Comprendre les câbles S/PDIF : optique ou coaxial

Guide technique simplifié | IEC 60958 | AES3

Ce guide explique sans formules ce que le simulateur calcule. Les modèles et les équations sont dans la documentation technique, et le simulateur compare deux câbles réels à la longueur de votre choix.

Spdif, S/PDIF, Toslink : c'est quoi ?

Le S/PDIF (souvent écrit Spdif) est la liaison audio numérique grand public définie par la norme IEC 60958. Il existe en deux versions : un câble coaxial 75 ohms à fiches RCA ou BNC, et une fibre optique appelée Toslink. La « sortie SPDIF » d'un téléviseur, d'une box ou d'un lecteur envoie les échantillons audio tels quels vers un DAC ou un amplificateur. Sa version professionnelle s'appelle AES/EBU (AES3) : 110 ohms, liaison symétrique, prise XLR.

Un câble numérique peut-il changer le son ?

Dans une installation normale, non. Dans le simulateur, un Belden 1694A (coaxial 75 ohms) de 10 m ajoute environ 0,05 ns de jitter crête-crête, sans bruit capté. Le plus bas seuil d'audibilité moyen publié, 10 ns RMS, a été mesuré dans le cas le plus défavorable : un sinus de 20 kHz à pleine échelle, avec un jitter sinusoïdal à 17 kHz (Benjamin et Gannon, 1998). Sur des extraits musicaux choisis, les seuils commencent à quelques dizaines de nanosecondes, et aucun des 23 auditeurs d'Ashihara et al. (2005) ne détecte 250 ns de jitter aléatoire sur de la musique. Les exceptions sont électriques : boucle de masse, câble non 75 ohms sur plusieurs dizaines de mètres, longueur excessive. Les études sont résumées sur la page Tests en aveugle.

Optique ou coaxial : la réponse courte

Les deux transportent exactement les mêmes bits. Choisissez l'optique si vous entendez un ronflement (elle coupe la boucle de masse), le coaxial pour une grande longueur ou le 192 kHz.

Pour le coaxial, le jitter ajouté reste des centaines de fois sous les seuils publiés. Pour l'optique, les modules admettent jusqu'à ±15 ns de distorsion (non modélisée), que la PLL du récepteur atténue en partie.

1. Le modèle de câble

Qu'est-ce qu'on simule ?

Le signal S/PDIF coaxial est un signal carré codé en BMC (Biphase Mark Code), à 0,5 V crête-à-crête sur 75 ohms. Chaque bit commence par une transition ; un bit à 1 en ajoute une au milieu. Le signal alterne donc entre deux fondamentales : 2,82 MHz pour une suite de 1 et 1,41 MHz pour une suite de 0 (à 44,1 kHz). La cellule, moitié d'un bit, dure 177,2 ns.

Le simulateur fait passer ce signal dans un modèle du câble, dans cet ordre : pertes de la ligne (qui dépendent de la fréquence), réflexions si l'impédance du câble n'est pas la bonne, puis bruit capté. Le jitter n'est pas ajouté par une formule : il est mesuré sur le signal qui sort du câble, comme on le ferait avec un oscilloscope.

Une liaison S/PDIF émet en continu. Le simulateur fait donc passer le signal deux fois de suite dans le câble et n'analyse que le second passage : le câble est alors en régime établi, comme dans un vrai système, sans l'effet de démarrage à froid qui fausserait les premiers fronts d'un câble long.

Le simulateur compare aussi des câbles qui ne sont pas des câbles S/PDIF : un cordon audio RCA bas de gamme, d'impédance non spécifiée (environ 42 ohms estimés), et un coaxial générique. Leurs paramètres sont estimés, faute de fiche constructeur.

1.1 Limitation de bande passante

Ce qui se passe physiquement : les pertes d'un câble augmentent avec la fréquence. Les composantes aiguës du signal carré sont plus atténuées que la fondamentale, et les fronts s'arrondissent.

Le modèle : une seule loi de pertes, α(f) = a_s·√f + a_d·f : un terme en racine de la fréquence (effet de peau du conducteur) et un terme proportionnel à la fréquence (pertes de l'isolant). Les deux coefficients sont ajustés sur les pertes à 5 et 10 MHz. Quand la fiche du constructeur ne les donne pas, elles sont déduites de ses autres points de mesure, ou estimées. Pour les Canare DA206 et DA202 (AES3), un seul point est publié, à 3 MHz : les pertes à 5 et 10 MHz en sont extrapolées en racine de la fréquence, et restent incertaines. Pour le Belden 1800F, une paire torsadée qui ne suit pas cette loi sur toute la plage, l'ajustement se fait sur la table complète du fabricant (16 points), entre 1 et 12,3 MHz : l'écart reste sous 1 % aux deux fondamentales du BMC. Le terme proportionnel à la fréquence y sert d'ajustement empirique : il ne représente pas les pertes de l'isolant.

