที่ 2.2

รูปที่ 3 รูปแบบของ sub-frame

จากรูปที่ 2.2  ภายใน เฟรมย่อย จะมีช่องของข้อมูลอยู่ทั้งหมด 32 บิต โดย 4 บิตแรกตั้งแต่บิตที่ 0 – 3 เป็นบิตเริ่มต้น (Preamble) จะบรรจุ Biphase-code ไว้ภายในส่วนนี้ด้วย ต่อมาบิตที่ 4 – 7 เป็นส่วนของสัญญาณเสริมอื่นๆ (Auxiliary data) และอีก 20 บิตเป็นของสัญญาณเสียง (Audio data) ตั้งแต่ บิตที่ 8 – 27 รวมแล้วส่วนของข้อมูลสัญญาณเสียงมีทั้งหมด 24 บิต จะส่งเป็นบิตที่มีความสำคัญน้อย (LSB) อยู่ในบิตช่วงแรกๆ โดยถ้าตัวอย่างของสัญญาณเสียงมี มากกว่า 20 บิต ก็จะครอบคลุมส่วนของทั้งสัญญาณเสียงและสัญญาณเสริม แต่ถ้าตัวอย่างของสัญญาณเสียงมีน้อยกว่า 20 บิต จะทำให้ส่วนของสัญญาณเสริม สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านอื่นๆ เช่นเดียวกันกับเสียง ส่วนอีก 4 บิตที่เหลือ เป็นบิตที่ใช้ควบคุมสัญญาณข่าวสาร ได้แก่
V (validity) Bit  :  เป็นบิตที่แสดงความถูกต้อง เมื่อเป็น Low จะแสดงว่ามีสัญญาณที่เหมาะสมกับแปลงเป็นสัญญาณแอนะลอก
U (user)       Bit : ช่องสัญญาณ User bit จะว่างไว้ให้แก่ผู้ใช้สำหรับหลายๆจุดประสงค์  ใน block ทั้งหมด
C (channel status) Bit  :  บิตสถานะช่องสัญญาณจะนำข้อมูลที่มีความสำคัญ  เกี่ยวกับข้อมูลเกี่ยวกับเสียง  และการเชื่อมต่อสำหรับการส่งมาด้วย  แต่ละช่องสัญญาณที่เกี่ยวกับเสียงทั้ง  2  ช่องสัญญาณ  มีข้อมูลสถานะช่องสัญญาณของตัวมันเอง  ด้วยโครงสร้างของบล็อก  ที่จะมีการทำซ้ำทุกๆ  192  ตัวอย่าง
P (Parity bit) Bit  :  เป็นบิตที่ใช้ในการตรวจข้อผิดพลาด ภายใน เฟรมย่อยได้ซึ่งทั้ง 32 บิตนี้จะอยู่ใน 1 เฟรมย่อย และ 2 เฟรมย่อย จะเท่ากับ 1 เฟรม ซึ่งใน 1 บล็อก จะมี เฟรม อยู่ทั้งหมด 192 เฟรม โดยจะมีบิตเริ่มต้น (Preamble) เป็นจุดเริ่มต้นของ บล็อก (Block) ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 รูปแบบของ Frame

รูปที่  4  แสดงให้เห็น เฟรมย่อย ที่ต่อเนื่องกัน 2  เฟรมย่อย  จะเรียกว่า  เฟรม  ซึ่งประกอบไปด้วย  ช่องสัญญาณ  A  และ  B  จนถึง  192  เฟรม ก็จะเรียกว่า  บล็อก   จุดเริ่มต้น หรือ Preamble ซึ่งจะชี้จุดเริ่มแรกของ เฟรมย่อย จะมีความแตกต่างในแต่ละช่องสัญญาณของทั้ง 2 ช่องสัญญาณ ด้วยการชี้ลักษณะเฉพาะของจุดเริ่มต้นของบล็อกสถานะช่องสัญญาณ
รูปแบบการเข้ารหัสสัญญาณดิจิตอลจะเข้ารหัสแบบ Biphase-mark-code โดยรูปแบบของสัญญาณ Biphase-mark-code จะแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 การเข้ารหัสของ Biphase-code

