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模擬、數(shù)字音頻、平衡與非平衡接口
發(fā)布日期:2021-1-19   點(diǎn)擊次數(shù):
      音頻接口,是在傳輸音頻信號(hào)的時(shí)候使用的接口。它可以是模擬的,也可以是數(shù)字的。在使用R&S?UPV音頻分析儀進(jìn)行音頻測(cè)試時(shí),會(huì)接觸到各式各樣的音頻接口。如果缺乏對(duì)音頻接口的基本了解,勢(shì)必會(huì)妨礙對(duì)于音頻測(cè)試與測(cè)量的理解與應(yīng)用。


本文對(duì)常用的接口做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹,普及基本的接口知識(shí),以做拋磚引玉之用。


首先,明確兩個(gè)概念的涵義及關(guān)系:接口(interface)和連接器(或叫做接頭,connecctor)。不同的音頻標(biāo)準(zhǔn)都需要定義各自的的硬件接口標(biāo)準(zhǔn),硬件接口定義了電子設(shè)備之間連接的物理特性,包括傳輸?shù)男盘?hào)頻率、強(qiáng)度,以及相應(yīng)連線的類型、數(shù)量,還包括插頭、插座的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)而言之,連接器是接口在物理上的實(shí)現(xiàn),是實(shí)現(xiàn)電路互連的裝置。


人們習(xí)慣于將接頭分成兩類:“公頭”(或“陽(yáng)頭”)和“母頭”(或“陰頭”),一言以蔽之,即插頭(英文:Male connector、plug)和插座(英文:Femaleconnector、socket)。在實(shí)際應(yīng)用中,由于習(xí)慣,人們經(jīng)常將接口(interface)和接頭(connector)二者不加區(qū)分的通用,因此,本文在文字上也不做嚴(yán)格的區(qū)分,相信讀者可根據(jù)上下文的內(nèi)容心領(lǐng)神會(huì)。


接下來,按照技術(shù)發(fā)展的歷史,首先來介紹模擬音頻接口。


模擬音頻接口


1、TRS 接頭


TRS 接頭是一種常見的音頻接頭。TRS 的含義是Tip(signal)、Ring(signal)、Sleeve(ground)。分別代表了該接頭的3 個(gè)接觸點(diǎn)。TRS 插頭為圓柱體形狀,觸點(diǎn)之間,用絕緣的材料隔開。為了適應(yīng)不同的設(shè)備需求,TRS有三種尺寸(符號(hào)&表示英寸): 1/4& (6.3 mm) ,1/8& (3.5mm), 3/32& (2.5mm),如下圖。


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從左至右尺寸依次為:2.5mm,3.5mm, 6.3 mm


2.5mm 接頭在手機(jī)類便攜輕薄型產(chǎn)品上比較常見,因?yàn)榻涌诳梢宰龅暮苄。?.5mm 接頭在PC 類產(chǎn)品以及家用設(shè)備上比較常見,也是我們最常見到的接口類型;6.3mm 接頭是為了提高接觸面以及耐用度設(shè)計(jì)的模擬接頭,常見于監(jiān)聽等專業(yè)音頻設(shè)備上。


接下來,為大家分別介紹3.5mm 和6.3mm 兩種規(guī)格的TRS 接頭。


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1/8 (3.5mm)TRS 接頭(俗稱:小三芯)


3.5mm 立體聲插頭與插孔


3.5mmTRS 接頭又叫做小三芯或者立體聲接頭,這是我們目前看到的最主要的聲卡接口,除此之外,包括絕大部分MP3 播放器,MP4 播放器和部分音樂手機(jī)的耳機(jī)輸出輸出接口也使用這種接頭。


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3.5mm 立體聲接口母頭


3.5mm 接頭提供了立體聲(即雙聲道:左聲道和右聲道)的輸入輸出功能,因此一般來說支持5.1 的聲卡(6 聲道)或音箱來說,就需要3 個(gè)3.5mm 立體聲接頭來連接模擬音箱(3×2 聲道=6 聲道);7.1 聲卡或音箱就需要4 個(gè)3.5mm 立體聲接頭(4×2 聲道=8 聲道),以此類推。  


如前所述,這種接口有三個(gè)導(dǎo)體接觸點(diǎn)。下圖是小三芯插座的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸,與插頭相對(duì)應(yīng),插座也有三個(gè)觸點(diǎn),彼此之間用絕緣材料隔開。