La bande passante à -3 dB n'est pas un réglage : elle découle de ces pertes. Avec l'effet de peau, elle varie comme l'inverse du carré de la longueur. Dans le modèle, ajusté sur les pertes à 5 et 10 MHz, un Belden 1694A a une bande passante d'environ 1,6 GHz sur 10 m, 65 MHz sur 50 m et 16 MHz sur 100 m ; la table complète de la fiche Belden donne environ 2 GHz, 85 MHz et 17 à 18 MHz. La traiter comme un filtre séparé reviendrait à compter deux fois le même phénomène.

1.1b Effet de peau (skin effect)

Ce qui se passe physiquement : à haute fréquence, le courant se concentre dans une fine couche en surface du conducteur. Pour le cuivre, cette couche fait environ 39 µm à 2,8 MHz et 12 µm à 28 MHz. La résistance du conducteur augmente comme la racine carrée de la fréquence.

Conséquence : les harmoniques du signal carré perdent plus que la fondamentale. La 3e harmonique (8,5 MHz) perd 1,7 fois plus de décibels que la fondamentale de 2,8 MHz, la 7e (19,8 MHz) 2,6 fois plus. Les fronts s'étalent, et la forme de chaque front dépend des bits qui le précèdent : c'est l'interférence entre symboles (ISI, section 1.5).

La case « Effet de peau » : cochée par défaut, elle applique ce modèle complet. Décochée, le câble applique la même perte à toutes les fréquences. C'est une simplification utile pour comparer : l'amplitude baisse, mais les fronts ne s'étalent presque plus et le jitter disparaît en grande partie.

1.2 Atténuation

Ce qui se passe physiquement : le signal perd de l'amplitude le long du câble, en proportion de la longueur.

Le modèle : l'atténuation affichée est la perte à 2,82 MHz (la fondamentale la plus haute du BMC à 44,1 kHz ; elle suit la fréquence d'échantillonnage). Un Belden 1694A perd 1,25 dB pour 100 m à cette fréquence, et moins de 0,03 dB sur 2 m.

Le seuil : la norme ne fixe pas une amplitude minimale mais un gabarit d'œil : à l'entrée du récepteur, l'œil doit rester ouvert d'au moins 200 mV sur une demi-cellule, autour du seuil de décision (section 2.11). Partant de 0,5 V, il faut environ 8 dB de perte pour descendre à 200 mV. Sur quelques mètres, l'atténuation n'est jamais le facteur limitant.

Pour l'AES/EBU : l'émetteur est simulé à 5 V crête-à-crête (la norme autorise 2 à 7 V), dix fois plus que le S/PDIF. L'atténuation du câble reste la même, sans correction ; c'est le niveau de départ qui donne 20 dB de marge en plus face au bruit et au gabarit de 200 mV. Au minimum prévu par la norme (2 V), cette marge n'est que de 12 dB.

1.3 Réflexions par désadaptation d'impédance

Ce qui se passe physiquement : l'émetteur et le récepteur sont à 75 ohms (110 ohms en AES/EBU). Si le câble a une autre impédance, une partie du signal est réfléchie à chaque extrémité. Un front fait l'aller, est renvoyé par le récepteur, puis par l'émetteur, et revient : c'est un écho.

Ce que ça donne : l'écho arrive 2L/v après le front principal (L la longueur, v la vitesse dans le câble). Son amplitude est le produit des deux réflexions, soit le carré du coefficient de réflexion : 4 % pour une ligne de 50 ohms, 8 % pour un câble RCA bas de gamme de 42 ohms. Le simulateur calcule la réponse exacte, tous les rebonds compris.

Un câble à la bonne impédance, entre un émetteur et un récepteur à 75 ohms (110 ohms en AES/EBU), ne produit aucun écho, quelle que soit sa longueur. C'est la raison d'être des 75 ohms du S/PDIF et des 110 ohms de l'AES/EBU.

1.4 Bruit EMI et environnement électromagnétique

Ce qui se passe physiquement : le câble capte les champs électromagnétiques ambiants, et son blindage les atténue. Plus il est long, plus il capte.

Les trois environnements :

• Studio pro (0 dB de pénalité) : alimentations linéaires, pas de variateurs.
• Hi-Fi domestique (10 dB) : Wi-Fi, chargeurs à découpage, LED.
• Industriel / scène (25 dB) : variateurs, moteurs, câbles secteur en parallèle.

