TOSLINK

TOSLINK ist kein eigenes Tonformat, sondern eine Bauweise: die optische Ausführung von S/PDIF. Übertragen werden dieselben Daten wie über die koaxiale Variante, nur nicht als Spannung durch Kupfer, sondern als rotes Licht durch einen Kunststoff-Lichtleiter. Der Name geht auf Toshiba zurück, das Verfahren ist als JEITA-Norm festgeschrieben.

Ausführliche Erklärung

Im Sendemodul sitzt eine rote Leuchtdiode mit einer Spitzenwellenlänge von 650 nm, im Empfänger eine Fotodiode. Dazwischen liegt ein Kunststoff-Lichtleiter, üblicherweise mit rund 1 mm Kerndurchmesser. Der Steckverbinder ist die quadratische Bauform nach EIAJ RC-5720B, die elektrische und optische Schnittstelle folgt der JEITA-Norm CP-1212 für Digitalaudio in Consumer-Geräten. Ein rein optisches Bauteil ist das nicht: Es sind zwei Wandlungen, elektrisch nach optisch und wieder zurück, und die Grenzen der Strecke stehen im Datenblatt dieser Module, nicht in einer Audio-Norm.

Drei dieser Grenzen sind planungsrelevant, und alle drei lassen sich am verbreiteten Toshiba-Modul TOTX147 nachlesen.

Erstens die Länge. Toshiba gibt für dieses Modul mit passendem Empfänger und einfacher Kunststofffaser eine Übertragungsdistanz von 0,2 bis 5 m an. Fünf Meter sind damit keine Schätzung, sondern der spezifizierte Wert einer üblichen Bauteilpaarung. Längere Konfektionen sind zu kaufen und funktionieren oft — aber sie funktionieren außerhalb dessen, was der Hersteller zusichert, und ob sie es tun, hängt an den Modulen beider Geräte.

Zweitens die Datenrate. Dasselbe Datenblatt nennt maximal 7,5 Mbit/s für ein Biphase-Signal. Aus dem Rahmenaufbau von S/PDIF ergibt sich, was das bedeutet: Ein Abtastframe belegt 64 Zeitschlitze, macht 3,072 Mbit/s bei 48 kHz, 6,144 Mbit/s bei 96 kHz — und 12,288 Mbit/s bei 192 kHz. Die letzte Zahl liegt über der Angabe des Moduls. Dass viele Geräte über TOSLINK bei 96 kHz aufhören, ist deshalb keine Willkür der Hersteller, sondern eine Eigenschaft der verbauten Optik.

Drittens die Mechanik. Kunststofffaser überträgt Licht durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel. Wird die Faser zu eng gebogen, trifft ein Teil des Lichts diese Grenzfläche zu steil und tritt aus — der Pegel am Empfänger sinkt. Ein scharfer Knick kann die Faser dauerhaft schädigen, ohne dass man es von außen sieht. Ein Lichtleiter ist deshalb nichts, was man in einer Wanddose eng zurücklegt oder mit Zug durch ein enges Leerrohr zieht.

Was diese drei Einschränkungen aufwiegt, ist eine einzige Eigenschaft: Zwischen Sender und Empfänger besteht keine elektrische Verbindung. Über diesen Signalweg kann sich keine Masseschleife schließen, und eingestreute elektromagnetische Störungen erreichen die Faser gar nicht erst. In Anlagen, in denen Geräte an verschiedenen Stromkreisen hängen oder in denen eine Antennen- oder Netzwerkzuleitung eine Verbindung nach außen herstellt, ist das der Grund, warum TOSLINK überhaupt gewählt wird.

Häufiges Missverständnis

„Optisch löst Brummprobleme." Das gilt genau dann, wenn die Schleife tatsächlich über diesen Signalweg läuft — und das ist häufig nicht der Fall. Eine Masseschleife braucht zwei leitende Verbindungen zwischen denselben Geräten. Trennt man die eine auf und lässt die andere stehen, etwa den Antennenanschluss des Fernsehers oder den Schirm einer Netzwerkleitung, bleibt das Brummen. Der optische Weg ist ein Werkzeug gegen ein bestimmtes Problem, kein allgemeines Entstörmittel; die Frage davor lautet immer, über welche zwei Pfade sich die Schleife schließt.

Dazu kommt eine Nebenannahme, die selten stimmt: dass die koaxiale Variante zwangsläufig elektrisch durchverbunden ist. S/PDIF über Kupfer war von vornherein mit einem Übertrager am Ausgang gedacht und wäre damit ebenfalls getrennt — nur bauen längst nicht alle Geräte ihn ein. Optisch ist also der sichere Weg, nicht der einzige.

