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).

S/PDIF ist die für Consumer-Geräte gedachte Ausprägung der Digitalaudio-Schnittstelle nach IEC 60958. Sie transportiert zwei Kanäle linear codiertes Audio — oder, in denselben Rahmen verpackt, einen komprimierten Mehrkanal-Bitstream. Die Abkürzung steht für Sony/Philips Digital Interface; als Norm heißt sie IEC 60958-3.

Ausführliche Erklärung

Unter der Oberfläche ist S/PDIF kein eigenes Datenformat, sondern dieselbe serielle Struktur, die auch die professionelle Schnittstelle AES3 benutzt. Ein Subframe umfasst 32 Zeitschlitze und enthält einen Abtastwert eines Kanals, zwei Subframes bilden einen Frame, 192 Frames einen Block. Codiert wird im Biphase-Mark-Verfahren, das den Takt in den Datenstrom hineinlegt — der Empfänger braucht deshalb keine zweite Leitung für die Uhr. Bei 48 kHz Abtastrate ergibt das 3,072 Mbit/s.

Getrennt sind die beiden Welten nicht am Ton, sondern am Beipack. In den Zeitschlitzen für den Channel Status stehen bei S/PDIF andere Angaben als bei AES3 — unter anderem das Kopierschutz-Flag SCMS. Dennis Bohn hat das in der Anwendungsschrift RaneNote 149 auf die knappste Form gebracht: Die Audiodaten sind dieselben, die Subcode-Formate sind es nicht. Wer beide Welten koppelt, ändert das Übertragungsmedium, nicht das Format.

S/PDIF hat zwei physische Ausführungen, und beide übertragen exakt dieselben Daten:

Die zweite Spalte ist der eigene Eintrag TOSLINK; dort stehen auch die Gründe, warum sie in der Praxis oft die bessere und manchmal die schlechtere Wahl ist.

Interessanter für die Planung ist die Obergrenze. In den Zwei-Kanal-Rahmen lassen sich nach der Normreihe IEC 61937 auch komprimierte Mehrkanalspuren hineinpacken — Dolby Digital und DTS in ihren klassischen Fassungen laufen so über eine Leitung, die formal nur zwei Kanäle kennt. Was nicht mehr hineinpasst, sind die verlustfreien und objektbasierten Tonspuren aktueller Discs und Streamingdienste: Dolby TrueHD, DTS-HD Master Audio und alles, was darauf aufbaut. Dafür gibt es HDMI und eARC. Ein Gerät, das an S/PDIF hängt, fällt entweder auf die komprimierte Fassung zurück oder gibt nur Stereo aus — und beides ist kein Fehler, sondern die Schnittstelle.

Klar, damit klingt S/PDIF nach Auslaufmodell. Ist es aber nicht: Wo ohnehin nur Stereo läuft — Streamer zum Wandler, CD-Laufwerk zum Verstärker, Fernseher zur Soundbar mit Zweikanalton —, überträgt die Schnittstelle genau das, was gebraucht wird, ohne Handshake, ohne HDCP, ohne EDID-Verhandlung. Sie ist unspektakulär zuverlässig, solange man ihr nicht mehr abverlangt, als sie kann.

Häufiges Missverständnis

„Digital ist digital, das Kabel ist also egal." Der erste Teil stimmt: Ein Bit kommt an oder nicht, und ein teures Kabel macht den Ton nicht wärmer. Der zweite Teil stimmt nicht, weil die elektrische Variante eine Hochfrequenzleitung mit 75 Ω Wellenwiderstand ist. Ein gewöhnliches Analog-Cinchkabel hat diesen Wert nicht — es ist für Audiofrequenzen gebaut, nicht für Signalflanken im Megahertzbereich. Auf einem Meter merkt man davon nichts. Auf zehn Metern durch ein Leerrohr merkt man es sehr wohl, und zwar nicht als schleichende Verschlechterung, sondern als Aussetzer oder als Verbindung, die gar nicht erst zustande kommt. Warum das so ist, steht ausführlich beim Wellenwiderstand und, an einem härteren Beispiel durchgerechnet, bei AES3.

Als Nächstes das Format. Viele gehen davon aus, HDMI übertrage denselben Ton wie der Digitalausgang und zusätzlich nur das Bild. Tatsächlich unterscheiden sich beide Wege im Ton erheblich: S/PDIF überträgt zwei PCM-Kanäle oder einen komprimierten Bitstream, HDMI zusätzlich verlustfreie und objektbasierte Formate. Wer den Digitalausgang benutzt, weil er „unabhängiger vom Fernseher" ist, kauft diese Unabhängigkeit mit dem Tonformat.

Nicht zu verwechseln mit

• AES3: dieselbe Datenstruktur in der professionellen Ausprägung — symmetrisch, 110 Ω, andere Pegel, anderer Channel Status.
• TOSLINK: der optische Steckverbinder samt Lichtleiter. Er überträgt S/PDIF, ist aber kein eigenes Format.
• HDMI und eARC: der breitere Weg, über den auch verlustfreie und objektbasierte Tonspuren laufen.
• USB Audio: eine Rechnerschnittstelle mit eigenem Protokoll und eigener Taktführung, kein IEC-60958-Rahmen.

In der Planung

Ein Wohnzimmer wird umgebaut, der Fernseher hängt künftig an der Wand, der Verstärker steht im Sideboard fünf Meter daneben. Der Kunde nennt als Ziel „Atmos aus den Streaming-Apps des Fernsehers" und fragt, ob ein Koaxkabel im Leerrohr reicht.

Welches Tonformat soll am Prozessor ankommen? Danach richtet sich das Kabel: Welches Tonformat soll am Prozessor ankommen? Sobald objektbasierter Ton dabei ist, ist S/PDIF raus — unabhängig davon, wie gut die Leitung ist. Damit steht das Verfahren fest: Rückkanal über HDMI mit eARC, also eine HDMI-Strecke zwischen Fernseher und Verstärker, und die will im Leerrohr anders behandelt werden als ein dünnes Koaxkabel. Die Gerätewahl zuletzt — sie fällt enger aus als gedacht, weil beide Seiten eARC beherrschen müssen.

Der Digitalausgang bleibt trotzdem sinnvoll — als zweiter, formatarmer Weg für den Fall, dass die HDMI-Verhandlung nach einem Firmware-Update klemmt. Genau dafür ist er gut: Er kann wenig, aber das ohne Voraussetzungen.

Verknüpfte Inhalte

Die professionelle Ausprägung derselben Schnittstelle behandelt AES3, die optische Ausführung TOSLINK. Warum die 75-Ohm-Angabe eine Anforderung und kein Etikett ist, steht beim Wellenwiderstand. Wohin die Formate wandern, die hier nicht mehr durchpassen, klärt der Eintrag zu eARC und ARC.

Quellen

Normzuordnung, elektrische Parameter und die maximale Distanz von zehn Metern stammen aus RaneNote 149; der Rahmenaufbau aus 32 Zeitschlitzen, zwei Subframes und 192 Frames sowie die Biphase-Mark-Codierung aus dem AES3-Normtext, den S/PDIF unverändert übernimmt. Beide wurden für diese Seite im Volltext eingesehen.