Le modèle : le niveau de bruit est fixé par rapport au niveau émis. Il ne baisse pas quand le câble atténue le signal : sur un câble long, le rapport signal/bruit à l'arrivée se dégrade donc deux fois. Ce modèle de bruit est une heuristique d'ordre de grandeur, pas une mesure : il sert à comparer des câbles bien et mal blindés, pas à prédire un niveau exact.

Ce que ça change : un Belden 1694A (blindage estimé à 90 dB) n'est pas affecté par l'environnement dans ce modèle : un blindage de 72 dB ou plus y rend le bruit capté sans effet, jusqu'à 200 m (la longueur maximale de l'application) et même en milieu industriel. Les fiches techniques ne donnent pas d'efficacité de blindage en décibels : les valeurs des câbles sont des estimations, selon leur construction (feuillard, tresse, spirale). Un câble RCA peu blindé capte nettement plus : dans un salon, son rapport signal/bruit passe de 61 dB à 1,5 m à 43 dB à 10 m.

1.5 Jitter ISI (Intersymbol Interference)

Ce qui se passe physiquement : comme les fronts s'étalent, le niveau atteint avant une transition dépend des bits précédents, et l'instant où le signal franchit le seuil aussi. Les transitions ne tombent plus exactement sur la grille d'horloge : c'est le jitter d'ISI, la principale source de jitter sur les longs câbles. Chris Dunn et Malcolm Hawksford (1992) ont montré, sur une liaison à bande limitée, que ce jitter dépend des données et reste corrélé au signal audio.

Le modèle : ce jitter n'est pas calculé par une formule. Il apparaît dans le signal filtré par le câble et il est mesuré ensuite. Pour un Belden 1694A, le jitter crête-crête vaut environ 0,05 ns à 10 m, 0,76 ns à 100 m et 4,7 ns à 300 m (sans bruit). La demi-cellule fait environ 89 ns : même à 300 m, on est loin de fermer l'œil.

Les fronts de l'émetteur : le signal émis a des fronts de 19 ns (de 10 à 90 %) à 44,1 kHz, dans la plage des 15 à 20 ns que Julian Dunn a mesurés sur une sortie AES3 typique. Ils suivent la durée de la cellule (8,9 ns à 96 kHz), sans descendre sous 5 ns (5,2 ns à 176,4 et 192 kHz). Un front plus lent rend l'instant de passage au seuil plus sensible à l'ISI, à l'écho et au bruit.

L'effet falaise : un lien numérique fonctionne sans erreur tant que l'œil reste ouvert, puis les erreurs arrivent vite. Le simulateur repère cette limite avec le gabarit d'œil AES3 (section 2.11).

Le jitter de l'émetteur n'est pas inclus par défaut : c'est une propriété de l'appareil, pas du câble, et il s'appliquerait de la même façon aux deux câbles comparés. Les options « Jitter émetteur » et « Asymétrie des fronts (DCD) » permettent de l'ajouter. La valeur par défaut du champ (2 ns) est un ordre de grandeur de travail, pas une valeur de la norme.

1.5b Transit triple (Triple Transit)

Ce qui se passe physiquement : c'est l'écho de la section 1.3, vu sous l'angle du jitter. Le front direct arrive au récepteur au bout de L/v ; l'écho, après un aller-retour supplémentaire, arrive au bout de 3L/v, soit 2L/v après le front.

Pourquoi un câble court a peu de jitter d'écho : l'écho décale l'instant où le signal franchit le seuil, d'une quantité qui dépend du niveau du signal un peu avant le front. Si l'écho revient en moins d'une cellule, il retombe sur le palier qui précède le front, de signe opposé au front. Sur une ligne sans pertes, tous les fronts sont alors décalés de la même quantité : l'écho ne fait que les retarder, et le jitter reste négligeable (0,002 ns sur 10 m, pour 4 % d'écho). Sur une ligne à pertes, le niveau avant le front dépend des bits précédents, et l'écho recopie cette ISI : 0,016 ns avec les pertes d'un Belden 1694A (même écho de 4 %, 10 m), environ 0,57 ns crête-crête à 10 m et 0,12 ns à 5 m pour le câble RCA de 42 ohms. Les rebonds suivants laissent aussi un petit résidu. Cette situation dure jusqu'à une longueur L0 = v × cellule / 2 : 21,8 m pour un câble à 82 % de la vitesse de la lumière, 14,6 m pour un câble à 55 %, à 44,1 kHz. À 96 et 192 kHz, la cellule est plus courte et L0 aussi (10 m et 5 m à 82 %).

