はじめに

前に、測定器の校正に使う超正確なDACにCD-ROMから取出したWaveデータを再生して遊びました。パソコンの光端子からの信号フォーマットが分らなかったため、DACに合わせたWaveデータを直接DACのバッファに送りました。パソコンのオーディオ規格をみると、AC'97よりはマシだろうけど、HD Audioコーデックが、内部のミキサーなどでWaveデータを変えていそうなので。Waveデータを直接、一般的オーディオ端子で使われているS/PDIFに正確に乗せることが出来たら、普通のCDプレイヤーで再生したのと変わらなくなるのではと、期待はしています。

全体の流れとしては、パソコンのWaveデータをS/PDIFで出力するおもちゃと、本当にパソコンの光端子からのデータは、どこがおかしくなっているのかを検証しようかと思います。とりあえず、今回はその一環としてS/PDIFについて調べたことを書きます。例の如く、間違いも多いだろうと思え鵜呑みにせず『IEC 60958-3』の原書を参照してください。なにぶん、原書を買う気になれなかったので。書籍や色々なところの知識を総合して載せました。

S/PDIFの仕様書

信号フォーマットを調べていったところ、国際電気標準会議で決まっている事がわかりました。「S/PDIF」は、「Sony/Phillips Digital Interface」の頭文字だそうです。 『IEC 60958-3』に、民製と業務用のCDプレイヤー等から出力される信号の規格が定められています。厳密には、S/PDIFのプロトコルが記載されています。

また、DVDプレイヤーなどについている光出力も同じ規格だと思ったのですが、AC-3やDTSなど、圧縮音声データは『S/PDIF Codec Audio』として、別の『IEC 61937』に定められているそうです。

信号フォーマット

まず、全体で見るとFrameが192個で1ブロックとなります。1つのFrameの時間は、サンプリング周波数と同じ時間です。つまり1フレームが、44.1kHzの時、約22.68μsとなります。一区切り全部で、4.35msの時間がかかります。最初に信号を受信してから、4.35ms後までは、受信機は何のデータを送られているのかが分りません。DACが正確な信号を再生するには、8.7msの時間がかかることになります。つまり、受信信号が安定するまで10msぐらいはデータを捨てなければ、いけません。(Audio信号のヘッダについて見ていない場合は関係ありません。)

1つのFrameには、Sub Frameが2つあります。CDなどからの信号では、左音声と右音声の各1サンプルが入っています。これで、同時にLとRの音を出すことができます。

Sub Frameは、プリアンプル(4bit)、予備(4bit)、オーディオデータ(20bit)、制御信号(4bit)の、合計32bitとなります。FrameはSub Frameが2つあるので64bitとなります。

ブロックはFrameが順番に192個集まっり、制御信号として192bit持ちます。

S/PDIFのbit配列ルール(BMCエンコード)

光端子からの赤い光を見たことがある人もいるかもしれません。音量を出してないのになぜ光っているのか疑問になったことはありませんか？そのわけが分ります。

S/PDIFでは、1bitを2bitで表すバイフェーズマーク方式を利用しています。BMC(Biphase Marck Code)と言います。BMCでは2bitで1つの意味になり、LやHが2回以上連続してはいけないと言うルールがあります。図の、縦が直前の状態がHigの場合とLowの場合で、横が示す値です。bitがGndレベル(消灯)の時Lowと言いLと表します。bitがHigレベル(点灯)の時Higと良いHと表します。

直前のbitがLの場合、1を示すとき2bit使いHLとなり、0を示すときHHとなります。

直前のbitがHの場合、1を示すとき2bit使いLHとなり、0を示すときLLとなります。

この変換方式によって、LとHを読み替えても(論理が反転しても)1と0を正確に見分けることが出来ます。また、3bit目にはLとHが必ず入れ替わるため、LやHが連続にならず断線やショートの判定も出来るメリットがあります。つまり、消灯しっぱなしになりません。細かく見ると点滅を繰り返し、人間が見ると点灯しっぱなしに見えます。

例では、BMCでの、HL HH LH LLを、NRZに戻したとき、H L H L で値が、1 0 1 0になることを表した波形です。

同期の取り方(Sync Code)

Frameの周期は、44.1kHzや48kHzなど同期しながら混ぜて使うことが出来ません。受信するためには、信号が44.1kHzで来るかその他なのかを判別するか設定して合わせた後、初めて同期を取ることが出来ます。周期を変えるときは、同期を一度外す必要があります。

