1.D Les protocoles de transmission numérique
1.13 Les protocoles de transmission numériques
Les protocoles de transmission numériques sont les protocoles utilisés entre les électroniques dans le cadre d’utilisation de musique dématérialisée et de convertisseur numérique vers analogique (DAC – Digital to Analog Converter)
1.13.1 AES/EBU (Audio Engineering Society / European Broadcasting Union)
Mode de transmission issu du milieu professionnel, il définit une méthode de transmission du signal audio ainsi que les conditions électriques de sa mise en œuvre (connectique, etc.) aussi connue sous le nom AES3 (EBU-UER, 2010).
Le protocole et les équipements AES/EBU se rencontrent souvent en milieu audiophile car, à la recherche de la perfection au niveau transmission du signal, les appareils numériques haut de gamme en sont souvent équipés. Il est universellement reconnu que la qualité de la transmission du signal utilisant ce protocole et sa connectique est d’une qualité supérieure aux autres méthodes de transmission grand public.
Le signal circule de manière unidirectionnelle d’un point à l’autre sur une paire de conducteurs. Ce type de liaison est dite symétrique car le signal circule en double sur deux conducteurs différents. Un troisième conducteur est utilisé pour définir la masse commune.
La connectique particulière utilisée est de type XLR et répond à la norme IEC 60268-12. Elle dispose de trois broches.
L’impédance du câblage et des prises est de 110 Ohms ± 20 % pour les fréquences allant de 0,1 Hz à 6 MHz et le voltage circulant dans les câbles de 2 à 7 V crête à crête :
La transmission sur ce type d’interface assure une gigue (jitter) liée à l’interfaçage AES inférieure à 0,025 UI. Côté récepteur la tolérance à la gigue est fonction de la fréquence qui répond au graphique suivant :
Notez que la distance maximale théorique de transmission à l’aide du système AES/EBU est de l’ordre de 100m sans égalisation et régénération du signal.
1.13.2 S/PDIF (Sony/Philips Digital InterFace)
Le format de transmission S/PDIF est une variante simplifiée de AES/EBU destinée au grand public. Utilisant une connectique simplifiée d’une part et une signalisation au contenu différent mais à la forme commune avec AES/EBU, le protocole de transmission S/PDIF se retrouve de nos jours dans tous les appareils numériques. S/PDIF est standardisé par l’IEC sous le numéro 60958.
Le transport de S/PDIF peut se faire sur plusieurs types de média.
1.13.2.1 Transport Coaxial
Le signal circule de manière unidirectionnelle d’un point à l’autre sur un conducteur unique. La masse de blindage coaxiale est utilisée pour définir la masse commune. La transmission est dite asymétrique.
La connectique particulière utilisée est de type RCA :
ou BNC :
Notez que la connectique BNC garantit une impédance de 75 Ohms extrêmement précise contrairement au connecteur RCA dont la précision est moindre. Une mesure à l’oscilloscope montre très souvent des déformations légères ou des réflexions sur les fréquences utilisées. Les déformations du signal en résultant peuvent se situer au niveau de la phase, provoquer de la gigue et même engendrer une perte de paquet d’information.
L’impédance du câblage et des prises est de 75 Ohms ± 5% pour les fréquences allant de 100 KHz à 6 MHz et le voltage circulant dans les câbles de 0,4 à 0,6 V crête à crête :
Notez que la distance maximale de transmission à l’aide du système S/PDIF sur câble coaxial est de l’ordre de 10m.
Le transport sur câble coaxial muni de prises RCA est la configuration la plus classique rencontrée dans le monde de l’audio. Son coût d’implémentation et de fabrication est moins important que pour AES/EBU et partage son medium avec les applications vidéo.
Naturellement la transmission S/PDIF est nettement plus sensible que AES/EBU aux interférences, atténuation de la ligne et gigue car entre autre elle ne possède pas les avantages du mécanisme de protection symétrique.
1.13.2.2 TOSLINK
Une autre variante de connexion pour véhiculer les signaux audio digitaux consiste à utiliser une fibre optique. Si la fibre optique est insensibles aux interférences électromagnétiques, elle présente ses propres défauts et notamment une atténuation du signal, conséquence néfaste pour le flux audio et variable selon sa qualité, la torsion qui lui est appliquée, ainsi que la qualité de la connectique. Même si de nos jours la qualité des fibres optiques s’est améliorée, il n’y a guère que les modèles haut de gamme qui garantissent une transmission d’excellence. D’ailleurs, ces derniers utilisent une connectique plus fiable, courante en informatique de type AT&T ST.
En complément, les opérations pour la conversion du signal lumineux en informations audio nécessitent des traitements mettant en jeu des composants souvent moins soignés et donc moins performants.