Au-delà de L0 : le niveau avant le front dépend des données, et l'écho ajoute un jitter dépendant des données. Il vaut environ deux fois l'amplitude de l'écho divisée par la pente du front : 0,74 ns pour un écho de 4 % selon cette formule, 0,78 ns avec le calcul complet.

Dans l'application : le calculateur de transit triple isole cet effet (longueur L0, jitter d'écho selon la longueur). Il simule la même ligne, avec ses pertes, désadaptée puis adaptée, et compare les deux front par front, tous les rebonds compris. Il n'est pas ajouté au verdict, parce qu'il est déjà dans le signal simulé et donc dans le jitter mesuré. La solution reste un câble à la bonne impédance.

1.5c Couplage AC (transformateur) et dérive du zéro

Ce qui se passe physiquement : la plupart des sorties S/PDIF passent par un transformateur ou un condensateur qui bloque la composante continue. Ce couplage agit comme un filtre passe-haut. Les transformateurs conçus pour l'audionumérique coupent entre 2 et 20 kHz environ : 2,4 kHz sur 75 ohms pour le Pulse PE-65612 que recommande Cirrus Logic, 7 à 20 kHz pour la gamme de Scientific Conversion (catalogue 2015). Jon Paul, de ce fabricant, recommande une coupure entre 5 et 20 kHz (AES, 1998). Un condensateur de 100 nF entre 75 et 75 ohms coupe vers 10 kHz.

Le code BMC n'a pas de composante continue, et les préambules de trame non plus. Mais un préambule contient des paliers de trois cellules, alors que le reste du code n'en a jamais plus de deux. À chaque sous-trame, le passe-haut fait donc osciller un peu le niveau de base du signal (baseline wander), et une autre part de cet écart dépend des données. Le récepteur comparant à un seuil fixe, cet écart décale les instants de détection. La cause tient à l'interface elle-même, pas au câble.

Dans le simulateur : la case « Couplage AC (transformateur) » active un passe-haut du premier ordre dont vous choisissez la coupure : 1, 2,5, 5, 10 (par défaut) ou 20 kHz. Sur un Belden 1694A de 2 m, une coupure à 10 kHz ajoute environ 50 ps RMS (250 ps crête-crête) de jitter, et une coupure à 20 kHz à peu près le double. C'est du même ordre de grandeur que l'ISI d'un 1694A de 100 m (0,2 ns RMS), et très loin des seuils d'audibilité. À 1 kHz, l'effet ne dépasse pas quelques picosecondes. Il ne dépend pas du câble : il s'applique aux deux branches de la comparaison.

1.6 Câble personnalisé

L'interface permet de définir un câble par ses paramètres : atténuation à 5 et 10 MHz (en dB/100 m ou dB/100 ft), impédance, vitesse de propagation et blindage. La bande passante n'est pas un paramètre, puisqu'elle découle des pertes. Utile pour tester un câble dont on a la fiche technique, ou pour isoler l'effet d'un seul paramètre.

1.7 Liaisons optiques

Une liaison optique (TOSLINK, fibre verre) n'a ni impédance ni bruit capté, et le module récepteur régénère un signal propre. Le simulateur ne modélise que l'étalement dû à la fibre (dispersion modale). Une fibre plastique TOSLINK offre au moins 40 MHz sur 100 m en injection restreinte (IEC 60793-2-40, catégorie A4a.2), bien plus qu'il n'en faut sur quelques mètres. Ce n'est donc pas le facteur limitant : la longueur utile est fixée par le budget optique des modules (assez de lumière doit atteindre le récepteur, sans le saturer). La paire audio de référence, Toshiba TOTX147/TORX147, est donnée pour 0,2 à 5 m ; au-delà, le simulateur signale un résultat hors de la portée spécifiée. Pour la fibre verre, la limite vient aussi des émetteurs-récepteurs, non modélisés. Ces modules ajoutent leur propre jitter : jusqu'à ±15 ns de distorsion de largeur d'impulsion pour la paire Toshiba. Ce jitter n'est pas modélisé ; l'option DCD permet de le représenter. La même paire accepte 15 Mb/s en NRZ, soit 7,5 Mb/s en biphase : un flux à 96 kHz (6,1 Mb/s) passe, un flux à 192 kHz (12,3 Mb/s) non.

