ps audio nuwave DSD connectique coaxiale I2S et USB XMos

Publié le 11 juillet 2016 à 0 h 26 min | par Richard

Les interfaces I2s pour les DAC HD.

Beaucoup de choses sont écrites sur les connectiques I2S en audio. Il est d’ailleurs étrange de voir le retour en grâce de cette connectique. L’I2S est tout sauf une nouveauté pour audiophiles fortunés. L’I2S est un « protocole » qui n’est même pas un standard au sens propre du terme. Il s’agit de véhiculer un signal numérique selon le plus vieux système de communication au monde numérique, le port aBus série…

Oui, comme celui de votre vieille imprimante ou encore l’USB… Cet article est une forme de mini tutoriel cher lecteur, pour comprendre comment fonctionne l’I2S mais surtout comment repérer les bonnes sorties I2S des mauvaises. Car oui, au pays de Candy, I2S n’est pas forcément votre meilleur ami.

Le fameux MiniDSP MiniSHARK. La seule interface audio du marché capable de faire du filtrage actif et de la correction numérique avec entrées et sorties I2S.

mini dsp shark

L’I2S, un dinosaure du numérique.

L’I2S audio fut créé entre 1984 et 1986. Avec le premier DAC 14 bit de l’histoire (le TDA1540), il fallait un protocole simple, efficace et abordable pour transmettre des informations avec des taux d’échantillonnage (théorème de Shannon) au minimum deux fois plus élevés que la fréquence de 22.05 Khz soit 44.1Khz. Ainsi les DAC R2R Phillips sont les premiers au monde en 1986 à incorporer ce branchement.

L’I2S est en fait un cousin audio du protocole I2C informatique domotique et de son concurrent de chez Motorola, le fameux SPI apparu en 1982.

L’I2S véhicule donc les données PCM en série ininterrompues (le fameux Bitstream !) séparant les données DATA des horloges qui rentrent ou sortent d’un processeur audio ou de la mécanique d’un lecteur CD après passage en mémoire. On pourrait presque comparer le signal I2S au format RAW des appareils numériques bien que l’allégorie soit partiellement fausse.

L’intérêt principal de l’I2S est donc hormis la séparation des données et des horloges, sa simplicité de fonctionnement réduisant les étapes entre composants.

On le sait dans le numérique, chaque millimètre de circuit imprimé chaque soudure est un problème potentiel. Car je me tue à le répéter, avant d’être des 0 et des 1 binaires, le signal numérique PCM/DSD c’est de l’électricité à très faible échelle et donc fragile par nature. Mais ce qui fait la force de l’I2S est aussi sa faiblesse…

I2S oui mais c’est quoi au juste ?

I2S_Timing.svg

Source Wikipedia : le protocole I2S.

L’I2S permet donc de séparer les données stéréo exprimées en bit (DATA/SDATA) de poids fort et faible (MSB/LSB), les signaux d’impulsions de l’horloge (BCLK/SCLK, la ligne des bit d’horloge), et l’encadrement des bits droite et gauche l’horloge « frame » (LRCK/WCLK).

C’est part ce type de branchement avec signal DATA et horloge séparée que les processeurs, interfaces et DAC sur circuits imprimés communiquent entre eux dans un appareil audio numérique.

En résumé :

DATA : Ce sont les données numériques gauche et droite contenant la musique. Sur certains schémas les DATA sont aussi dénommés SDI/SDO (Serial Data Input/Serial Data Output).

L’horloge LeftRightClock ou communément Wordclock : Le DATA étant un signal mélangé stéréo multiplexé (canal 0 ou canal 1), cette horloge indique les informations du bon côté, arbitrairement gauche et droite.

Masterclock : L’horloge maître indiquant à quelle fréquence principale le processeur DSP, un codec audio ou le DAC doit fonctionner. Ce sont les fameuses horloges que vous voyez sur les circuits imprimés, le plus souvent : 22.5792Mhz et 24.576Mhz bien que l’on trouve de plus en plus des fréquences encore plus élevés.

Le BitClock/ShiftClock dérivé de la MCLK indique : C’est l’horloge série de synchronisation de base du signal.

Comme on va le voir, ce protocole venant d’un autre âge n’a pas que des qualités…

L'I2S la panacée ? Mmmh pas tout à fait !

Vous l’aurez compris, ce système bus série qui a plus de 30 ans de bons et loyaux services a ses qualités comme ses défauts dus à son âge de conception. Croire qu’il suffit d’avoir un DAC ou une source numérique avec un port I2S pour bénéficier du top de la restitution audiophile est loin de la réalité.

Car oui le SPDIF et l’AES EBU ont aussi leurs avantages. Le protocole I2S est conçu pour transmettre un signal audio PCM sur de très faibles tensions et pour relier des composants actifs entre eux les plus proches possibles. Il n’est pas conçu pour être véhiculé sur un câble de grande longueur contrairement aux deux premiers cités. Comptez au maximum 50 cm avant dégradation notable.

