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1、S/PDIF 资料S/PDIF 简介S/PDIF，全名为 Sony/Philips Digital Interconnect Format，是 Sony 和 Philips 这两大巨头在 80 年代为一般家用器材所定制出来的一种数字讯号传输接口，基本上是以 AES/EBU(也称为 AES3)专业用数字接口为参考然后做了一些小变动而成的家用版本，可以使用成本比较低的硬件来实现数字讯号传输。为了定制一个统一的接口规格，在现今以 IEC 60958 标准规范来囊括取代 AES/EBU 与 S/PDIF 规范，而 IEC 60958 定义了三种主要型态： IEC 60958 TYPE 1 Balanc
2、ed 三线式传输，使用 110 Ohm 阻抗的线材以及XLR 接头，使用于专业场合。 IEC 60958 TYPE 2 Unbalanced 使用 75 Ohm 阻抗的铜轴线以及 RCA 接头，使用于一般家用场合。 IEC 60958 TYPE 2 Optical 使用光纤传输以及 F05 光纤接头，也是使用于一般家用场合事实上，IEC 60958 有时会简称为 IEC958，而 IEC 60958 TYPE 1 即为 AES/EBU(或着称为 AES3)界面，而 IEC 60958 TYPE 2 即为 S/PDIF 接口，而虽然在 IEC 60958 TYPE 2 的接头规范里是使用 RCA
3、 或着光纤接头，不过近年来一些使用 S/PDIF 的专业器材改用 BNC 接头搭配上 75 Ohm 的同轴线以得到比较好的传输质量，下表为 AES/EBU 与 S/PDIF 的比较表。IEC958 使用的编码方法IEC958 在传输数据时使用双向双相符号编码(Biphase Mark Code)，简称 BMC，属于一种相位调制(phase modulation)的编码方法，是将时钟讯号和数据讯号混合在一起传输的编码方法。其原理是使用一个两倍于传输位率(Bit Rate)的时钟频率做为基准，把原本一个位数据拆成两部份，当数据为 1 的时后在其时钟周期内转变一次电位(0-1 或1-0)让资料变成两
4、个不同电位的资料，变成 10 或 01，而当资料为 0 时则不转变电位，变成 11 或 00。同时每一个位开头的电平与前一个位结尾电平要不同，这样接收端才能判别每一个位的边界。使用 BMC 编码可以让传输端与接收端只需一条数据线就可以将数据正确的传送与接收，并且在收送两端可以保持比较好的同步性，这是由于 BMC 格式的电位极性一定会在两个位周期之间变换，这样接收端可以不用理会实际接收到的电为是 0 或 1，只需判别与上一个电平的极性是相同或相反即可。此外，BMC 编码可以让传输线保持在接近零的平均直流电位，除了可以降低传输需要耗费的功率之外，也可以降低实体电磁干扰，让数据正确性更高。IEC95
5、8 通讯协议架构S/PDIF 与 AES/EBU 主要是做为传递 PCM 格式讯号之用，例如 48kHz 的 DAT 以及 44.1kHz 的 CD，不过现今也有用来传递压缩过的多声道讯号。标准传递两声道讯号的架构如上图所示，最上面为由 192 个框架(Frame)构成的区块(Block)。而每个 Frame 储存了两个声道的一组取样讯号(Sample)，分为 Channel A 与 Channel B 两个声道。而每组 Sample 由一个子框架(Sub Frame)构成，也就是一个 Frame 里有两个 Sub Frame。Sub Frame 的数据长度为 32 Bits，里头内含了头码(
6、Preamble)、辅助数据(Aux. Data)、音讯数据(Audio Data)、以及四个位的信息与检查码。也就是说，一个 Sub Frame 为 32 Bits，也就 4 Bytes，而一个 Frame 为 8 Bytes，而一个 Block 为 192 x 8 = 1536 Bytes，而每个 Block 总共可以传递 192 个双声道 Sample。子框架(Sub Frame)细部解说要了解 IEC958 的数据结构了话，我们有必要要先了解子框架(Sub Frame)的详细结构，一个 Sub Frame 如上图所示区分成好几个部份，我们先一一表列如下：位置区块名称功能说明0-3头码用
7、来表示一个 Sub Frame 的开头，有三种型态，分别表(Preamble)示该 Sub Frame 为 Channel A、Channel B 或着是一个 Block的起始 Sub Frame(为 Channel A)。4-7辅助数据原始此区块的设计是用来传递一些使用者自行添加的信(Aux. Data)息，不过目前比较常见的用途是当音讯数据超过 20Bit取样时，这四个 Bit 用来储存多出的取样 Bit，比如说当要传送 24Bit 取样的数据时，用来存放末四个 Bit 的音讯数据。8-27音讯数据存放实际的取样数据，长度为 20 Bit，以 LSB 优先的方(Audio Data)式传送