Le connecteur Toslink (TOShiba-LINK) est issu des recherches de Toshiba en 1983 qui utilisait ce système de connectique pour ses propres électroniques. Le transport de l’information repose désormais sur le protocole S/PDIF expliqué au début du chapitre 1.13.2.
Notez que, contrairement à quelques idées reçues, le transport de S/PDIF au travers d’une connexion par fibre optique n’est garanti que jusqu’à 10 m et ne répond pas aux mêmes facilités de transmission qu’avec les protocoles informatiques permettant d’étendre les transmissions à plusieurs milliers de mètres.
1.13.3 La gigue ou le jitter dans les transmissions audio
La transmission d’informations s’effectue d’une manière générale par l’émission à fréquence régulière d’échantillons de données. Dans le domaine de l’audio il en va de même, les échantillons AES, S/PDIF ou même audio analogique sont envoyés à fréquence régulière de la source (lecteur CD, Ordinateur) vers la destination (DAC –Convertisseur Numérique vers Analogique).
Le respect de cette cadence est une base fondamentale du fonctionnement de la norme de transmission. Il est donc nécessaire d’équiper les différents éléments d’horloges ultra précises permettant, sans déviation importante, d’échanger ces données au bon rythme. Ce mécanisme, comparable à celui d’une horlogerie, présente des défauts dès lors que les horloges de l’émetteur et du récepteur se trouvent décalées ou que la transmission du signal se décale du fait du média ou des interférences.
La gigue relative à la transmission est donc le décalage observé entre la réception du signal, supposée se déclencher par l’action de l’horloge du récepteur, et la réception réelle.
La gigue (Pozzoli, 2005) est un phénomène observé dans le domaine de la transmission audio dans la mesure où celle-ci nécessite une transmission cadencée précise sous forme d’échantillons de données à émettre précisément toutes les N fractions de secondes.
Cette gigue est appelée gigue d’interface entre le dispositif de lecture et le DAC et gigue d’échantillonnage entre le DAC et le préamplificateur/amplificateur intégré :
Au niveau de la source plusieurs causes peuvent générer de la gigue :
- gigue de l’émetteur : Par une mauvaise gestion des éléments internes de la source digitale qui peuvent passer de la gigue à la partie chargée de la
- gigue transférée : Par la partie de la source en charge de la transmission en déposant le signal sur le
- gigue intrinsèque : Par le bruit de phase de l’horloge qui gère l’échantillonnage.
Au niveau du codage binaire S/PDIF ou AES/EBU, il peut se produire une interférence intersymbole. Celle-ci résulte du codage du ‘0’ lors de la transition à 0 Volt anticipé ou retardé en comparaison de transitions après le codage d’un 1. Au final, cette gigue est donc directement dépendante de la nature des données transmises.
Au niveau du médium de transmission, la gigue peut résulter par exemple d’une déformation du signal en raison d’un mauvais support de la bande passante nécessaire, source d’interférences :
Dans un lecteur intégré il est plus simple de lutter contre tous ces phénomènes dans la mesure où une source commune d’horloge et des filtres spécifiques peuvent toujours être mis en place.
Par contre lorsque la communication se fait avec un DAC externe, tous ces phénomènes peuvent se produire et sont susceptibles de dégrader en quelque sorte la restitution du son.
Plusieurs études semblent montrer que la gigue est perceptible selon les fréquences et que les sources et DACs capables de lutter efficacement contre, apportaient une restitution plus complète, plus fouillée en informations.
Les éléments électroniques sont également à l’heure actuelle équipés de composants sachant lutter plus ou moins efficacement contre la gigue d’échantillonnage, mais pour ce qui est des différentes gigues d’interface ou transférée, la qualité des câbles et de la connectique reste un élément important.
L’un dans l’autre, le soin apporté dans le DAC pour identifier les erreurs de transmission relatives à la gigue au travers de mécanismes dits de « reclocking » une fois l’information reçue, permet également de bonifier la restitution.
On constate toutefois à l’écoute une différence importante à source constante entre différents DACs. Une signature sonore au même titre que celle de lecteurs intégrés est mise en évidence. Celle-ci résulte sans aucun doute en partie des différentes conditions d’utilisation, d’alimentation, de câblerie et de connectique et des composants de conversion eux-mêmes qui n’implémentent pas les mêmes filtres. Il est au final très difficile de dire macroscopiquement de quoi résultent les défauts de timbre, de scène sonore ou encore d’équilibre spectral. De ce fait, nous pensons qu’il est important de s’attacher en priorité à écouter et apprécier l’ensemble de la restitution par rapport à son goût personnel, car en matière de musique chacun voit midi à sa porte.