2. Les métriques d'analyse

2.1 Taux d'erreur cellules (CER)

Ce que c'est : la proportion de cellules BMC lues différemment de ce qui a été émis. Ni le S/PDIF ni l'AES/EBU ne corrigent les erreurs : chaque sous-trame porte un bit de parité qui permet d'en détecter une partie. Le statut de canal professionnel (AES/EBU) ajoute un contrôle CRC ; le statut grand public n'en a pas. Une erreur détectée est en général masquée par le récepteur, qui répète l'échantillon précédent, le met à zéro ou laisse le convertisseur l'interpoler. Une erreur non détectée sur un bit de poids fort produit un clic.

Comment c'est calculé : l'analyseur aligne le signal reçu sur la référence par corrélation, puis compare cellule par cellule, par blocs d'une sous-trame. Si le décodeur gagne ou perd une cellule, l'alignement est recalé et ce glissement est compté à part.

Ce que ça signifie : CER = 0 % veut dire que tous les bits sont arrivés intacts. À 44,1 kHz, il passe 5,6 millions de cellules par seconde : un CER de 0,01 % représente déjà 565 erreurs par seconde. Deux câbles à CER = 0 % livrent exactement les mêmes bits. Sans ASRC ni horloge externe, le récepteur tire toutefois son horloge du signal reçu : il peut subsister une différence de jitter, très faible avec des câbles adaptés (section 2.2).

L'application lit le CER selon cette échelle :

2.2 Jitter RMS et Peak-to-Peak

Ce que c'est : le jitter mesure l'écart entre l'instant réel de chaque transition et une horloge idéale. L'analyseur repère chaque passage au seuil, ajuste la meilleure horloge régulière sur l'ensemble des transitions, puis mesure l'écart de chaque transition à cette horloge (TIE, *time interval error*). C'est la grandeur que filtre la PLL d'un récepteur.

RMS et crête-crête : le RMS résume toute la distribution ; le crête-crête donne l'écart entre les deux transitions extrêmes, celui qui compte pour l'ouverture de l'œil.

Le rôle de la PLL : ce jitter est celui de l'interface, pas celui du convertisseur. La PLL du récepteur suit le jitter lent et rejette le jitter rapide. Le simulateur filtre le jitter du câble selon son contenu en fréquence réel, puis ajoute le jitter propre de l'horloge du récepteur (son plancher).

Un ASRC atténue très fortement le jitter d'interface mais ne le supprime pas : le résidu devient une petite erreur d'amplitude. Avec une Word Clock, l'horloge du convertisseur vient d'ailleurs et le jitter du câble ne l'atteint pas.

Exemple : un Belden 1694A de 100 m produit environ 0,2 ns RMS de jitter d'interface. Après un CS8412, il reste environ 205 ps, dont l'essentiel vient du plancher du récepteur (200 ps) ; avec les autres récepteurs, il ne reste que leur plancher.

Seuils d'audibilité : Benjamin et Gannon (Dolby, AES, 1998) ont testé un jitter sinusoïdal. Sur un sinus de 20 kHz à pleine échelle, avec un jitter à 17 kHz, le seuil moyen est de 10 ns RMS : c'est le cas le plus défavorable. Sur un sinus de 4 kHz, il passe à 100 ns. Sur musique, la grande majorité des programmes ne rend pas le jitter audible ; sur des extraits choisis pour être révélateurs, les seuils individuels vont d'environ 20 à 370 ns. Ashihara et ses collègues (2005) ont testé un jitter aléatoire sur musique : personne ne le détecte à 250 ns, 6 auditeurs sur 23 à 500 ns. Un câble coaxial adapté de 10 m (0,05 ns crête-crête) reste des centaines de fois sous le plus bas seuil moyen publié, et des milliers de fois sous les seuils mesurés en jitter aléatoire sur musique.

L'application situe le jitter à l'horloge du convertisseur, après la PLL, par rapport à ces seuils : sous 10 ns, « sous les seuils publiés » ; de 10 à 500 ns, « dans la plage des seuils publiés » (selon le signal et l'auditeur) ; au-delà de 500 ns, « au-delà des seuils publiés ».

Ces seuils viennent de tests d'écoute. Des critères théoriques, qui calculent le pire cas possible, vont beaucoup plus bas : Dunn (1992) demande moins de 20 ps crête-crête pour un jitter à 20 kHz, et Benchmark veut des raies 23 dB sous le bruit du convertisseur, soit quelques picosecondes. Ce sont des cibles de conception, pas des seuils mesurés sur des auditeurs ; les avis divergent, et l'application ne tranche pas.

Jitter et rapport signal/bruit : un jitter J sur l'horloge du convertisseur limite le rapport signal/bruit d'un signal de fréquence f à -20 log10(2 pi f J). À 20 kHz : 78 dB pour 1 ns, 58 dB pour 10 ns, 98 dB pour 100 ps. C'est un pire cas. Physiquement, il concerne le jitter qui atteint l'horloge du convertisseur (après la PLL) ; l'application l'affiche aussi sur le jitter d'interface brut, comme borne pessimiste.

