CD（ディジタルオーディオ -S/PDIF） エラーカウンタ／ステータスモニタの製作 2001/1/29

2001/2/21更新:CDのエラー観察

訂正不可能エラー （CDなどの再生時、読み取りエラーが起こり、それを訂正できずに、プレイヤによって何らかの補間処理が行われた事態） をカウントする装置です。

ネタ的には一昔前ですが、Webでの検証記事は少ないようなので...

CD再生時における、訂正不可能エラーのレートは、十分低く、エラーそのものが直接、音質を変える要因にはなっていないのは周知の事実です。 雑誌や個人の Webページでも検証されていますし、エラー云々よりもっと踏み込んだ形で、個人的に実験されている方も大勢いらっしゃるでしょう。 （→ A-1DRIVE 関連記事） 従って、「何を今更」的な装置なのですが...個人的興味から、また、プレイヤのディジタル出力（DAI(Digital Audio Interface, S/PDIF)信号）から下記の チャネルステータスデータ等も抽出・表示できることから、 「有れば有るで面白いでしょう」ということで、製作することにしました。製作には MJ誌 1995/3,4 徳久氏「デジタルオーディオエラーカウンタの製作」が参考になります。

AudioPCIなどのサウンドカードを改造し、生ディジタルI/Oを付ける、というのが少し前に流行りましたが、 そのとき自分もやってみようと DAIレシーバ(CS8412)を購入したものの、結局実行には移せず、石が遊んでいてもったいない、という事情もあります（＾＾; （まぁ、当初からサウンドカード改造か、このエラーカウンタのどちらかを作ろうともくろんでいた。） いまだに「ディジタルなんだから、エラーが起こらない限り音は変わらない」という意見をたまに聞くが、そういった、古い言葉で言う「ディジタル神話」は世の中から早く払拭したいものだ...

CS8412は ￥3000弱の石です。今は 96kHzサンプリングに対応した CS8414も ￥4000ぐらいで手に入るようです。（若松通商で通販入手可）

エラーレートを計るといっても、C1/C2エラーやジッタ成分を観察するものではないので、エラーやジッタ、サーボ電流云々などといった事と、音質との 相関をさぐるような程度の高いことをやるものではなく、あくまで参考程度のお遊び機器であります。（スペアナをボーッと見るのと似た雰囲気（爆））

IEC 60958 / EIAJ CP1201で規格化されているディジタルオーディオインタフェイスで、最も一般的で馴染みが深いのが、 S/PDIF(Sony/Philips Digital Interface Format)です。 １本の信号線でデータとクロック、チャネル識別のためのワードシンクをまとめて送る、DI-SYNCという方式に分類されます。

その中を流れる信号は、「ブロック」という大きな区切りがあり、１ブロックは、192個の「フレーム」から成ります。 フレームは２個の「サブフレーム」で構成されます。サブフレームは１サンプル分のデータを含む以下のような 32ビットで構成されます。

プリアンブル以外は、バイフェーズマークという変調が施されています。なかなか巧妙なもので、これによりプリアンブルの区別ができたり、 コネクタの極性が逆になっても正しくデータ転送ができるようになっています。

• 「プリアンブル」はクロック抽出、フレーム/ブロックの先頭・ワードシンクを識別します
• 「AUX」は補助情報が入ります。「DATA」と合わせて使えば、最大 24ビット伝送可能です。データは LSB First（下位ビットが先頭に来る）で後詰め形式です
• 「V」が Validityフラグです。送り出し機器が、訂正不可能なエラーがあったとき HIとします。よって受け側は「受け取ったデータが正当でない」と判断できます。本機はこれをカウントします。
• 「C」はチャネルステータスビットで、データが何者であるかや著作権情報が盛り込まれます。フォーマットは民生規格と業務規格で違います。 1フレーム１bitで、192フレーム（＝1ブロック）分 192ビットの情報を伝送可能ですが、民生フォーマットにおいては先頭の 32ビットが意味を成します。
• 「U」はユーザーデータ、「P」はパリティビットです

いわゆる「SCMS」は、C bitの BitNo.2と No.8〜15のカテゴリコード及びＬビット世代情報フラグを見る仕組みです。

回路は以下の通りです。MJ の回路と大部分は同じ構成ですが、入力部・リセット回路などを若干アレンジ、クロック精度表示関係の機能を追加してあります。 大別して、メイン基板、カウンタ基板、デコード基板に分割して作ります。

