Externe USB Soundkarte mit Opto Out, 5.1 Ton, HiFi

Externe USB-Soundkarte mit exzellenten Audio-Werten,
optischer Ausgabe von 5.1-Kinoton.
Läuft ohne Treiber mit Windows, Mac-OS und Linux.
Kosten: <20 Euro

Nicht zu machen? Doch. Und zwar mit den USB-Soundchips PCM2704 der Edelschmiede BurrBrown.
Dieser IC hat bereits in der Standardschaltung so fantastische Daten, dass er in der High-End-Szene längst als Audio-Geheimtipp gilt.

Technische Parameter	Wert
THD+N	0.006% bei R_l > 10 kOhm 0.025 bei R_l = 32 Ohm
Dynamikbereich	98 dB
Filter	Digitales Oversamplingfilter Analoger Tiefpass mit fg = 140 kHz (0,1 dB Absenkung bei 20 kHz)
Ripple im Durchlassbereich	± 0,04 dB
Ausgangsleistung	12 mW an R_l = 32 Ohm
Ausgangslast	>16 Ohm
Wandlertyp	16 bit Stereo Delta-Sigma DAC
Digitalausgang	S/PDIF, mehrkanalfähig
Samplingfrequenz	32, 44.1, 48 kHz

Über einen optischen Toslink können sogar Mehrkanal-Anlagen und D/A-Wandler angeschlossen werden. Mit dieser Soundkarte kann man daher jeden Laptop zum 5-Kanal Kinoton-Zuspieler machen oder mit ihm Musik in HiFi-Qualität genießen.
Die Karte hat einen leistungsfähigen Kopfhörerausgang, für den die oben erwähnten Audiodaten gelten.
Wahlweise können auch Chinch-Buchsen bestückt werden, um eine HiFi-Anlage auf analogem Weg anzuschließen.

Ein Bastelprojekt vor mehreren Jahren im Elektor mit zusätzlichen Analogfiltern schien mir unmotiviert aufwendig und der Nutzen fraglich. Schließlich soll das Analogsignal nur für den Kopfhörer dienen und nicht wieder neu digitalisiert werden.

Formate

Dieses Selbstbauprojekt gibt Quellen mit 32 und 44.1 und 48 kHz im Originaltakt aus. Daher sind Dolby 5.1 und DTS 5.1 möglich. Etliche käufliche USB-Soundkarten unterstützen nur die Ausgabe von 48 kHz, wodurch sie keinen Mehrkanal-Ton ausgegeben können (böse Falle).
Alle gängigen Musikformate werden somit ohne Resampling wiedergegeben. Alle anderen Abtastfrequenzen werden im PCM2704 auf 48 kHz herauf oder herab skaliert.

Hartes

Schaltung ( PNG, Eagle-Datei) – Leiterplatte ( PNG, PDF, Eagle-Datei) – Stückliste und Bezugsadressen
Im Visaton-Forum bietet jemand fertige Leiterplatten zum Selbstkostenpreis (posting #54)

Fotostrecke

Hinweis zum Löten:
Den kleinen Krabbler PCM2704 unbedingt mit 0.3er-Feinlot auflöten und anschließend unter Zuhilfenahme von Lupe und Entlötlitze die Straßen zischen den Beinchen zinnfrei saugen. Das funktioniert recht gut. Bei mir spielte die Schaltung auf Anhieb.

Gehäusevarianten
Mit Absicht sollte dieses Projekt kein direkt steckbarer USB Stick werden. Ein Stick ragt immer über das Notebook hinaus. Wenn man an so einen Stick stößt, wird schnell die USB-Buchse zerstört oder sie bricht heraus.
Absichtlich wurden keine SMD-Bauteile verwendet. Dadurch reicht eine 1-seitige Leiterplatte. Die Oberseite habe ich beim Prototyp als zusätzliche durchgehende Massefläche belassen, sie muss nicht geätzt werden. Du kannst sie auch weglassen.

Die Leiterplatte nutzt nur einen Teil des großen Gehäuses (Reichelt SP2062). Der freie Platz dient für zusätzliche Buchsen, wie Chinch-Buchsen oder eine große Klinkenbuchse für Kopfhörer (siehe Foto ganz oben). Wenn beides nicht benötigt wird, kannst du natürlich ein kleineres Gehäuse nehmen.
In der Extremvariante besteht die Soundkarte nur aus dem optischen Ausgang. In diesem Fall kann der ganze Analogteil abgesägt werden, und die Leiterplatte passt dann sogar in ein winziges Gehäuse.
Die rechteckigen Ausssparungen im Gehäuse für den TOSLINK und die USB-Buchse habe ich zunächst gefeilt, und anschließend mit einem Skalpell glatt geschnitten.

Eine Leiterplatte, drei Größenvarianten (mit Analogteil – nur optischer Ausgang – zusätzlich beschnitten)

Treiber

Die Karte wird unter Windows, Mac und Linux automatisch als "USB-Audiogerät" erkannt und richtig angesprochen.

Getestet habe ich unter Windows 2000, Windows XP und Linux (Knoppix 5.2).
Unter Windows und Linux waren bei mir keine Administratorrechte nötig.

