SPDIF接口介绍

一、S/PDIF接口规范详解

S/PDIF是sony和philips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，现如今以IEC 60958标准规范来囊括取代AES/EBU与S/PDIF规范，而IEC 60958定义了三种主要形态： 
（1）IEC 60958 TYPE1 Balanced ：三线式传输，使用110欧阻抗的线材及XLR接头，使用于专业场合； 
（2）IEC 60958 TYPE2 Unbalanced：使用75欧阻抗的同轴线以及RCA接头，适用于一般家用场合； 
（3）IEC 60958 TYPE2 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。 
IEC60958有时会简称为IEC958，而IEC 60958 TYPE1即为AES/EBU(也称AES3)接口，而IEC 60958 TYPE2即为S/PDIF接口，虽然在IEC 60958 TYPE2的接头规范里是使用RCA或光纤接头，不过今年来一些使用S/PDIF的专业器材改用BNC接头搭配上75欧的同轴线也可以得到比较好的传输质量，下表为AES/EBU与S/PDIF的比较表： 

二、IEC958使用的编码方法 
IEC958在传输数据时使用双相符号（Biphase Mark Code）编码，简称BMC，属于一种相位调制（phase modulation）的编码方法，是将时钟信号和数据信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的时钟频率做为基准，把原来一位数据拆成两份，当数据为1的时候，在其时钟周期内转变一次电位（0->1或1->0）让数据变成两个不同电位，变成10或01，而当数据为0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结尾电平要不同（Preamble 头4位除外），这样接收端才能判别每一个位的边界，如下图所示。（BMC编码可以让传输线保持在接近0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）。 

AES/EBU与S/PDIF主要是用来传递PCM格式的音频信号，例如48Khz的DAT以及44.1Khz的CD，不过现在也有用来传递压缩过的多声道信号。 
标准传递两声道信号的架构如下图2所示，最上面是由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采样信号（Sample），分为Channel A与Channel B两个声道。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的长度为32bits，里头包含了头码（Preamble）,辅助数据（Aux Data）,音频数据（Audio Data）以及4个位的信息与检查码。一个Sub Frame为32bits，则一个Frame为8Byte，一个block为192x8=1536 Bytes，每个block总共可以传递192个双声道Sample。 
 
子框架（Sub Frame）的结构以及每个部分代表的意义如下： 
 
0-3 头码(Preamble) ： 用来表示一个Sub Frame的开头，有三种型态，分别表示该Sub Frame为Channel A、Channel B或者是一个Block的起始Sub Frame(为Channel A)。 
4-7 辅助数据(Aux. Data) ： 原始此区块的设计是用来传递一些使用者自行添加的信息，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 音频数据(Audio Data) ： 存放实际的取样数据，长度为20 Bit，以LSB优先的方式传送，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(Validity Bit)：此位设定了这一个Sub Frame内的数据是不是正确，如果设定为0，代表此Sub Frame内的数据是正确可被接收的，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 使用者位(User Bit) ： 此位为使用者自行定义的位，每组Sample传送一位，直到192组Sample传完后组成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(Channel Status Bit) ： 此位与使用者位一样，每组Sample传送一位，最后组成两声道各自一组192位的信道状态信息(Channel 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Consumer模式。 
31 同位检查位(Parity Bit) ： 同位检查是用来判别是否有奇数个位是发生错误，是一种简便错误检查方法，这边是使用偶位同位检查(Even Parity Check)。

四、子框架内的头码（Preamble）定义 
头码是用来表示一个Sub Frame的开头，主要有B,M,W（或Z,X,Y）三种组态，各代表不同的意义。M代表此时传送的是A通道（左声道），W代表此时传输的是B通道（右声道），而B比较特殊，代表此时传送的是A通道，并且是一个Block的起始Sub Frame。 

在上头的表格里的数据数值是Sub Frame中其它的数据经过BMC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，这样接收端才能正确处理。 
 
在一个区块(Block)中，Preamble为Z组态时代表一个区块的起始点，如下图所示。 

五、数据处理 
由于SPDIF传输的是音频数据，速率很低，一般都是K级别的。为了从BMC编码后的数据恢复出音频数据，我们可以用一个较高频率的时钟（比如100M）去采样SPDIF接口上输入的信号。得到其沿变化的最小时间间隔（N个时钟周期）。这样在每个沿变化后或者计时到时间间隔N后， 重新清零计数器开始计时到N-1时采样一位 数据。用一个8位的移位寄存器，去连续接收数据，再根据子框架内的头码（Preamble）定义 去识别出Fame 头。同时根据BMC的编码方法 “在其时钟周期内转变一次电位（0->1或1->0）让数据变成两个不同电位，变成10或01，而当数据为0则不转变电位，变成11或00。”去将BMC变化后的数据转换为实际的音频数据。