De ce simple constat, les problèmes de pollutions électriques et de résistance linéique commencent à pointer leur nez… Au risque d’en décevoir certains, il sera préférable dans certains cas de rester sur une simple SPDIF coaxiale ou AES-EBU XLR symétrique, le remède pouvant être bien pire que la maladie.

Autre point non négligeable, le protocole AES-EBU comporte bien souvent une isolation galvanique par son type de fonctionnement. Notamment sur les solutions à base d’ordinateur, la pollution électrique transmise sera parfois plus faible sur les entrées AES-EBU d’un DAC que par son entrée I2S.

Voici une mesure criante de vérité démontrant qu’une interface USB vers I2S de qualité est parfois supérieure à une connexion I2S GPIO Raspberry-Pi en direct.

i2ssources

Mesure effectuée par Teholabs.com.

 

Le Raspberry Pi et l’I2S :

La solution du Raspberry Pi avec un DAC I2S sur son connecteur GPIO est souvent cité comme un exemple pour de la Hifi pas chère et de qualité. C’est exact. Bien souvent cette séduisante solution pour un prix modique (100 euros en moyenne) produit un son d’une qualité inespérée il y a encore dix ans. Seulement si l’on regarde en profondeur, le tableau n’est pas si idyllique quand on commence à devenir exigeant en terme de fidélité sonore.

Mais soyons honnêtes. Aujourd’hui si l’on est bricoleur, un Pi2/3 avec un bon DAC enterre littéralement nombres de solutions commerciales à 1000 Euros et parfois plus, bien plus.

Les Raspberry Pi2 et 3 souffrent d’un problème majeur. L’horloge maître en 19.2 mhz ne permet pas de faire une horloge masterclock viable. Heureusement certains DAC pour Pi2/3 comportent des horloges internes TCXO palliant à ce problème.

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L’Audiophonics I-SABRE V3, le DAC pour Pi2/3 avec horloge MCLK TCXO 100Mhz, régulateur de tension faible bruit.

Le Raspberry Pi est avant tout un micro ordinateur low-cost comportant des régulations à bas prix. Les solutions existent pour pallier à ce phénomène engrangeant du jitter par retour d’alimentation bruitée ou encore transmise par le câble USB 5V de votre interface USB/I2S.

Plusieurs pistes sont envisageables. Modifier les régulations d’un Raspberry Pi avec tous les risques que cela comporte ou bien alimenter le Pi2 ou Pi3 par une batterie qui peut s’avérer contraignant en terme de souplesse de fonctionnement.

Si vous êtes curieux et adepte du fer à souder, il existe des kits de modifications pour Pi Zero avec des régulateurs LDO TPS7A4700 notamment comme celui-ci que l’on trouve facilement :

régulation PSU

L’isolation galvanique :

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L’interface DiyInHK USB/I2S. Un exemple d’interface USB bien conçu avec double séparation galvanique.

Voilà ce que toute interface USB/SPDIF ou tout convertisseur audio haut de gamme devrait incorporer. L’isolation galvanique permet de réduire drastiquement les bruits transmis par le signal numérique et les tensions sur le circuit imprimé provenant d’un ordinateur. Même si des DSP de gestion USB comme les fameuses XMOS incorporent en partie ces solutions, elles sont loin d’être à la hauteur d’une véritable séparation physique des tensions et du signal numérique transmis d’un appareil vers un autre.

Vous devrez donc par vous même détecter si votre interface USB ou votre DAC incorporent ces solutions qui coûtent royalement moins de 10 à 20 euros dans un appareil…

Il faudra donc 2 à 4 isolateurs bidirectionnels digital haute vitesse pour les signaux numériques secondés par des transformateurs sur les tensions isolant les bruits électriques néfastes.

En fait ce ne sont ni plus ni moins que des diodes rapides incorporés dans des circuits…

Voici une liste d’isolateurs I2C/I2S permettant d’appliquer le procédé, ainsi vous pourrez les repérer sur les appareils :

  • Silicon Labs : Si8400/Si8401/Si8405.
  • Analog Devices : ADuM1250/ADuM1251/ADuM2250/ADuM2251. ADuM 3440.
  • Texas Instrument : ISO7640FM, ISO7241.
  • NVE : IL711, IL710, (IL715 les meilleurs).
  • Fairchild : CD4050, CD4049.

L’isolation galvanique numérique par diode n’a pas que des qualités. Si le nombre et la vitesse des diodes sont insuffisants vous aurez droit à du jitter. C’est pour cela que dans bien des cas, après ce type de solution, vous trouverez des DSP de type FIFO et des horloges reclock (ATMEL, Xilink, Spartan etc etc) palliant au problème.

