Is I2S the Best?

I2S의 동작과 AES3 Format (S/PDIF, TOSLINK, AES/EBU)의 동작을 설명한 자료가 있어 덧붙여봅니다.

유튜브에 실린 설명을 텍스트로 다운로드하여 구글 트랜스레이터로 번역해 놓았습니다. (일부 매끄럽지 않은 부분은 제가 약간 손보거나 보탰습니다.)

원문은 나중에 실었습니다.

 

The Beekhuyzen Channel은 오디오 기술의 기본을 잘 설명해 주어 기초 소양을 기르는 데 큰 도움이 됩니다.

 

다만, 이 채널은 제가 관심을 가지는 하이엔드/초하이엔드쪽에 대해서는 그리 밝지 못하고, 기준이 엄청 까다롭지도 않은 것 같다는 점도 참고해 주시기 바랍니다.

비유하자면 Stereophile 나 The Absolute Sound 정도에는 도달하지 못한 것 같고요.

What HiFi 정도로 보시면 대충 감을 잡으실 수 있지 않을까 싶습니다.

 

 

I2S는 디지털 소스를 DAC에 연결하는 데 점점 더 인기를 얻고 있습니다.
어떤 사람들은 이것이 최고라고 말합니다.
하지만 정말 그럴까요?

I2S는 Inter Integrated Circuit Sound의 약자입니다.
일반인은 IIS 또는 double IS로 약칭했을 것이지만, 기술자들은 수학적 표기법을 좋아해서 "i squared s"로 만들었습니다.
이것은 필립스 사업부에서 개발한 표준입니다. (필립스는 현재 NXP 반도체가 되었습니다) 
이것은 S/PDIF 수신기 칩과 DAC 칩과 같은 오디오 칩 간의 오디오 데이터 전송을 정의합니다.
이것은 장비 내에서 사용되도록 의도되었습니다.
표준 버전은 세 개의 라인을 사용합니다.

직렬 클록 (serial clock) SCK는 때때로 비트 클록 BCLK라고도 합니다.
그런 다음 단어 select WS는 때때로 Left Right 클록 LRCLK 또는 프레임 동기화 FS (frame sync)라고도 합니다.
그리고 세 번째 라인은 좌우 채널 오디오 데이터를 번갈아 전달하는 직렬 데이터 SD를 수행합니다.
S D가 공식 명칭이지만 SDATA, SDIN, SDOUT, DACDAT 또는 ADCDAT도 사용됩니다.

이 타이밍 다이어그램을 설명하겠습니다.
직렬 클록은 점선 수직선으로 표시된 샘플링 속도로 실행됩니다.
단어 선택은 다음 직렬 데이터 비트가 왼쪽 채널인지 오른쪽 채널인지를 나타냅니다. 0은 왼쪽이고 1은 오른쪽입니다.
직렬 데이터는 단어 선택 라인으로 표시된 대로 교대로 채널을 위한 순수 PCM 신호입니다.

 

AES3 (S/PDIF, Toslink, AES/EBU) 형식
디지털 오디오가 개발되었을 때 소니는 SD 표준을 개발했는데, 간단히 말해 각 채널에 하나씩 두 개의 BNC 케이블을 사용했습니다.
가장 일반적인 형식은 SD2 PCM과 SD2 DSD입니다.
이들은 거의 전적으로 전문적인 애플리케이션에 사용됩니다.
소니와 필립스가 콤팩트디스크를 출시했을 때, 소비자 시장을 위해 S/PDIF로 축약된 소니 필립스 디지털 인터페이스 형식도 출시했습니다.

RCA 커넥터를 사용하는 갈바닉 버전과 Toslink 커넥터를 사용하는 광학 버전이 모두 개발되었습니다.
갈바닉 버전의 경우 S/PDIF라는 이름이 사용되었습니다.
그리고 광학 연결은 광학 커넥터의 이름을 따서 Toslink로 알려졌습니다.
Toslink는 Toshiba Link의 약자입니다.
동시에 소니와 필스는 전문 오디오 산업을 위한 변형을 개발했습니다.
그리고 오디오 엔지니어링 협회(AES)와 유럽 방송 연합(EBU)에서 표준화했습니다.
AES/EBU는 최대 5 볼트의 더 높은 전압에서 작동하는 반면 S/PDIF는 0.5 볼트를 사용합니다.
그리고 AES/EBU는 XLR3 연결로 종단된 110옴 밸런스 케이블을 사용하는데, 이는 AES/EBU 디지털 인터페이스로 알려진 표준이 되었습니다.
나중에 싱글 엔드 75옴 버전이 정의되었습니다.
그래서 비디오 제작 센터에서 비디오 회선을 통해 연결할 수 있었습니다.
오늘날 S/PDIF는 종종 동축 케이블과 Toslink Optical이라고 합니다.
네 가지 모두 이제 AES3 및 IEC 60958 인터페이스 표준에 그룹화되었습니다.

