[ Entrée / sortie numérique S/PDIF coaxiale sur carte son USB ]

09/2008 (MàJ : 07/2012 + 01/2019)

Les ordinateurs portables possèdent tous une sortie audio analogique, sous forme de prise mini-jack 3,5mm stéréo. Sa qualité est souvent douteuse (diaphonie et bruits parasites, alimentation mal filtrée, souffle, distorsion, etc...) Et il est rare de disposer d'une entrée au niveau ligne en stéréo. Encore plus rare : une entrée et une sortie numérique au format S/PDIF, qui plus est en format coaxial.

modification avec I/O num De nombreux constructeurs ont développé des cartes son "nomades" avec une interface USB et des entrées / sorties analogiques.
Mais quid des entrées / sorties numériques ? Les interfaces les moins chers n'en ont pas, ou bien parfois seulement une sortie, au format optique.

Il est cependant "facile" de doter ces interfaces de connectique numérique coaxiale car la plupart des circuits intégrés choisis par les constructeurs possèdent nativement une entrée / sortie numérique. Mais attention, le niveau électrique du circuit intégré correspond souvent à un niveau électrique interne de fonctionnement (TTL 5V ou 3,3V) et n'est donc pas compatible directement avec le format S/PDIF.
Les signaux numériques du S/PDIF sont des créneaux de 0,5V crête à crête, avec une pente de montée/descente (slew rate) comprise entre 5 et 30ns. Cependant, certains matériels (notamment grand public) ne respectent pas la norme et fournissent un signal beaucoup plus faible (0,2V_cc constatés au lieu des 0,5V_cc sur une carte son de marque ultra connue...) Bref, il faut donc adapter un minimum les tensions !
Pour en finir avec le S/PDIF, l'impédance des entrées / sorties et des câbles est fixée à 75 ohms, tout comme en vidéo. La bande passante avoisine les 3MHz.
Deux formats de prises et de câbles font transiter le S/PDIF : la version optique, très répandue dans le domaine du grand public, est contraignante et coûteuse (fibre optique). La version coaxiale elle, est plus pratique, car facile à relier via des câbles coaxiaux 75ohms (KX6...) voire des câbles audio standards pour les liaisons courtes. La connectique va du "bête" RCA (cinch), au BNC plus "pro". (Il existe une variante professionnelle symétrique : l'AES/EBU en XLR et câble 110Ω).

Le S/PDIF peut aussi faire transiter des flux numériques multicanaux compressés Dolby ou DTS. Le flux contient de deux à six canaux (voire même 7 ou 8 ! ) Cependant, toutes les interfaces ne sont pas compatibles avec ces flux, qui doivent transiter de manière absolument transparente d'un bout à l'autre de la chaîne numérique. La moindre modification de la trame rend le flux inutilisable (ré-échantillonnage, bits d'état, etc...) Le matériel doit répondre à l'appellation "Pass-Thru" pour assurer le transit de ces flux.

Exemple de modification : Behringer UCA200 / UCA202

L'un des constructeur le plus connu pour ses prix "plancher" est l'allemand Behringer (je ne me prononcerai pas sur la qualité des produits en général...)
Ce constructeur possède à son catalogue une interface USB avec entrée / sortie analogique, mais avec une seule sortie numérique optique : la référence UCA202.

Un des dérivés de cette interface est la UCA200 qui ne possède elle que la partie analogique. C'est à partir de celle-ci que je vais développer la modification (mais qui est presque identique pour une UCA202).
Par contre, cette interface n'est pas au catalogue du constructeur. Il se trouve que Behringer en faisait "cadeau" avec certains produits. (#consommables !)

Attention ! : la modification décrite ici est à vos risques. Toute intervention annule la garantie du constructeur. Le résultat final n'est pas assuré sans un peu de minutie. Je ne pourrai en aucun cas être tenu pour responsable de la détérioration d'un quelconque matériel suite à sa modification ou à son raccordement à un matériel modifié.