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根據(jù)實(shí)際使用需要,我們還能看到有4 芯甚至5 芯的這種接頭。筆者接觸的4 芯3.5mm 接頭是在松下的磁帶隨身聽上看到的,多出來的一根線是傳送線控信號(hào)用的,再比如手機(jī)上常見的4 芯2.5mmTRRS 接頭,多出來的那個(gè)芯是用來與頭戴式耳機(jī)的麥克風(fēng)相連,用來傳送由語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)。另外,芯數(shù)也能減少,譬如卡拉ok 話筒與功放相連的插頭,即為卡儂頭(卡儂頭將在后文介紹)轉(zhuǎn)2 芯6.3mmTS 接頭,可以用來傳送非平衡的單聲道音頻信號(hào)。


1/4"(6.3mm) TRS 接頭(俗稱:大三芯)


關(guān)于大三芯插頭的定義,如下圖:


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它是一種常見的音頻設(shè)備連接插頭,一般用于平衡信號(hào)的傳輸或者非平衡立體聲信號(hào)的傳輸,用作平衡信號(hào)的傳輸時(shí)候,功能與卡儂頭一樣。(注:將在后文對(duì)平衡信號(hào)和非平衡信號(hào)進(jìn)行介紹)。


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RCA 接頭轉(zhuǎn)6.3mmTRS 插頭


1/4" TRS 平衡接頭能提供平衡輸入/輸出。除了具有耐磨損的優(yōu)點(diǎn)外,還具有平衡接頭獨(dú)有的高信噪比,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)真正的1/4"TRS 平衡接頭來說,其成本將是非平衡的2 倍多。因此采用1/4"TRS 平衡接頭的設(shè)備一般是高檔設(shè)備,只有在2000 元以上的專業(yè)卡上才可以看到。


2、RCA 模擬音頻接頭


RCA 接頭就是常說的蓮花頭,利用RCA 線纜傳輸模擬信號(hào)是目前最普遍的音頻連接方式。名稱“RCA”是以發(fā)明這種接頭的公司來命名的,即美國(guó)無線電公司,英文:Radio Corporation of America, 這個(gè)公司在20 世紀(jì)40 年代將這種接頭引入市場(chǎng),用它來連接留聲機(jī)和揚(yáng)聲器。


下圖即為RCA 插頭轉(zhuǎn)3.5mmTRS 插頭。


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RCA 轉(zhuǎn)3.5mm 接頭


每一根RCA 線纜負(fù)責(zé)傳輸一個(gè)聲道的音頻信號(hào),所以立體聲信號(hào),需要使用一對(duì)線纜。對(duì)于多聲道系統(tǒng),就要根據(jù)實(shí)際的聲道數(shù)量配以相同數(shù)量的線纜。立體聲RCA音頻接頭,一般將右聲道用紅色標(biāo)注,左聲道則用藍(lán)色或者白色標(biāo)注。


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一些雙聲道專用聲卡上我們?梢砸姷絉CA 接頭,上圖是一塊聲卡產(chǎn)品,采用了RCA 模擬輸出。與3.5mm 接頭一樣,這樣的接頭同樣能夠傳輸數(shù)字信號(hào),我會(huì)在后文對(duì)其進(jìn)行介紹。


3、XLR 接頭


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XLR3 接頭


XLR 接頭,又被稱做卡儂頭,之所以被稱做卡儂頭(英文:cannon plug or cannonconnector)是因?yàn)镴ames H. Cannon 先生(Cannon Electric 的創(chuàng)立者,現(xiàn)在該公司已經(jīng)被并入ITT Corporation)是卡儂頭最初的生產(chǎn)制造商。最早的產(chǎn)品是"Cannon X" 系列,后來,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn),增加了一個(gè)插銷(插銷的英文:Latch,其實(shí)是一個(gè)鎖定裝置),產(chǎn)品系列更名為: "Cannon XL", 然后又圍繞著接頭的金屬觸點(diǎn),增加了橡膠封口膠(Rubbercompound),最后人們就把這三個(gè)單詞的頭一個(gè)字母拼在一起,稱作" XLR Connector",即XLR 接頭。這里需要提醒的是,XLR 接頭可以是3 腳的,也可以是2 腳、4 腳、5 腳、6 腳。當(dāng)然,我們使用最普遍的接頭,如上圖所示,是3 腳的卡儂頭,即:XLR3。


由于采用了鎖定裝置,XLR 連接相當(dāng)牢靠。XLR 接頭通常在麥克風(fēng)、電吉他等設(shè)備上能看到。下圖是卡儂頭在平衡式連接時(shí),各個(gè)針腳的定義。


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下圖是R&S?UPV音頻分析儀的模擬音頻接頭XLR3。左邊是輸出接頭,右邊是輸入接頭。


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需要提醒大家的是,卡儂頭不僅可以做模擬音頻信號(hào)的接頭,也可以做數(shù)字音頻信號(hào)的接頭。


平衡信號(hào)和非平衡信號(hào)