AES/EBU는 프로 용도로 더 많이 겨냥이 되었는데, 형식은 완전히 동일합니다. 

오디오 데이터에 클록 신호가 내장되어 있습니다.
이렇게 작동합니다.

 

2상 마크(Bi-phase Mark)
디지털 신호는 실제로 다음과 같이 보이는 아날로그 사각파입니다.
모든 4가지 AES3 버전에서 이 기본 사각파는 사실 클록 신호이자 동시에 0입니다.
한 번은 주파수의 두 배인 사각파로 형성됩니다.
하지만 두 주파수의 사각파를 번갈아 가며 1과 0을 모두 보낼 수 있습니다.
이런 신호는 점선 수직선으로 표시된 클록 주기로 보입니다.
0 또는 1이 전송되는지는 클록 주기 내에서 극성 변화를 살펴봐야만 알 수 있습니다.
첫 번째 주기를 보면 전체 주기 동안 신호가 높은 것을 알 수 있습니다.
극성 변화가 없으므로 0입니다.
두 번째 주기는 클록 주기의 절반에서 낮음에서 높음으로 전환되므로 1입니다.
이는 높음에서 낮음으로의 전환일 수 있습니다. 

중요한 것은 주기 내에서 극성 변화입니다.
세 번째 주기는 낮음을 유지합니다. 

따라서 극성은 변하지 않으므로 0입니다.
네 번째 사이클은 하이 상태를 유지합니다. 

다시 한번 클록 내에서 극성은 변하지 않으므로 0입니다.
다섯 번째 사이클은 중간에서 로우에서 하이로 이동합니다. 

따라서 1입니다.
안타깝게도 여기에 그려진 사각파는 현실 세계에서는 존재할 수 없습니다.
그러려면 무제한 대역폭이 필요하기 때문입니다.

 

일반적으로 사각파는 다소 왜곡되고 나쁜 조건에서는 더 그럴 수도 있습니다.
왜곡이 여기와 같이 한계 내에 있는 한 여전히 문제가 없습니다.
DA 컨버터의 입력 회로는 클록 신호 내의 특정 지점을 보고 신호가 높은지 낮은지 판별합니다.
신호가 사양 내에 있는 한 여기에서 볼 수 있듯이 오류 없이 작동합니다.
하지만 대역폭이 많이 필요하고 간섭이 가능한 한 적어야 하는 신호입니다.
품질이 좋지 않은 케이블을 사용하거나 접지 루프가 있거나 다른 사고가 발생하면 이와 같이 신호가 쉽게 손상될 수 있습니다.

처음에는 제가 보여준 다른 신호와 크게 다르지 않아 보일 수 있습니다.
하지만 DA 컨버터의 입력 회로가 어떻게 해석하는지 살펴보겠습니다.
첫 번째 클록 사이클 내의 첫 번째 측정값은 양수로 읽힙니다.
하지만 두 번째 측정값만 양수이므로 결과는 0이어야 합니다.
두 번째 클록 사이클은 매우 낮은 값에서 시작하는데, 이는 물론 낮음과 높음으로 해석됩니다. 

클록 사이클 내에 전환이 있으므로 1입니다.
세 번째 사이클은 낮음과 다시 매우 낮음을 표시하여 낮음으로 읽힙니다.
클록 사이클 내의 두 개의 낮음은 0을 의미합니다.
네 번째 사이클은 낮음과 높음을 표시하여 1을 생성합니다.
그리고 다섯 번째 사이클도 낮음과 높음을 표시하여 다시 1을 생성합니다.
이제 이것을 원래 신호와 비교해 보겠습니다.
네 번째 클록 사이클은 1이 아닌 0이어야 함을 알 수 있습니다.