Le cœur de l'interface

Le cœur de l'interface est un 'chip' de l'écurie Burr Brown (Texas Instruments) : le PCM2902E.
Ce circuit de bonne qualité pourrait être parfait s'il n'avait des défauts de naissance... (décalage d'un échantillon entre L & R, ...)

Un coup d'œil rapide au datasheet montre que le chip possède une entrée et une sortie numériques prêtes à alimenter une interface S/PDIF.

Le PCM2902E fonctionne sous 3,3V, et les niveaux électriques ne sont pas compatibles directement avec le S/PDIF (0,5V crête à crête). Il faut donc ajouter un peu d'électronique pour interfacer correctement le tout.

Attention ! : Les interfaces Behringer UCA200 / UCA202 ne sont pas compatibles avec les flux multicanaux Dolby AC3 ou DTS. Le PCM2902E génère une erreur d'un sample entre le coté gauche et le coté droit qui empêche la reconnaissance de ces flux... (Voir la fiche Errata)

La sortie

La sortie numérique est disponible sur la pin 25 du chip. Elle fournit un signal logique en 0V / 3,3V.
Un petit transformateur torique bobiné (voir plus bas pour le faire soi-même) et quelques composants suffisent à rendre compatible la sortie, et à assurer de surcroît une isolation galvanique.

La version "200" de la carte son ne possède -officiellement- pas de sortie numérique, mais en réalité les emplacements sont présents, laissés sans composants par le constructeur. Il suffit alors de reprendre le signal numérique disponible sur la pastille d'une self non implantée (L10). La masse numérique est reprise sur le plan de masse disponible sur la pin 3 de l'interface optique (elle aussi non implantée sur la UCA200).

A la mesure, le signal de sortie présente une légère sur-oscillation (ondulation rapidement amortie). Mais ça ne devrait pas perturber plus que ça l'appareil récepteur...

Cependant, une meilleure solution consiste à bufferiser le signal dans le but de délester le chip. L'utilisation de portes logiques à cette tâche est simple et viable. La mise en parallèle de plusieurs sorties permet de driver le transformateur sans soucis.
Ici, 4 des 6 inverseurs d'un 74HCU04 (74HCT04...) sont utilisés pour bufferiser le signal et attaquer le transformateur.
L'alimentation du 74HC04 est en 5V, mais le signal de 3,3V en entrée est suffisant pour basculer le premier inverseur.

Dans le fonctionnement de la carte son, le signal numérique est toujours disponible en copie de l'analogique. La fréquence d'échantillonnage est celle déterminée par le flux lu par l'ordinateur.

L'entrée

La pin 24 du chip sert d'entrée. Mais le constructeur de la carte l'a forcée à la masse. Une intervention délicate intervient à ce niveau : il faut dessouder délicatement la patte en question, et la soulever pour la désolidariser de la piste. Ensuite, un fil d'interconnexion est soudé sur la patte libérée. Un pont de colle chaude déjà existant au niveau des soudures du port USB est à refaire fondre pour permettre de maintenir le fil sans exercer trop de pression à la patte désolidarisée.

Le signal nécessite ensuite d'être adapté électriquement : niveau logique en 0V / 3,3V. Le fondeur indique cependant que l'entrée est compatible avec des niveaux TTL classiques en 5V.
A ce niveau, plusieurs solutions sont envisageables :

Transformateur d'adaptation des niveaux électriques -> compliqué à mettre en œuvre, trop sensible aux impédances, et le ratio implique des bobinages complexes, avec risque de déformation des signaux.
Montage discret à transistors, ou avec des circuits spécialisés
Montage avec des portes logiques rapides TTL.

Le choix s'est naturellement porté sur un montage à portes logiques, utilisant le reste des portes inutilisées dans le montage de sortie.