2.3 Tensions (haute, basse, P-P)

Ce que c'est : la tension moyenne du niveau haut, celle du niveau bas, et l'amplitude crête-à-crête.

Pourquoi c'est utile : l'atténuation rapproche les deux niveaux du seuil. Les normes (IEC 60958 et AES3) ne fixent pas une amplitude minimale mais un gabarit d'œil : au moins 200 mV d'ouverture sur une demi-cellule, autour du seuil de décision (section 2.11). L'œil étant toujours plus petit que l'amplitude crête-à-crête, une amplitude qui approche 200 mV signale un décodage déjà compromis. Une asymétrie entre niveau haut et niveau bas signale un décalage continu, par exemple dû au couplage AC.

2.4 Bruit RMS

Ce que c'est : le bruit mesuré sur les paliers haut et bas, à partir des différences entre échantillons successifs, en écartant les échantillons proches des fronts pour ne pas compter les transitions comme du bruit. Une médiane rend la mesure insensible aux quelques points de front restants : elle est nulle sur la référence idéale et juste à 1 % près pour un bruit blanc. Un bruit élevé réduit la marge entre les deux niveaux logiques.

Lien avec le SNR : SNR ≈ 20 log10(V_PP / bruit maximal).

2.5 Erreurs de parité

Ce que c'est : chaque sous-trame de 32 bits se termine par un bit de parité, choisi pour que les bits 4 à 31 contiennent un nombre pair de 1. L'analyseur compte les sous-trames qui ne respectent pas cette règle. Le S/PDIF et l'AES/EBU ont tous deux ce bit.

La limite : la parité ne détecte que les erreurs portant sur un nombre impair de bits. Des erreurs de parité signalent un signal déjà nettement dégradé.

2.6 Diagramme de l'oeil

Ce que c'est : la superposition des morceaux du signal longs de deux cellules. Les morceaux sont calés sur l'horloge mesurée, si bien que les transitions tombent en 0, 1 et 2 cellules. Ils sont tracés en traces fines superposées, comme la persistance d'un oscilloscope. Le gabarit AES3 est dessiné dans chaque ouverture : un rectangle de 200 mV de haut sur une demi-cellule, centré sur le seuil de décision (le milieu des niveaux). Les 200 mV sont une hauteur d'œil minimale, pas un niveau absolu.

Ce qu'il révèle : la hauteur de l'œil au centre donne la marge en tension (réduite par l'atténuation, l'ISI et le bruit) ; sa largeur donne la marge en temps (réduite par le jitter).

2.7 Comparaison des formes d'onde (overlay)

Ce que c'est : trois panneaux synchronisés : vue globale, zoom automatique sur la zone où les deux câbles s'écartent le plus de la référence, et signal de différence (câble moins référence).

2.8 Interprétations automatiques

Sous chaque graphique, un texte résume ce que montrent les mesures. Pour l'œil, l'ouverture est estimée par l'écart entre niveaux moins 6 fois le bruit (3 sigma de chaque côté) ; les causes (réflexions, bruit, atténuation) sont repérées par des seuils. Pour le jitter, le texte situe le résultat par rapport aux seuils de détection publiés (échelle de la section 2.2), et rappelle pour une liaison optique que le jitter des modules n'est pas modélisé.

2.9 Connecteurs S/PDIF et AES/EBU

Le simulateur ne modélise pas les connecteurs : aux fréquences du S/PDIF, ce sont des discontinuités trop courtes pour peser.

RCA : impédance non normalisée, de l'ordre de 30 à 60 ohms selon la géométrie. Mais la discontinuité est courte : 1 à 2 cm pour la fiche, 2 à 4 cm avec l'embase. Vue par un front d'une vingtaine de nanosecondes, sa réflexion effective est de 0,2 à 0,6 % (jusqu'à 2 % environ avec des fronts de 5 ns), quelle que soit la longueur du câble. Elle retarde aussi l'onde transmise de 7 à 46 ps, mais de la même quantité pour tous les fronts : elle n'ajoute pas de jitter. Le preset « Belden 1694A + prises RCA 50 ohms » garde donc un câble à 75 ohms.

BNC : la norme IEC 61169-8 décrit le BNC 50 ohms ; la version 75 ohms n'y figure qu'en annexe A, pour ses dimensions. La qualité d'un BNC 75 ohms dépend donc de son fabricant : les modèles broadcast annoncent une réflexion négligeable (par exemple Kings série 2065 : affaiblissement de réflexion supérieur à 36 dB jusqu'à 1 GHz).