 

디지털 신호의 품질이 중요하다는 것은 분명할 것입니다.
물론 시스템에 중복성이 있습니다.
하지만 디지털에서 아날로그로 변환하기 직전이 아니라 해당 디지털 신호는 진폭과 타이밍 모두에서 정확해야 합니다.
전송 장치가 고정된 속도로 데이터를 계속 전송한다는 사실을 잊지 마십시오.

I2S가 더 나은 이유는 무엇일까요?
클럭과 데이터에 별도의 라인을 두는 것이 AES3에서처럼 오디오 데이터에 클록을 중첩하는 것보다 낫다는 주장입니다.
인정하건대 세 개의 라인이 있어서 중첩할 필요가 없는 것이 덜 복잡합니다.

하지만 제 세트에서 가장 좋은 디지털 전송은 Grimm 오디오 MU1이었습니다.
디지털 출력은 AES3였고 AES/EBU를 사용했습니다.
또한 Network Acoustics Eno AES/EBU 케이블과 30cm Torso 4K HDMI 케이블을 사용하여 Holo Audio Cyan 2에서 Magnam Mano Ultra MK3 패럿의 AES/EBU 및 I2S 출력을 비교했습니다.
그리고 차이를 들을 수 없었습니다.
LAiV DAC를 테스트할 때 차이가 있었습니다.
I2S를 사용할 때 LAiV DAC 내부 클록을 마스터로 사용했지만 외부 클록을 설정하여 Magnum Mano의 클록이 마스터일 때 품질이 동일했습니다.
AES/EBU를 사용하면 Magnum Mano의 클록이 마스터로 작동하기 때문에 놀라운 일입니다.

알아야 할 사항
I2S가 송신 또는 수신 장치인 경우 송신 또는 수신 칩이 좋지 않은 경우,
양쪽 클록의 품질이 좋지 않은 경우,
양쪽 전원 공급 장치에서 비교적 높은 수준의 노이즈가 발생하는 경우,
양쪽에 DC 이동이 있거나 디지털 오디오 신호 케이블의 품질이 좋지 않은 경우 음질에 영향을 미칩니다.

 

AES3 인터페이싱에도 마찬가지이며, 열악한 조건에서는 클록 신호를 별도의 라인에 배치하면 상황이 개선될 수 있습니다. 

하지만 AES3에서는 구성 요소의 수가 적기 때문에 각 구성 요소에 대한 예산이 더 많을 수 있습니다. 

그리고 성능이 떨어지는 HDMI 케이블을 사용할 가능성은 비디오 연결에 적합하지 않기 때문에 다소 낮습니다. 

AES3의 경우 케이블은 S/PDIF 및 싱글 엔드 AES/EBU의 경우 75옴, 밸런스 AES/EBU의 경우 110옴이어야 합니다. 

장비에 사용되는 Toslink 커넥터의 품질이 비교적 낮기 때문에 Toslink는 모든 경우에 열등할 것입니다. 

유리 섬유가 아닌 플라스틱 트랜스듀서입니다.  

결론은 간단합니다. 

송신 장치와 수신 장치 모두에 잘 구현된 클록과 인터페이스가 있고 적절한 품질의 케이블을 사용하면 됩니다. 

I2S와 AES/EBU 또는 S/PIDF 사이에는 신호 차이가 없을 가능성이 큽니다. 

클럭 회로가 좋지 않거나 한쪽 또는 양쪽에 최적이 아닌 인터페이스가 있는 경우 I2S 또는 AES3 중 어느 쪽이 더 나은 사운드를 낼지 예측하기 어렵습니다. 

Toslink는 전송 채널이 좋지 않지만 결국 DC 문제를 해결합니다. 

그러면 가장 좋은 사운드가 들릴 수 있습니다. 

 

이것이 당신이 찾고 있던 답이 아니라는 것을 충분히 알고 있습니다. 

즉, 가장 좋은 사운드를 직접 시도해야 한다는 의미입니다. 

그리고 적절한 품질의 케이블을 사용하는 경우 잘 알려진 제조업체에서 만든 4K 비디오에 지정된 HDMI 케이블이 AES/EBU 또는 S/PDIF가 잘 알려진 제조업체에서 만든 디지털 오디오에 지정된 케이블을 사용하는 것처럼 됩니다. 

Box 시스템에 400유로짜리 스테레오가 없는 한 사운드 품질에 실제로 차이가 있습니다.

 

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Is I2S the Best?

 

I2S is getting more popular by the day for connecting a digital source to a DAC. 