8、，当取样低于 20 Bit 时，没有用到的 LSB Bits要设定为零，举例来说，当我们要传送 16 Bit 的数据时，只会用到 12-27 Bit 的位置(LSB 在 12 Bit)，而 8-11 Bit为零。28有效位此位设定了这一个 Sub Frame 内的数据是不是正确，如(Validity果设定为 0，代表此 Sub Frame 内的数据是正确可被接收Bit)的，反之如果此 Bit 为 1，则代表接收端应该忽略此组Sub Frame。比如说 CD 转盘读取 CD 数据时若是有某一个Sample 读不到就会将代表该组 Sample 的 Sub Frame 中的有效位设为 1。29使用者
9、位此位为使用者自行定义的位，每组 Sample 传送一位，直(User Bit)到 192 组 Sample 传完后组成成 192 位的信息，两声道各自有一组 192 位的使用者信息。30信道状态位此位与使用者位一样，每组 Sample 传送一位，最后组成(Channel两声道各自一组 192位的信道状态信息 (ChannelStatus Bit)Status) 。 这 个 192位 信 道 状 态 信 息 分 为 专 业(Professional) 与一般家用 (Consumer) 两种不同的结构，以第一个位决定，设为 1 的时后为 Professional 模式，设为 0 的时后为 Con
10、sumer 模式。31同位检查位同位检查是用来判别是否有奇数个位是发生错误，是一(Parity Bit)种简便错误检查方法，这边是使用偶位同位检查(EvenParity Check)。子框架内的头码(Preamble)定义如前文所述，头码(Preamble)是用来表示一个 Sub Frame 的开头，主要有 X、Y、Z 三种组态代表不同的意义，X 代表此时是传送 A 通道的 Sub Frame、Y 代表是传此时是传送 B 通道、而 Z 比较特别，是代表此时是传送 A 通道，并且是一个 Block 的起始 Sub Frame。而在上头的表格里的数据数值是 Sub Frame 中其它的数据经过 B
11、MC 编码之后再加到整个 Sub Frame 前头的数据数值，所以总共是八码，代表四个位的时序。此外比较特别的是除了有 X、Y、Z 三种组态之外，上面的表格还列出了另外一组与原本数据向位相反的数值，要使用哪一组数值是依照前一组 Sub Frame 中最尾端的电平而定，当前一组 Sub Frame 为最尾端的电平 0 时用左边那一列数值，为 1 的时后用右边那一列，这样一样接收端才能正确处理。再来是 Preamble 比较特别的地方，我们若是观察上图的波型，可以发现每个 Preamble 组态都有两处是不符合 BMC 规范中每一个位开头的电平与前一个位结尾电平要不同的定义，尤其是一开头的 000
12、 或 111 就不符合 BMC 编码的定义了。这样子的设计是用来让接收端很清楚的得知每个 Sub Frame 的起始点，只需简单的检查数据中不符合 BMC 编码定义的位置就可以了。信道状态(Channel Status)的结构如前文所述，每组 Sub Frame 中有一位的信道状态位，在一个 Block 有 192 组 Frame，可以构成 192 位的信道状态结构(Channel Status Structure)，而两声道各自有一组 192 位的使用者信息。这这个 192 位的信道状态结构主要有两种不同的结构，由第一个位来决定，当第一个位为 0 时代表一般家用(Consumer)结构，第一
13、个位为 1 时代表专业用(Professional)结构，分别为下面这两张结构图表。而实际使用上，上面这两个图表只能当做参考使用，因为信道状态结构有许多种不同的版本，到目前为止世面上许多不同器材所遵循的版本也不尽相同，甚至有一些器材会忽略不处理信道状态，举例来说，有许多器材并不会处理一般家用版本中关于内容保护的信息或是取样频率的信息.等等。所以本文并不打算一一介绍通道状态里的详细定义，有兴趣的朋友可以自行参考 IEC60958、AES3.等技术文件。结语S/PDIF，或着称为 IEC958、IEC 60958、AES/EBU、AES3、TC84.等等名称，是一个在数字音频讯号早期就发展出来的一
14、个传输接口与协议，从硬件接口规范至通讯协议皆有其规范在，不过由于时代变化迅速，为了因应各种新的需求所以也产生出许许多多不同的标准，甚至在同一个标准里也有不同的版本。不过大体上各种不同的标准与版本中都保留了彼此之间的兼容性，而对于整个区块(Block)、框架(Frame)、子框架(Sub Frame)的定义都相同，不同之处在于对于硬件接口上以及额外的信道信息上的定义不同，并不影响实际音乐数字数据的传递。本文介绍了 S/PDIF 的整体架构、编码方式以及各个结构的定义，由于 S/PDIF 在现今已经是一个最广泛使用的数字音乐数据接口，所以值得对数字音响器材有兴趣的朋友们去好好了解一下，希望本篇文章能让朋友们对于 S/PDIF 有进一步的认识。