USB-Audiogerät im Windows Mixer unter Windows 2000

Wenn die Karte bereits beim Systemstart via USB angeschlossen ist, wird sie als primäre Soundkarte vom Betriebssystem eingebunden und daher automatisch von allen Programmen angesprochen. Steckt man sie später an, dann erfordern einige Anwendungen in ihren Optionen die explizite Auswahl einer der im System vorhanden Soundkarten. Andere Programme, wie zum Beispiel Winamp nutzen automatisch USB Audio, sobald die Karte gesteckt wird.
Die meisten Programm nutzen USB-Audio automatisch, wenn sie neu gestartet wurden.

Die Latenz beträgt angeblich nur 7 ms auf dem Mac und 4 ms unter Windows mit einem speziellem ASIO-Treiber (www.usb-audio.com/de/).

Software-Einstellungen

Windows:
Winamp: erkennt dynamisch eine angeschlossene USB-Soundkarte und verwendet diese sofort beim Drücken von "Play"
andere Wiedergabeprogramme, Browser müssen eventuell erst neu gestartet werden

Linux:
CMMS 1.2. (Linux Player): USB-Audiogerät auswählen unter Einstellungen des OSS Treibers > Konfiguration > Audio-Gerät

Software-Einstellungen für Wiedergabe von 5.1 Kino-Ton

Windows:
Wenn noch nicht geschehen, sollte unter Windows mindestens DirectX 9c installiert werden. Sonst kann es Probleme bei der Erkennung von Video-DVDs im Laufwerk geben, und man erhält kryptische Fehlermeldungen.

Im Grunde ist es ganz einfach: Der Audiodatenstrom muss ohne jede Veränderung die Soundkarte erreichen, und zwar bitgenau. Wegen der verschachtelten Soundarchitektur von Windows und der hier ganz unerwünschten Intelligenz der Abspielprogramme ist das oft etwas hakelig.
Die meisten Videoplayer-Programme bearbeiten eigenmächtig den Audiodatenstrom – je nachdem, welche Art der Kodierung sie zu erkennen glauben. Da gibt es Optionen wie Lautstärkenormalisierung, Umrechnung auf Stereo, Virtueller Surroundklang, Wandlung nach Dolby Surround, Equalizer und anderes. Diese sind alle abzuwählen!

In [4] wird die Empfehlung gegeben, HQ-Audio unter Windows besser über einen ASIO-Treiber auszugeben, weil auf diese Weise sämtliche versteckten Signalskalierungen der Windows-Mixer umgangen werden.

Vorbereitungen

im Windows Mixer den Regler für Wave und Summensignal jeweils auf 100% einstellen
(eventuell zusätzlich installieren und einstellen) in der Systemsteuerung den AC3-Filter so einstellen, wie hier gezeigt 1, 2, 3, 4, 5, 6
im gewählten Wiedergabeprogramm unbedingt Lautstärke 100% setzen und alle Audio-Plugins, EQ abschalten

Schnelltest
Kopfhörer anschließen: hier muss beim abspielen ein digitales Rauschen erscheinen, während der optisch angeschlossene Verstärker das Nutzsignal dekodiert.

Quelle (Testsignale)	Winamp	MPC¹⁾	WMP 9	VLC 0.86²⁾
WAV svradio DD640	X	X	X	-
WAV svradio DTS	X	X	X	-
AC3 lynnemusic	-	X	-	-
WMA lyynemusik	-	-	-	-

MPG, AVI – DTS 5.1		X
MPG, AVI – DD 5.1 (ac3)		X
DVD DTS 5.1		X^1b)
DVD DD 5.1		X^1b)

Wiedergabe möglicher Formate von 5.1-Ton in verschiedenen Programmen

¹⁾ MPC (ab v1.1.604 Homecinema) Im Menue die Softwaredecoder deaktivieren mittels:
Play > Filters > AC3-AudioDecoder: bei beiden Formaten als Ausgabe [×] SPDIF auswählen

^1b) MPC (bis 6.4.9.1) spielte nach Deaktivieren des eingebauten Matrix Mixers mittels: Play > Filters > Matrix Mixer: deaktivieren und
Options > Internal Filters > Audio Switcher: deaktivieren (sonst wird der AC3-Strom dekodiert und neu verpackt).
Wiedergabe von DVD ist mit dieser Version nicht möglich.

²⁾VLC dekodiert leider alle Surroundformate selbst, was unbedingt vermieden werden muss. Dadurch wird an die PCM2704-Soundkarte kein 5.1-Ton durchgereicht.

PowerDVD 5.0 DVD: friert bei mir ein, wenn SPDIF ausgewählt wird (USB beim WindowsBoot anwesend)
PowerDVD 7.0 DVD: erkennt den SPDIF-Ausgang nicht und bietet ihn daher nicht an.

Weitere Hinweise sind willkommen.

Achtung:
Wenn Mehrkanalton per SPDIF ausgegeben wird, ist auf den Audioäusgängen digitaler Noise zu hören, der zur Zerstörung der Hochtöner in den heimischen Lautsprechern führen kann!