Some say it's the best. 

But is it?

 

It is an abbreviation for inter integrated circuit sound. 

Normal people would have abbreviated to IIS or double IS, but techies like mathematical notation and thus made it “i squared s”. 

It is a standard developed by a Phillips division that now is independent and called NXP semiconductors.

It defines the transport of audio data between audio chips like the S/PDIF receiver chip and a DAC chip.

It was intended to be used within equipment. 

The standard version uses three lines. 

The serial clock SCK, sometimes called the bit clock BCLK. 

Then the word select WS, sometimes referred to as Left Right clock LRCLK or frame sync FS.

And the third line does the serial data SD that alternatively carries the left and right channel audio data.

Although S D is the official name, SDATA , SDIN, SDOUT, DACDAT or ADCDAT are also used.

 

Let me explain this timing diagram. 

The serial clock runs at a sampling rate as indicated by the dotted vertical lines. 

The word select indicates whether the next serial data bits are for the left or the right Channel. Zero is left, one is right. 

The serial data is a pure PCM signal for alternating channels as indicated by the word select line.

 

AES3 Formats

When digital audio was developed Sony developed the SD standard where in short two BNC cables were used one for each channel. 

The most common forms are SD2 PCM and SD2 DSD.

They are almost exclusively used for professional applications. 

When Sony and Phillips introduced the compact disc, they also introduced the Sony Phillips digital interface format abbreviated to S/PDIF for the consumer market.

 

Both the galvanic version using RCA connectors and an optical version using Toslink connectors were developed. 

For the galvanic version, the name S/PDIF was used. 

And the optical connection became known as Toslink after the name of the optical connector. 

Toslink is an abbreviation of Toshiba Link. 

At the same time, Sony and Phils developed a variation for the professional audio industry. 

And had it standardized by both the Audio Engineering Society, AES for short, and the European Broadcasting Union, EBU for short. 

AES/EBU works at a higher voltage up to 5 volts, where S/PDIF uses 0.5 volts. 

And AES/EBU uses a 110 ohm balance cable terminated with XLR3 connections that became standard known as the AES/EBU digital interface.

Later on a single ended 75 ohm version was defined. 

So that it could be connected over video lines in video production centers.

Nowadays, S/PDIF is often called coax and Toslink Optical. 

All four are now grouped in the AES3 and IEC 60958 interface standards.

 

Apart from the small differences in status bits that in AES/EBU are more aimed at professional use. 

The formats are fully identical; they have the clock signal embedded in the audio data. 

It works like this. 

 

Bi-phase Mark (S/PDIF, TOSLINK, AES/EBU)

Digital signals are in fact analog square waves looking like. 

In all four AES3 versions this basic Square wave is in fact the clock signal and the zero at the same time. 

Once are formed by a square wave of double the frequency. 

But alternating between the square waves of either frequency both ones and zeros can be sent. 

This is how such a signal would look like with the clock cycles indicated by the dotted vertical lines. 

Whether a zero or a one is sent can only be seen by looking for a polarity change within a clock cycle.

Looking at the first cycle, we see the signal being high during the entire cycle. 

There's no change in polarity meaning it's a zero. 

The second cycle has a transition from low to high halfway the clock cycle and therefore is a one. 

Those could have been a transition from high to low; it's a polarity change within the cycle that counts. 

The third cycle remains low. So no polarity changes thus a zero. 

The fourth cycle remains high. Again no polarity changes within the clock thus a zero. 

The fifth cycle goes from low to high halfway. So it's a one. 

Unfortunately square waves as drawn here cannot exist in the real world. 

Since that would require unlimited bandwidth. 

 

Normally square waves are more or less distorted and under bad conditions might end up looking more like. 

This still that's no problem as long as the distortion is within limits like here. 

The input circuit of the DA converter looks at certain points within the clock signal to determine whether the signal is high or low. 

As long as the signal remains within specifications, it will still work without errors as can be seen here. 

But it's a signal that requires a lot of bandwidth and as little interference as possible. 

The use of a poor quality cable, the presence of a ground Loop or other mishap can easily mutilate the signal like this.

 

At first this might not look that much difference from the other signal I showed. 

But let's see how the input circuit of the DA converter interprets it. 

The first measurement within the first clock cycle reads positive. 

But only the second measurement is also positive so the result must be zero.

The second clock cycle starts with a very low that will be interpreted as a low of course and a high. Since there is a transition within the clock cycle, it's a one. 