ブロックの始めにある「Frame」の「SubFrame」は「B」から始まります。つまり、「B」がスタートビットとなっているのです。この、BやMやWの事をSync Code(プリアンプル)と言います。

Sync Codeだけは、BMCエンコードではないのです。ちなみに、BMCっぽく変換すると、Bは0110で、Mは0101で、Wは0110となりますが、BMCのルールを違反をしています。LかHが3回連続しているのです。

受信機は、同期を取るためにまず、3回LかHが繰り返される場所を探します。見つかったら、BかMかWを判定して、信号を変換し始めます。

まじめに作られた受信機は、MかWを見つけたら、Bが出てくるまでまち、Bを発見してから、192個のFrameを受信して、データの内容を確認します。その後データを処理し始めます。適当な受信機は、BかMの時はLeft、WはRightとして、信号の内容を確認せずDACにデータを渡します。

なぜブロックは、Frameが192個なのか

1ブロックは192個のFrameから成り立っています。最初が「B」で始まるFrame#0から順番にFrame#191まで、各Frameに1bitずつデータが入っており、192個集めると一つのデータになるよう決まっています。図はSubFrameの概要です。

図の中のSyncは、前に説明した通りです。最初のBitをb0としてb31まで順番にbitに番号を振ってあります。とりあえず、Audio Sampleは飛ばして、制御信号となる「V,U,C,P」に着目します。

V (Validity)b28

SubFrameのAudioSampleが有効(0：L)か無効(1：H)を表します。CDなどの読み取りエラーなどで、最初からこれ間違っていますから無視してと宣言するためのbit

U (User Data)b29

ユーザーが自由に使用できます。CDプレイヤーに中には、Sub-Qデータ(CDに記録された先頭からの時間情報、曲内での時間情報など）で使われています。CDの中では1/75秒の精度で計られています。

C (Channel Status)b30

AudioSampleデータやFrameに関する、データ情報や著作権情報など色々な情報が載せられています。1ブロックの192bitすべてが使われているわけではなく、先頭から41bitまでの、各bitの意味が決められ使われています。残りの151bitは0でパディングされています。今後の拡張のため取ってあります(昔は30bitしか使われていませんでした)。

P (Even parity)b31

SubFrameのSyncCodeを除く、パリティー(偶数)の計算値が入っています。ここで言うパリティとは、4から31までのbitを足して2で割ったとき、0になるような値をにするためのbitです。計算で偶数になったら正確にデータが送られたと判定するために使います。もし奇数になった場合は、何処かでbitが変わったため、エラーと言うことになります。伝送中のエラー検出用のbit

1ブロックで一つの意味になるのはUとCのbitで、VとPは各SubFrameのエラーについて意味を持ちます。UとCはそれぞれ、Frameに2つあるから384bitづつあるのではないかと、思われると思いますが、一つのFrame内にある2つのSubFrameのUとCは全く同じデータが入っています。(Cについては次回説明します)

AudioSampleについて

最初、SONYの開発者は、業務用の20bitが扱え予備で4bitつけて、24bitのデータを送れるように作りました。現在は24bitのデータを送信する機械もあります。これらの、AudioSampleの量子化量はなどは『C』に書き込まれています。CDプレイヤー専用のDACなどでは「C」ステータスは見ないものもあります。サンプリングのbit数によって、データは右詰で並び、データの開始位置が変わります。

図で見ての通り、16bitの場合、b4～b11に「0」を詰め、LSB(データの先頭)がb12から始まりb27でMSB(データ終端)となります。また、b4～b7までの4bitに、補助情報としてAUXを入れることができます(対応していない場合は受信機に無視されるだけです)。

24bitの場合は、b4からLSBが始まり～b27でMSBとなり、24bitすべてが入ります。

Cコードについて

長いので次回にします。

その他

それにしても、何でS/PDIFの情報がほとんどネットにないのだろうか、みんな専用の石使って信号フォーマットなんて無関心なんだろうか。オーディオから電子回路に興味を抱いた子供たちがちょっとかわいそう、自作のオーディオ作れないじゃん。デジタルはアナログと違ってフォーマットが分らなければ手出しが出来ないのだから。もしかして、特許の絡みなどで非公開なのだろうか。