Wenn dein Multimedia-Verstärker digitale Eingangssignale sehr schnell erkennt und wenn sich in seinen Optionen der Vorrang dieser Digitaldaten vor dem Analogsignal einstellen lässt, können beide Signalarten (analog und digital) dem selben Eingang zugeordnet werden. Sonst empfehle ich, den Verstärker zur Sicherheit nur per SPDIF anzukoppeln.

Testsignale

Quellen:
http://pessoal.onda.com.br/rjamorim/stuff/test.ac3.zip: ac3-Testdatei, lässt sich mit VLC, MPC abspielen

http://www.lynnemusic.com/surround.html: 5.1 Musiksamples, AC3 und WMA-Format

Der schwedische Rundfunk Sweriges Radio bietet eigene Multikanal-Aufnahmen zum Download an. Darunter sind sowohl Testsignale als auch einige Musikaufnahmen. Die Bitrate der Beispiele beträgt bei Dolby Digital 640 Kb/s und bei DTS 1.5 Mb/s.

Dateiformate:
Die Wavedateien kann man jedem einfachen Audioprogramm, wie zum Beispiel mit Winamp abspielen. Das kodierte Signal liefert am Analogausgang ein Rauschen, denn die DD oder DTS-Bifolgen ergeben dort natürlich keine sinnvollen analogen Abtastwerte. Das SPDIF-Signal ist jedoch korrekt.

Zur Wiedergabe von Dolby Digital Dateien, erkennbar an der Endung .ac3 benötigt man eine Anwendung, die mit diesem Datenformat umgehen kann. Ich konnte die Testsequenz mit dem MPC abspielen, wobei die Einstellungen ebenso waren wie für die Wiedergabe von Videos mit Mehrkanalton.

Tuning

Wenn am Analogausgang kein Kopfhörer sondern die hochohmige Hifi-Anlage angeschlossen wird, solltest du die Antipop-Widerstände R1, R10, R11, R12 weglassen oder sie durch etwa 220 kΩ ersetzten. Das reduziert den Klirrfaktor auf typisch 0.006%.
C11 und C13 ersetzen durch bipolare Blackgate N (habe ich nicht ausprobiert)
Stützkondensator C10 ersetzen durch Blackgate Standard (habe ich nicht ausprobiert) (Blackgates gibts bei www.audiotuning.de)

Mit einem separaten 3,3 V Spannungsregulator für die digitale Versorgungspannung (Pin 2) ließen sich letzte Reste von Taktinterferenzen noch geringfügig minimieren.[1]
Der bei hochohmiger Last extrem geringe Klirrfaktor am Ausgang entspricht fast dem theoretischen Minimum. Durch separate Kopfhörertreiber könnte dieser Wert auch an niederohmigen Lasten bereitgestellt werden. Der Nutzen wäre allerdings eher akademisch. Ich kenne keinen Kopfhörer, dessen Klirrfaktor noch unter 0,025% liegt.

Ein Beispiel für Extreme-Tuning ist das kommerzielle Produkt Corda Move von Meier-Audio, das ebenfalls auf dem PCM2704 beruht (Link unten).

Service-Tipps

Die Karte läuft robust seit 2007 ständig an verschiedenen PCs.

Mechanischer Schwachpunkt:
Die Mini USB-Buchse hat extrem kurze Beinchen, die eigentlich nur für durchkontaktierte Leiterplatten geeignet sind.
Ohne durchkontaktierte Leiterplatte kann sich irgendwann ein Beinchen aus einer Lötstelle lösen, wenn der USB-Stecker oft gesteckt wird. Nachlöten hilft.

Nachtrag 2010:
Sämtliche Buchsen sollten zusätzlich mit zwei Tropfen Thermokleber fixiert werden, da sich sonst durch die mechanische Belastung immer mal wieder einzelne Lötverbindungen lösen. Das betrifft den USB-Anschluss, die Mini-Klinkenbuchse und den Optowandler.

Links

[1] Tagebuchberichte des PCM2704-Entwicklers Hitoshi Kondoh (Teil1, Teil 2 und Teil 3)

Dass die Ausgabe von SPDIF-Datenströmen aus einem asynchronen USB-Datenstrom keine triviale Aufgabe ist, wird spätestens klar, wenn man sich dieses Blog „The D/A Diaries“ des Entwicklers Hitoshi Kondoh durchliest. Die Beschreibungen lesen sich stellenweise wie ein Krimi.

[2] www.asio4all.de – Freier Asio-Treiber für WDM-Audio, ermöglicht die Soundwiedergabe mit niedriger Latenz unter Windows

[3] ac3filter.net freier Audio-Filter von Alexander Vigovsky zur Wiedergabe von 5.1 DD und DTS-Quellen auf Windows-Systemen, Winamp plugin für DD und DTS

[4] HQ-Audio Hochaufgelöster Musikgenuss am PC, sehr informativer Artikel in ct, Heft 15 2009, S. 156-161

Nachbauten

Fotos von Nachbauten sind auf Seite 2