จากรูปที่ 5 จะเห็นว่าความถี่ของสัญญาณนาฬิกา (Clock) เข้ามา 2 ครั้งต่อ1บิต เมื่อ data เป็น 1 ก็จะทำให้ Biphase-mark มีการเปลี่ยนสถานะ  เป็น 1 0 เมื่อบิตก่อนหน้านั้นเป็น 0 และจะเปลี่ยนสถานะเป็น 0 1  เมื่อบิตก่อนหน้านั้นเป็น 1  เมื่อ data เป็น 0 Biphase-mark จะเปลี่ยนสถานะ เป็น 1 1 เมื่อบิตก่อนหน้าเป็น 0 และจะเป็น 0 0 เมื่อบิตก่อนหน้าเป็น 1 ซึ่งการเข้ารหัส Biphase-mark นี้จะได้รูปแบบของ Preamble X , Y และ Z ดังรูปที่ 6 และตารางที่ 2.1

 
รูปที่ 6 รูปแบบของ Preamble

ตารางที่ 1 Preamble

	Biphase Patterns	Channal
X	11100010 or 00011101	Ch.A
Y	11100100 or 00011011	Ch.B
Z	11101000 or 00010111	Ch.A & C.S. Block Start

ตารางที่ 1 ได้แสดง Preamble X  และ  Y  ชี้ว่าโครงร่างย่อยประกอบด้วยช่องสัญญาณ  A  และ  B  ตามลำดับ  Preamble  Z  แทนที่ Preamble  X  ทุกๆ  192  เฟรม  เพื่อชี้จุดเริ่มของบล็อกสถานะของช่องสัญญาณ

รูปแบบ การเชื่อมต่อผู้ผลิต(Professional )และผู้ใช้(Consumer)

ตาม มาตรฐาน IEC 958 ได้แบ่งรูปแบบการเชื่อมต่อข้อมูลเสียงดิจิตอลไว้ สองแบบด้วยกันคือ  รูปแบบ ผู้ผลิต(Professional ) สำหรับใช้ใน สตูดิโอบันทึกเสียง สถานีวิทยุ-โทรทัศน์  และผู้ใช้(Consumer) คือผู้ใช้ฟังตามบ้านทั่วไป  ซึ่งมีความแตต่างกันทั้งขั้วต่อ  คือ ผู้ผลิต(Professional )AES/EBUและผู้ใช้(Consumer) SPDIF  โดยดูรูปที่ 2  ประกอบ  , ขนาดสัญญาณ  ,การป้องกันการทำสำเนา , ความละเอียดของจำนวนบิต , บล็อกสถานะช่องสัญญาณ

ตารางที่ 2

	ผู้ผลิต(Professional )AES/EBU	ผู้ใช้(Consumer) SPDIF
สายสัญญาณ	ชีลด์ (SHIELD) 110 โอหม์75  โอหม์  โคแอกเชียล	75  โอหม์  โคแอกเชียล, ไฟเบอร์ออปติก
ขั้วต่อ	3 ขั้ว XLR   ,  BNC	RCA , BNC , TOSLINK
ระดับสัญญาณ	3-10 V	0.5-1v
การทำสำเนา	อนุญาต	ไม่อนุญาต
บล็อกสถานะช่องสัญญาณ	แบบผู้ผลิต	แบบผู้ใช้
จำนวนบิต	24 บิต	20-24 บิต

บล็อกสถานะของช่องสัญญาณ

จากรูปแบบของเฟรมย่อย (Sub-frame)ในรูปที่ 3 จะมีบิตที่ใช้ควบคุมและข้อมูลสำคัญถูกบรรจุอยู่ในบิตสถานะช่องสัญญาณ( C ) โดยข้อมูลนี้จะบ่งบอกสถานะแต่ละช่องสัญญาณคือเป็นช่องสัญญาณ A และ  B โดยในช่องสัญญาณ A จะมี 192 เฟรม เมื่อรวม บิตสถานะช่องสัญญาณ( C ) แล้วจะได้ 192 บิต โดยสามารถจัดเรียงได้  24 ไบต์ให้อยู่ในรูปของบล็อกสถานะช่องสัญญาณตามรูปที่ 7