Der zweite verbreitete Satz lautet: „Optisch klingt schlechter, wegen Jitter." Richtig daran ist, dass jede Wandlung von elektrisch nach optisch und zurück Unsicherheit in die Flankenlage einträgt. Die Daten selbst sind davon nicht betroffen — sie kommen an oder gar nicht. Ob die verbleibende Taktunsicherheit hörbar wird, hängt daran, wie der Empfänger seinen Takt zurückgewinnt. Geräte, die den Datenstrom puffern und mit einem asynchronen Sample-Rate-Converter (ASRC) wandeln, entkoppeln sich davon weitgehend: Am Ausgang eines solchen Wandlers läuft ein freilaufender Quarzoszillator, der mit dem ankommenden Takt nichts mehr zu tun hat — der Eingangsjitter der optischen Strecke erreicht das Ausgangssignal dadurch praktisch nicht mehr.

Eine perfekte Lösung ist das trotzdem nicht. Die Wandlung selbst — ob D/A-Wandlung oder Resampling im ASRC — bringt eigene Unsicherheit und eigenen Jitter mit, unabhängig davon, was auf der Zuleitung ankam. Die Entkopplung verschiebt das Problem vom Kabel ins Gerät, sie löst es nicht auf.

Nicht zu verwechseln mit

• S/PDIF koaxial: dieselben Daten über 75-Ohm-Kupfer, mit größerer Reichweite und ohne die Längenbegrenzung der Kunststofffaser.
• Glasfaser im Datennetz: andere Fasertypen, andere Wellenlängen, andere Steckverbinder — mit TOSLINK nur das Wort „optisch" gemeinsam.
• Optische HDMI-Kabel (AOC): HDMI-Stecker mit Faser im Inneren, für lange Bild- und Tonstrecken. Kein S/PDIF.
• ADAT Lightpipe: benutzt denselben Steckverbinder, überträgt aber ein anderes Format mit acht Kanälen. Der Stecker sagt auch hier nichts über das Signal.

Typischer Fehler

Ein Wohnzimmer brummt. Fernseher, Streamer und ein aktiver Subwoofer hängen an derselben Anlage, der Ton kommt über den koaxialen Digitalausgang des Fernsehers, und im Netz steht, optisch löse das Problem. Der Kunde kauft ein optisches Kabel, steckt um — und das Brummen bleibt.

Bevor irgendwo umgesteckt wird: Über welche zwei Wege ist der Ring geschlossen? Meist läuft der zweite Weg gar nicht über das Tonkabel, sondern über den Antennen- oder Kabelanschluss des Fernsehers oder über die Cinch-Leitung zum aktiven Subwoofer, deren Schirm zwei Schutzleiter miteinander verbindet. Solange dieser zweite Pfad steht, ändert der optische Ersatz für den ersten nichts.

Die Abhilfe ist damit festgelegt: den Ring an genau einer Stelle auftrennen, und zwar an der, über die er tatsächlich läuft — Mantelstromfilter im Antennenweg, galvanische Trennung im Subwoofer-Signalweg, oder eben der optische Digitalausgang, wenn die Schleife dort verläuft. Erst danach kommt die Gerätefrage, und die ist dann klein: ein Bauteil für unter fünfzig Euro statt eines neuen Verstärkers.

Zwei Dinge sollte man bei dieser Gelegenheit gleich mit klären, weil sie sonst als Folgeproblem wiederkommen: ob die gewünschten Tonformate über S/PDIF überhaupt ankommen — bei objektbasiertem Ton tun sie das nicht — und wie lang die optische Strecke werden soll. Fünf Meter sind die spezifizierte Grenze, und ein Leerrohr mit engen Bögen ist für Kunststofffaser der falsche Weg.

Verknüpfte Inhalte

Was über diese Schnittstelle überhaupt übertragen wird und wo ihre Formatgrenze liegt, steht bei S/PDIF; die professionelle Ausprägung derselben Datenstruktur bei AES3. Warum Fasern nicht beliebig eng gebogen werden dürfen, behandelt der Eintrag zum Mindestbiegeradius, die Unterschiede zu den Fasern in Datennetzen der Eintrag zum Lichtwellenleiter.

Quellen

Wellenlänge, Fasertyp, Steckverbindernorm, Übertragungsdistanz und Datenrate stammen aus dem Toshiba-Datenblatt zum Sendemodul TOTX147, das für diese Seite am Objekt gelesen wurde. Die Zuordnung der optischen Variante zu S/PDIF und zur Normreihe IEC 60958 folgt RaneNote 149; die Rechnung von der Abtastrate zur Datenrate dem Rahmenaufbau aus dem AES3-Normtext. Der Entkopplungsmechanismus eines asynchronen Sample-Rate-Converters gegen Eingangsjitter und die Einschränkung durch die eigene Unsicherheit der Wandlung folgen Dunn (Audio Precision / Nanophon, TN-23 Jitter Theory).