■メイン

• CS8412は 48kHzサンプリングまでの対応です。ピン互換の CS8414を使えば 96kHzなどといった サンプリング周波数にも対応可（のはず）です。

• 入力は同軸、TOS Linkの双方を設けます。オーディオ装置との併用を考えた場合、TOS Linkでつないだ方が、ノイズの点で、オーディオ機器に与える影響は少ないはずです。
• CS8412からシリアル出力される Cbit情報は、シフトレジスタ 74HC595でシリアル-パラレル変換します。ラッチには CS8412の FSYNCを用います。表示用の LEDは、74HC595の出力最大定格が 35mAなので直接点灯可能です。
• エラーフラグ VERFはカウンタでカウントできるよう、パルス信号に変換します。ワンショットマルチ 74HC123に FSYNCでトリガを掛け、ORゲートで VERFと合成すれば サブフレーム単位のエラーパルスが取り出せます。パルス幅は 74HC123の CRで決まりますが、最高サンプリング周波数を考えて決める必要があります。 最高 48kHz/2chでは 5μsec程度にすれば OKです。ここでは、47kΩ/47pFで 2.2μsecとしていますが、実際は ICの入力容量などのせいで、これより長めになります。
• CS8412の FCKには、Fs精度を調べるための基準クロック 6.144MHzを供給します。
• CS8412の PLLのラグ・リードフィルタはデータシートのデフォルト定数（1kΩ/0.047μF）です。
• リセット回路はエラーレポートを手動でクリアする（一旦エラーが出ると、以後 NoErrorでもエラーレポートにはそれが保持されるため）のに必要です。

リセットに関して

当初、エラーレポートをリセットするのに、図のような接続にしましたが、「No Lock」が点灯しっぱなしで、うまく動きません。 M0〜M3を HIにすると、CS8412自体がリセットされるので、エラーレポートもクリアされるだろうと思い、図のようにしたのですが... 良く考えると、リセットがかかってから、信号のブロックの先頭が来るまでは、物理的に PLLがロックしていても、信号レベルでは「No Lock」の状態ですから、 エラーレポートにもそれが表示され、全然リセットする意味が無い、ということなんですね。データシートを良く見ると、エラーレポートのクリアには、 「bringing SEL high for more htan 8 MCK cycles」とあったので、M0〜M3に入力していたリセット出力を、SELピンに入れ、M0〜M3は GNDに固定すれば良いことになります。 幸いにも出来上がった基板の２ヶ所をパターンカット・修正だけで済んだので一安心。上の回路図及び、後のパターンは修正を加えたものです。

■デコーダ

CS8412からの エラーレポート、Fs精度情報をデコードし LEDを点灯します。内容は以下の通りです。

• エラーレポート

  クリティカル度高い ↓	E0	E1	E2
  	0	0	0	No Error
  	0	0	1	V flag HI	プレイヤ側で訂正不可能なエラーがあった
  	0	1	0	Confidence flag	伝送ラインの０/1が不明確（伝送品質が悪い/不適合など）
  	1	0	0	CRC Error (Pro only)	CRCエラー（業務用信号のみ）
  	1	0	1	Parity Error	パリティエラー（伝送系でエラーが発生）
  	1	1	0	Bi-Phase Coding Error	バイフェーズマーク変調が不正（伝送エラーや不正な出力）
  	1	1	1	Un Lock	ロックできない/信号が無い

  CS8412のデータシートでは 「Confidence flag」の部分が Reservedになっていますが、上のような機能があるようです

  プレイヤの訂正不可能エラーは「V frag HI」となります。それ以外は、Digital OUT,伝送路にまつわるエラーです。 従って、ディジタル機器が、ちゃんとした Digital OUTを持ち、適正な信号を出し、本機に適切なケーブルで接続されていれば、 V frag HIよりクリティカルなエラーは出ないはずです。 逆に、そういったエラーが出るようなら、送り出しの品質（特に PCなど。ピュアオーディオ機器ではなかなか無いと思いますが...）や 伝送路などの品質が疑わしいということです。

  
  
• Fs精度

  F0	F1	F2
  0	0	0	Out of Range
  0	0	1	48kHz ± 4%
  0	1	0	44.1kHz ± 4%
  0	1	1	32kHz ± 4%
  1	0	0	48kHz ± 400ppm
  1	0	1	44.1kHz ± 400ppm
  1	1	0	44.056kHz ± 400ppm
  1	1	1	32kHz ± 400ppm

  Fs精度はチャネルステータス の中にも「自己申告」の情報がありますが、ここでは「実測値」（FCKを基準とした相対値）を表示します。 （44.056kHzって...？ 昔の機器？）

  
  

■カウンタ

• BCDデュアルカウンタ 74HC4518でエラーパルスをカウントします。
• 7segLED（カソードコモン）は、ドライバ 74HC4511で点灯します。
• カウント桁は 4桁9999ですが、桁あふれ分を 4bitバイナリカウンタ 74HC93でカウントし、7segの小数点を使って表現します。 トータルで、159999サンプル分のエラーをカウントできることになります。

■電源

電源は ACアダプタからとります。３端子レギュレータは 1Aタイプのものが良いでしょう。