The third cycle shows a low and again a very low that will be read as a low. 

Two lows within the clock cycle mean a zero. 

The fourth cycle shows a low and a high resulting in a one. 

And the fifth cycle shows a low and a high as well resulting again in a one. 

Now let's compare this to the original signal. 

And you will see that the forth clock cycle should have been a zero instead of a one. 

 

It might be clear that the quality of the digital signal is of importance. 

Of course there is redundancy in the system. 

But not just prior to the digital to analog conversion that digital signal needs to be accurate in both amplitude and timing. 

Don't forget the sending device keeps on sending data at a fixed rate. 

 

Why would I2S be better?

The argument is that having separate lines for clock and data would be better than superimposing the clock in the audio data as done with AES3. 

Admittedly having three lines and thus no need for superimposing is less complex. 

 

But the best digital transport I had in my set of one was the Grimm audio MU1.

Its digital outputs were AES3 of which I used AES/EBU.

I also compared the AES/EBU and I2S outputs of the Magnam Mano Ultra MK3 farad on the Holo Audio Cyan 2 using Network Acoustics Eno AES/EBU cable and a 30 cm Torso 4K HDMI cable.

And I couldn't hear a difference. 

When testing the LAiV DAC there was a difference. 

When I used the LAiV DAC internal clock as Master when using I2S but when the external clock was set and thus the clock in the Magnum Mano was the master the quality was equal. 

Which is surprising since with AES/EBU the clock in the Magnum Mano functions as master.

 

What’s to learn

If an I2S is either the sending or receiving device uses either poor sender or receiver chips. 

If the clock on either side is of poor quality. 

If the power supply on either side produces relatively high levels of noise. 

If there is a DC shift on either side or if the Interlink is of poor quality the sound quality will be influenced. 

The same goes for AES3 interfacing and yes under poor conditions having the clock signal on a separate line could improve the situation. 

But on AES3 the number of components is smaller so there might be more budget for each component. 

And yes the chance of having an HDMI cable that underperforms is rather small since it wouldn't work good on the video connections it is made for. 

With AES3 the cable has to be 75 ohms for S/PDIF and single-ended AES/EBU and 110 ohm for Balanced AES/EBU. 

Toslink will in all cases be inferior given the relatively low quality of Toslink connectors used in equipment; it's a plastic transducer not glassfiber.

 

The conclusion is simple. 

If both the sending and receiving device have well implemented clocks and interfaces and a proper quality cable is used between them. 

There most likely will be no sign difference between I2S and AES/EBU or S/PIDF. 

If there is a poor clock circuit and or a less than optimal interface on one or even both sides it's hard to predict whether I2S or AES3 will sound better. 

Although Toslink is a poor transmission channel, it solves eventual DC problems. 

And then might sound the best. 

I'm fully aware that this is not the answer you were looking for. 

It means that you have to try for yourself what sounds best. 

And when you do use proper quality cables HDMI cables specified for 4K video made by a well-known manufacturer will do as AES/EBU or S/PDIF use cables specified for digital audio again from well known manufacturers. 

It really makes a difference in sound quality unless you have a 400 EUR stereo in the Box system.

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bi-phase mark에 대해서는 매우 많은 시간을 들여 자세하게 설명해 주었는데요... 이것은 디지털 신호를 전송하는 데 있어 어떤 부분이 취약할 수 있는지에 대한 설명하는 데는 매우 적합하지만... I2S를 설명하는 데는 그다지 도움이 되지 않고 변죽을 울리는 것에 불과합니다.

bi-phase mark 설명은 차라리 디지털 오디오 케이블 설명하는 데 사용하는 것이 더 도움이 되지 않을까 싶습니다. 

 

엄한데 시간을 다 쏟다 보니... 실제 I2S 테스트 환경은 그다지 정교하지 못했고 부실한 테스트를 가지고 서둘러서 결론을 도출해 낸 것 같은데요... (일주일에 한 개씩 만든 것이다 보니 공부하고 자료를 정리하고 그림을 만들어내기까지 시간 제약이 있었을 것 같습니다... 고생이 많으십니다...) 

 

결론을 내린 논리와 과정도 적합하다고 보기 매우 힘든데...

나중에 이를 보완하는 추가 포스팅이 나오게 되지 않을까 예상해 봅니다.

결과도 달라질 것으로 예상해 봅니다.