Le traitement d'une source S/PDIF commence tout d'abord par le passage dans un transformateur et on en profite au passage pour redresser et élever un peu la tension du signal. Puis un premier inverseur de 74HCU04 amplifie le signal. Le signal TTL bufferisé par un deuxième inverseur est ensuite prêt à attaquer la pin 24 d'entrée du PCM2902E.
La diode est une diode rapide du genre 1N4148. La résistance de 75Ω peut être constituée de deux résistances de 150Ω en parallèle.

Logiciellement, la sélection de l'entrée numérique se fait automatiquement, dès que le chip détecte une fréquence porteuse de signal S/PDIF. S'il n'y a pas de signal numérique, l'entrée est automatiquement basculée sur l'entrée analogique.
Dans le mixer de Windows, aucune fonction de mixage en enregistrement n'est disponible. Le flux d'entrée est affecté directement dans les interfaces logicielles d'acquisition.

Attention : L'interface ne commute pas automatiquement la fréquence d'échantillonnage. Vérifiez que la fréquence du logiciel d'acquisition audio corresponde à la fréquence de la source.

Les transformateurs

Les transformateurs servent à isoler galvaniquement la liaison S/PDIF, et réduire ainsi les influences néfastes des boucles de masses et autres parasites.

Ce type de transformateur est facile à faire soi-même à partir de tores en ferrite : ici, ce sont des tores de déparasitage de récupération, de diamètre de 10mm et de section de 3mm environ.
Le fil utilisé est du fil de cuivre émaillé de diamètre 0,5mm (ou moins. Des pistes pour récupérer du fil de cuivre ici !). Il est important d'avoir un bon facteur de couplage : spires serrées et jointives.

Transfo de sortie : Niveaux logiques 3,3V ⇒ sortie SPDIF :

Primaire (3,3V) : 10 spires
Secondaire (S/PDIF) : 5 spires

Transfo de sortie : Niveaux logiques TTL 5V ⇒ sortie SPDIF :

Primaire (TTL 5V) : 15 spires
Secondaire (S/PDIF): 3 spires

Transfo d'entrée : SPDIF ⇒ Niveaux logiques à amplifier :

Primaire (S/PDIF) : 6 spires
Secondaire : 20spires

L'alimentation

L'alimentation de l'électronique additionnelle se ponctionnera sur la carte son elle-même. Le 5V de bord sera repris par exemple au niveau du condensateur près du régulateur 3,3V.

Le 74HC04 s'alimente par la patte 14 pour le +5V, par la 7 pour le GND (0V). Ajoutez un condensateur de filtrage de 100nF au plus près du circuit intégré.

Intégration

74HC04 version CMS

Le circuit réalisé ici regroupe les deux fonctions entrée/sortie avec un sextuple buffer 74HC04 en version CMS.

découpes pour le passage des condensateurs
Le circuit imprimé est taillé pour rentrer au dessus du circuit existant, d'où le "gruyère" pour laisser passer les condos.

Espacement et solidarisation du PCB par ponts de câblage rigide
L'ensemble est solidarisé par des entretoises de fil rigide (espaceurs avec des chutes de pattes de résistances) aux pastilles inutilisées sur le circuit de la carte son.

modification avec I/O num
La connectique S/PDIF prend la forme de deux fiches RCA sur 10cm de câble blindé. La place à l'intérieur du boîtier est trop limitée pour intégrer des embases.

Cette version a soulevé un problème : à vide, le circuit peut se mettre à osciller, et du coup commuter aléatoirement la sélection d'entrée analogique / numérique. La solution, en plus du filtrage HF (délicat, car proche des valeurs de travail) est d'implémenter un inter qui coupe l'entrée numérique (reliant à la masse l'entrée du PCM2902E) afin qu'aucun signal parasite ne se fasse entendre pendant une acquisition analogique.

Conversions optique ⇔ coaxiale

Les interfaces d'adaptation peuvent aussi être utilisées pour fabriquer des convertisseurs permettant de passer d'un standard à l'autre : optique vers coaxial, ou coaxial vers optique. Des embases d'entrée/sortie optiques TOSLINK remplacent alors le chip de la carte son.