Evidemment sans alimentation à faible bruit et dérive, tous ces efforts seraient réduits à néant. Donc il faudra bien vérifier que les interfaces précités comportent aussi des transformateurs galvaniques et des régulateurs de tension LDO de qualité bien mis en oeuvre.

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L’excellente interface USB I2S Sonore Audiobyte avec deux horloges Crystek TCXO.

 

L’I2S, HDMI ou RJ45 ?

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L’interface Gustard Audio U12 avec double horloge TCXO, sorties I2S HDMI et AES/EBU.

L’I2S n’étant pas un standard prévu pour sortir sur un câble propriétaire, on a vu fleurir depuis 20 ans plusieurs connectiques empruntées par le monde informatique comme la RJ45 ou encore le HDMI emprunté au monde vidéo. On peut citer aussi le BNC sur 4 connecteurs dans certains cas comme chez CEC Japan par exemple renommer en Superlink.

Tirons bien les choses au clair ! Le HDMI provenant de ces solutions n’est pas du tout compatible avec un signal HDMI vidéo classique. N’espérez donc pas sortir de votre lecteur Blu-Ray ou de votre PC via sa sortie HDMI quoi qu’il en soit. Il faudra une interface USB/I2S HDMI dédiée reliée à votre ordinateur puis vers votre DAC.

Le LVDS à la rescousse des grandes longueurs :

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Le superbe DAC PS AUDIO DirectStream avec HDMI I2S LVDS.

Le LVDS est un protocole différentiel supérieur et plus récent (1992) que le transport asymétrique série. Il permet de symétriser des signaux provenant des ports séries I2C ou I2S par exemple. Il est notamment utilisé dans le transport des signaux HDMI et des écrans LCD. Il est pour l’instant seulement utilisé à ma connaissance par la marque PS AUDIO qui a remis au goût du jour le protocole I2S. Ainsi on peut utiliser des longueurs de 1 à 2 mètres pour véhiculer le précieux signal…

Vous l’aurez compris, si vous avez du RJ45 en I2S sur une interface M2Tech, Yulong, Audio GD par exemple, privilégiez de courtes longueurs (20/30 cm)…

Conclusions

Le protocole I2S a de beaux jours devant lui. Il est pour l’instant le meilleur moyen de transport audionumérique pour peu que les constructeurs puissent offrir des solutions sérieuses et viables. De cet article on retiendra qu’il faudra utiliser des isolations galvaniques de qualité, des sources électriques stables (régulateurs LDO) et sans bruits ainsi que des horloges de type TCXO.

Il faudra dans de nombreux cas utiliser des câbles les plus courts possibles. Une fois ce cahier des charges rempli, à vous les longues heures musicales de haut niveau.

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5 Responses to Les interfaces I2s pour les DAC HD.

  1. John Doe says:

    3dlab avec ses séries nano doit utiliser le LVDS (sur HDMI)

    • Richard says:

      Bonjour,
      A ma connaissance, seul PS Audio utilise une technologie dans ce sens. Les autres usent souvent de portes logiques suivies de résistances derriére le connecteur HDMI et c’est tout… IL faut faire attention d’ailleurs, les câblages sont différents entre chaque marques bien souvent. Les brochages HDMI peuvent différer entre des marques comme Audio GD, PS AUDIO, 3D Laboratory et bien d’autres encore. Je ferais un second article dans ce sens. Il me semble important de le souligner…

  2. GourouLubrik says:

    Merci pour ce récapitulatif, j’ai beaucoup lu de posts sur ce genre de sujets pour essayer d’expliquer tout ça, mais ce travail dépasse de loin toutes les ressources que j’ai croisé en français.

    Par contre, je vous confirme ce qui est dit au dessus par john doe, beaucoup de marques utilisent maintenant le I2S sur LDVS. Et c’est le cas de la gustard h12 qui utilise le fameux « non standard » de chez PS-Audio, il suffit de regarder le pinout pour s’en convaincre, point chaud et point froid pour chaque signal, et dans le même ordre.

    On peut également citer Audio-GD (qui s’est mit au i2s sur HDMI il y a déjà plusieurs années), hifime (comme le uh1-digital qui propose une sortie et une entrée i2s différentielle sur hdmi), Smsl (x-usb)… mais j’en oublie plein d’autres.
    On peut également signaler les modules DIY « teleporter » de chez twisted pear.
    Audiophonics en vend également (et à de bien meilleur prix).

    Sinon, le 50cm de signal en I2S (non différentiel) est généreux, sur des câbles/connecteurs non blindés et surtout à haute fréquence d’échantillonnage (352.8/384khz), j’ai vu pas mal de DIYers avoir des problèmes avec beaucoup moins que ça. La « règle » pour éviter les ennuis c’est plutôt 15cm max, et utiliser des cables coaxiaux miniature du type Hirose u.fl (qui est malheureusement connu pour être chiant et fragile).