XLR (AES/EBU) : impédance non contrôlée, mais environ 3 cm de long, soit 0,10 à 0,15 ns de trajet : même avec un coefficient de réflexion de 0,3, la réflexion effective reste sous 0,5 %. Une fiche de qualité (Neutrik NC3MXX et NC3FXX, par exemple) est donnée pour plus de mille insertions et au plus 3 mΩ de résistance de contact.

Toslink : pas de réflexion électrique. Le jitter d'une liaison optique vient des modules émetteur et récepteur, pas du connecteur (section 1.7).

En pratique : un connecteur propre, quel que soit son type, ne change rien. Un contact oxydé peut provoquer des erreurs à n'importe quelle longueur.

2.10 Matrice de sensibilité câble-métrique

La matrice fait varier un paramètre à la fois autour de la configuration choisie et mesure l'effet sur chaque métrique (CER, jitter, amplitude, SNR, ouverture de l'œil).

Longueur : pertes, donc ISI et jitter ; bruit capté.

Atténuation : hauteur de l'œil, puis CER quand l'œil approche le gabarit de 200 mV.

Impédance : écho ; jitter dépendant des données au-delà de la longueur L0, résidu plus faible en dessous.

Blindage : bruit et SNR.

Vitesse de propagation : aucun effet sur un câble adapté, ce qui est normal : elle ne fixe que le retard de l'écho quand il y en a un.

La bande passante ne figure pas dans la matrice : elle découle des pertes, ce n'est pas un paramètre indépendant.

2.11 Gabarit d'œil AES3 et limite pratique

Les normes fixent l'œil minimal à l'entrée d'un récepteur : 200 mV de haut sur une demi-cellule de large, centré sur le seuil de décision. C'est le gabarit de l'AES3 (EBU Tech 3250, §6.3.3), que l'on retrouve pour l'interface grand public (IEC 60958-3:2003, puis IEC 60958-1), qui exige en plus des impulsions d'au moins 0,8 UI : le simulateur applique cette règle au S/PDIF. Il mesure l'œil sans bruit, puis retire la marge nécessaire pour que le bruit ne cause qu'une erreur sur mille milliards de bits. La limite pratique affichée est la plus grande longueur, jusqu'à 200 m, qui respecte ce gabarit. La recherche suppose que le signal se dégrade quand la longueur augmente, ce qui est le cas puisque les pertes et le bruit capté augmentent avec elle ; « > 200 m » veut dire « au-delà de 200 m », la limite de la recherche. La cause affichée est le bruit seulement si, sans bruit, le gabarit tiendrait encore à une longueur supérieure de 10 % ; sinon, ce sont les pertes.

Exemples (salon, 44,1 kHz) : Belden 1694A au-delà de 200 m ; Van Damme environ 190 m, Mogami 2964 environ 135 m et coaxial générique environ 120 m, limites fixées par les pertes (le bruit ne retire que 8 à 9 mV à l'œil, elles dépendent donc peu du modèle de bruit) ; câble RCA bas de gamme environ 20 m, limite fixée par le bruit (35 m sans bruit), donc par le modèle de bruit, qui est approximatif.

En AES3, les Belden 1800F, Canare DA206 et DA202 dépassent 200 m : c'est l'effet du niveau simulé de 5 V. Au minimum de la norme (2 V), le 1800F tient environ 179 m à 48 kHz et le DA202 environ 195 m, ce qui recoupe les distances des fabricants : Canare annonce 180 m pour le DA202 et 360 m pour le DA206 à 48 kHz, Belden 203 m pour le 1800F à 6 MHz. Le modèle reste optimiste : il vise le gabarit minimal, sans marge, avec un récepteur idéal.

La norme AES3 prévoit 100 m sans égalisation, pour des fréquences d'échantillonnage jusqu'à 50 kHz ; au-delà de 100 m, l'EBU admet une égalisation facultative au récepteur. Pour une liaison optique, ce sont les modules qui fixent la limite (section 1.7).

Le classement des câbles utilise ce gabarit : un câble qui ne le respecte pas est classé dernier ; les autres sont départagés par un score qui combine jitter, SNR et hauteur d'œil.

3. Verdict global

Le verdict combine le CER et le jitter d'interface RMS :

Le verdict donne une lecture rapide. Pour les cas limites, il faut regarder l'ensemble des mesures et le diagramme de l'œil.