 
รูปที่ 7 บล็อกสถานะช่องสัญญาณในรูปแบบของผู้ผลิต

บล็อกสถานะของช่องสัญญาณ ในรูปแบบของผู้ผลิต

บล็อกสถานะช่องสัญญาณในรูปแบบของผู้ผลิต ดังรูปที่ 7 โดยมีรายละเอียดของแต่ละไบต์ดังตารางที่ 3-1 และ 3-2

ตารางที่ 3-1 ไบต์ที่ 0 และ 1

ไบต์ที่ 0   เป็นข้อมูลควบคุมพื้นฐาน
บิต 0  ข้อมูลเป็นแบบผู้ผลิตหรือผู้ใช้
บิต 1  ข้อมูลเป็นแบบสัญญาณออดิโอธรรมดาหรือออดิโอพิเศษเช่นสัญญาณออดิโอที่มี่การเข้ารหัส
บิต 2-4 รายละเอียดของการทำ เอมฟิซิซ (Emphasis) สัญญาณออดิโอ
บิต 5-7 รายละเอียดของความถี่ แซมปลิ้ง
ไบต์ที่ 1   เป็นข้อมูลแบบ โมโน หรือ สเตอริโอ
ไบต์ที่  2  ความละเอียดของข้อมูลหรือจำนวนบิตของข้อมูล
ไบต์ที่  4  ข้อมูลความถี่ แซมปลิ้ง อ้างอิง
ไบต์ที่  5  สงวนไว้
ไบต์ที่  6-9, 10-13 ช่องที่ใส่ รหัส ASCII  ที่ใช้ส่งไปกับข้อมูลเสียง
ไบต์ที่  14-23  ดูตามตารางที่ 3-2

ตารางที่ 3-2 ไบต์ที่ 2 ถึง 23

บล็อกสถานะของช่องสัญญาณ ในรูปแบบของผู้ใช้

บล็อกสถานะช่องสัญญาณในรูปแบบของผู้ใช้ ดังรูปที่ 8 โดยมีรายละเอียดของแต่ละไบต์ดังตารางที่ 4-1 และ 4-2

 
รูปที่ 8 บล็อกสถานะช่องสัญญาณในรูปแบบของผู้ใช้

ไบต์ที่ 0   เป็นข้อมูลควบคุมพื้นฐาน
บิต 0  ข้อมูลเป็นแบบผู้ผลิตหรือผู้ใช้
บิต 1  ข้อมูลเป็นแบบสัญญาณออดิโอธรรมดาหรือออดิโอพิเศษเช่นสัญญาณออดิโอที่มี่การเข้ารหัส
บิต 2  ยอมให้ทำสำเนาหรือไม่
บิต 3-5 รายละเอียดของการทำ เอมฟิซิซ (Emphasis) สัญญาณออดิโอ
บิต 6-7 การกำหนดโหมดเพื่อเลื่อกใช้รหัสข้อมูลที่แบ่งเป็นประเภทไว้ในตารางที่ 3-1และ  3-2
ไบต์ที่ 1   เป็นข้อมูลแบบใช้รหัสข้อมูลที่แบ่งเป็นประเภทไว้
ไบต์ที่  2  ความละเอียดของข้อมูลต้นและจำนวนช่องของข้อมูล
ไบต์ที่  3  รายละเอียดของความถี่ แซมปลิ้ง
ไบต์ที่  4-23  สงวนไว้

ตารางที่ 4-1 ไบต์ที่ 2 ถึง 23

ตารางที่ 4-2 ไบต์ที่ 1  ถึง 23

ท้ายนี้ก็หวังเป็นอย่างยิ่งว่าบทความเรื่องการเชื่อมต่อข้อมูลแบบ SPDIF จะเป็นประโยชน์ต่อผู้อ่านได้ไม่มากก็น้อย