    Vivement la suite ! <3

    • Richard says:

      Merci pour vos précisions. Personnellement , j’attends un standard réel. Je trouve aberrant la situation actuelle consistant à tout passer par l’USB. On a le LVDS, le TMDS, en réseau le TCP IP et j’en oublie d’autres.

      Il parait impensable de faire passer de la HD ou de la 4K autre que par de la HDMI, de la fibre ou du réseau… Pourtant on continue en Hifi à promouvoir un archaïsme certain qui plait à une clientèle vieillissante amatrice de 33T qui ne comprend que SPDIF, AES EBU et panique rien qu’à l’idée d’installer des drivers USB ASIO. Il me parait évident que quand cette clientèle aura définitivement désertée les auditoriums haut de gamme, tout évoluera plus vite s’adressant à une clientèle plus en phase avec le monde actuel.

      • GourouLubrik says:

        Je suis parfaitement d’accord avec votre analyse, et je suis moi même dépité par l’archaisme des systèmes de transmissions numériques (consumer) en audio…

        On passe du 18 Gbit/s sur de l’hdmi… et on plafonne vers un antique ~12Mbit/s sur du s/pdif. même pas foutu de passer du 5.1 dans une forme non compressée, alors qu’on a vu fleurir du DTS Master MA 8 canaux lossless @ 192khz / 24 bits avec un bitrate de 24.5 Mbits/s sur l’hdmi… ce qui au final est toujours une broutille par rapport au debit de l’hdmi, mais qui serait déjà bien appréciable en audio.

        Dans le monde pro, il y a l’interface Madi (AES-10), capable de passer 56 channels @ 48khz / 28 @ 96khz sur 24 bits… mais pas plus de 96khz.

        On voit l’i2s capable de supporter du 768khz/32bits en natif, de scaler le nombre de channel via la multiplication des lignes de data, et maintenant, on a la possibilité de le transporter sans trop de problème sur LVDS, et sans connaitre les problèmes de jitter inhérent au HDMI ou aux récepteurs SPDIF.

        Mais coté standardisation, c’est pas la panacée non plus… left padded ou right padded, profondeur de bits, justification, nombre de channels, etc, il n’y a pas d’auto-négociation de protocole en fonction de ce qui est supporté sur de l’i2s, il faut donc que l’émetteur et le dac parle bien la même chose, et du coup il incombe à l’émetteur la responsabilité d’être compris par le recepteur, par exemple en étant manuellement configurable… et là, c’est plus du tout consumer friendly.

        Ce qui manque à l’i2s, c’est un système similaire à l’EDID (Extended Display Identification Data) du HDMI. un système qui permet à l’émetteur de savoir ce que supporte le récepteur, et de s’adapter…

        Au niveau transmission, on vie maintenant à l’heure ou les protocoles utilisant des Multi Gigabit Transceivers sont maintenant nombreux…
        Les SerDes (Serializer / Deserializer) se sont considérablement démocratisés, et un « vieux » standard HD-SDI peut balader du 1.5Gbit/s sur un simple câble coaxiale blindé sur plusieurs dizaines de mètres…

        Les occasions et les savoir faire technologiques de repenser le S/PDIF et l’audio pur sont presque infinis… les opportunités commerciales et surtout les probabilité de succès d’une adoption large doivent avoir l’air assez réduite pour que cela n’intéresse aucun des grands chip makers.

        On a des standards de distribution HDMI sur IP (et prises RJ45), mais rien (de standard) pour l’audio.

        Qui connait le SongCast ? système de diffusion sur tcpip compatible multicast, multi-room, open-source, capable de supporter le 192khz? Voué à l’échec puisque que personne ou presque ne l’implémente… et si on a un peu d’écosystème upnp/dlna, le modèle plus perfectionné d’openhome a du mal à prendre.

        A contrario, les systèmes sonos propriétaires sans interopérabilité et incapables de HD ont le vent en poupe. Dans une moindre mesure (au niveau de l’interopérabilité), pareil pour le google cast, alors que son adoption en terme d’application émettrice commence a être très intéressante, on ne peut pas transformer un rasbperry (par exemple) sous linux en récepteur google cast.

        Il faut se contenter des récepteurs Android TV, des périphérique google et de quelques implémentation dans des enceintes portables ou d’ampli AV (pas vu de dac ou d’ampli hifi directement compatible). Et le coté multiroom des chromecast n’est assuré que par les chromecast audio.

        Je ne vais même pas évoquer le bluetooth tellement c’est du grand n’importe quoi (codec propriétaire apt-x, apt-x HD, LDAC. Débit et portée limitée, appairage ad-hoc…)

        My 2 cents

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