Ce que disent les tests d'écoute en aveugle

Nous n'avons trouvé aucune étude à comité de lecture qui compare en aveugle deux câbles numériques transmettant les mêmes bits. Le test public d'Ars Technica (2015 : 6 personnes sur 7 ne reconnaissent pas le câble cher) portait sur un câble Ethernet : les données y passent par une mémoire tampon, sans horloge transmise, ce qui ne dit rien d'une liaison S/PDIF. Son protocole était sommaire, et son auteur le reconnaît : un seul essai par personne, la réponse « aucune différence » comptée comme un échec, un public de sceptiques prévenu que ces câbles relevaient de la pseudo-science, et un seul des deux tronçons réseau testé. Les études disponibles mesurent surtout le seuil à partir duquel le jitter s'entend :

• jitter aléatoire sur de la musique (Ashihara et al., 2005, 23 auditeurs professionnels ou semi-professionnels) : personne ne le détecte à 250 ns, 6 auditeurs à 500 ns ;
• jitter sinusoïdal (Benjamin et Gannon, 1998) : 10 ns en moyenne sur un sinus de 20 kHz à pleine échelle, cas le plus sensible ; de 20 à 370 ns selon l'auditeur sur des extraits musicaux choisis.

Dans le simulateur, un Belden 1694A de 10 m ajoute environ 0,05 ns crête-crête (sans bruit) : des centaines de fois moins que le plus bas seuil moyen publié, des milliers de fois moins que les seuils mesurés en jitter aléatoire. En double aveugle, insérer une conversion 16 bits / 44,1 kHz dans une lecture haute résolution n'a pas été détecté (Meyer et Moran, 2007 : 276 bonnes réponses sur 554, le hasard). Un test négatif ne prouve pas qu'aucune différence n'existe pour personne, et les boucles de masse transmises par un câble électrique restent un effet à part, que l'optique supprime.

Bibliographie

Normes

Articles et ouvrages

• Dunn, C. & Hawksford, M.O.J. (1992). *Is the AES/EBU/SPDIF Digital Audio Interface Flawed?* AES preprint 3360, 93e convention. Liaison à bande limitée, jitter dépendant des données.
• Dunn, J. (1992). *Jitter: Specification and Assessment in Digital Audio Equipment.* AES preprint 3361. aes.org, PDF de l'auteur
• Dunn, J., McKibben, B., Taylor, R. et Travis, C. (1993). *Towards Common Specifications for Digital Audio Interface Jitter.* AES preprint 3705 (genèse des spécifications de jitter de l'AES3). PDF de l'auteur
• Dunn, J. *Measurement Techniques for Digital Audio.* Audio Precision, note d'application 5, 2001-2004. Fronts AES3 mesurés (15 à 20 ns), gabarit d'œil, jitter d'interface.
• Paul, J.D. (1998). *The Effect of Transformers on Transmission of Digital Audio Signals.* AES preprint 4840, 105e convention. Coupure basse des transformateurs d'interface.
• Benjamin, E. & Gannon, B. (1998). *Theoretical and Audible Effects of Jitter on Digital Audio Quality.* AES preprint 4826. aes.org
• Ashihara, K. et al. (2005). *Detection threshold for distortions due to jitter on digital audio.* Acoustical Science and Technology 26(1). doi.org
• Meyer, E.B. & Moran, D.R. (2007). *Audibility of a CD-Standard A/D/A Loop Inserted into High-Resolution Audio Playback.* J. Audio Eng. Soc. 55(9), 775-779. aes.org
• Hutchinson, L. (2015). *The audiophile's dilemma: strangers can't identify $340 cables.* Ars Technica, 30 juillet 2015. Câble Ethernet. arstechnica.com
• Adams, R.W. (1994). *Clock Jitter, D/A Converters, and Sample Rate Conversion.* The Audio Critic, n° 21. biline.ca
• Macadie, D. (2005). *Jitter performance of S/PDIF digital interface transceivers: is meeting standards enough?* Wolfson Microelectronics, livre blanc, rév. 1.1. Bande de la PLL du WM8805.
• Crystal Semiconductor, Cirrus Logic (1998). *CS8411, CS8412 Digital Audio Interface Receiver*, datasheet DS61F1. Courbe d'atténuation du jitter (fig. 3).
• Pozar, D.M. *Microwave Engineering*, 4e éd., Wiley, 2011. Lignes de transmission : réflexions (§2.3, §2.5, §2.6), lignes à pertes (§2.7), transitoires (§2.8) ; profondeur de peau (§1.4).
• Ott, H.W. *Electromagnetic Compatibility Engineering*, Wiley, 2009. Blindage des câbles, tresses et spirales : chapitre 2, §2.13-2.14 (les valeurs de blindage des câbles du simulateur sont des estimations, pas des valeurs de cet ouvrage).