音頻接頭是音頻信號(hào)的載體, 所傳輸?shù)男盘?hào)種類不同,接頭也有所不同。在音頻設(shè)備間傳輸?shù)囊纛l信號(hào),可大致分成兩類,平衡信號(hào)和非平衡信號(hào)。


聲波轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后,如果直接傳送就是非平衡信號(hào),如果把原始信號(hào)反相(相位差為180 度),然后同時(shí)傳送反相的信號(hào)和原始信號(hào),就叫做平衡信號(hào)。


與之相對(duì)應(yīng)的是音頻信號(hào)的平衡傳輸與非平衡傳輸。平衡傳輸是一種應(yīng)用廣泛的音頻信號(hào)傳輸方式。它是利用相位抵消的原理將音頻信號(hào)傳輸過程中所受的其他干擾降至最低,即:平衡信號(hào)送入差動(dòng)放大器,原信號(hào)和反相位信號(hào)相減,得到加強(qiáng)的原始信號(hào),由于在傳送中,兩條線路受到的干擾幾乎一樣,在相減的過程中,減掉了干擾信號(hào),因此抗干擾能力更強(qiáng)。所以,平衡傳輸一般出現(xiàn)在專業(yè)音頻設(shè)備上,以及傳輸距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。這種在平衡式信號(hào)線中抑制兩極導(dǎo)線中所共同有的噪聲的現(xiàn)象便稱為共模抑制。


實(shí)現(xiàn)平衡傳輸,需要并列的三根導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn),即接地線、熱端線、冷端線。因此,平衡輸入、輸出接頭,必須具有三個(gè)腳位,如卡儂頭,大三芯接頭。


非平衡傳輸只有兩個(gè)端子,即:信號(hào)端與接地端。對(duì)于這種單相信號(hào),為防止共模干擾使用同軸電纜,外皮是地,中間的芯是信號(hào)線。常見的接頭,如BNC 接頭,RCA 接頭等。這種傳輸方式,通常在要求不高和近距離信號(hào)傳輸?shù)膱?chǎng)合使用,如家庭音響系統(tǒng)。這樣連接也常用于電子樂器、電吉他等設(shè)備。


這里有一點(diǎn)要提醒讀者注意:平衡信號(hào)需要用平衡接頭來傳輸,那么反過來,看到平衡接頭,如大三芯TRS 接頭或者XLR3 接頭,電路中傳輸?shù)囊欢ㄊ瞧胶庑盘?hào)嗎?答案是否定的。比如,當(dāng)大三芯TRS 接頭用來傳輸立體聲信號(hào)的時(shí)候,Tip 腳傳輸左聲道信號(hào),Ring 腳傳輸右聲道信號(hào),Sleeve 腳接地,那么它此時(shí)傳輸?shù)氖莾陕凡煌男盘?hào),即不是平衡信號(hào)。而平衡信號(hào)本質(zhì)上是一路信號(hào),只不過將其反相后,兩路同時(shí)傳輸而已。鑒于此,讀者在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)結(jié)合實(shí)際電路,細(xì)心分辨。


數(shù)字音頻接口


數(shù)字接口的優(yōu)勢(shì)在于它在傳輸中有較強(qiáng)的抗干擾能力,即便出現(xiàn)誤碼,一些編碼方式也能夠?qū)ζ溥M(jìn)行修正,因此信號(hào)的可靠性對(duì)比模擬信號(hào)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。


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R&S?UPV 音頻分析儀數(shù)字音頻接頭


上圖是R&S?UPV音頻分析儀前面板的數(shù)字音頻接頭,上面三個(gè)是輸出接頭,下面三個(gè)是輸入接頭。分別是BNC 同軸數(shù)字接頭,OPTICAL光學(xué)接頭和XLR3 卡儂頭接頭。下文會(huì)分別介紹。


1、S/PDIF


S/PDIF(Sony/Philips Digital Interface,索尼和飛利浦?jǐn)?shù)字接口)是由SONY 公司與PHILIPS 公司聯(lián)合制定的一種數(shù)字音頻輸出接口。該接口廣泛應(yīng)用在CD 播放機(jī)、聲卡及家用電器等設(shè)備上,能改善CD 的音質(zhì),給我們更純正的聽覺效果。該接口傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào),所以不會(huì)像模擬信號(hào)那樣受到干擾而降低音頻質(zhì)量。需要注意的是,S/PDIF 接口是一種標(biāo)準(zhǔn),同軸數(shù)字接頭和光纖接口都屬于S/PDIF 接口的范疇,下文將對(duì)兩種接頭分別進(jìn)行介紹。


數(shù)字同軸接頭


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左邊為RCA 同軸數(shù)字插頭;右邊為BNC 同軸數(shù)字插頭


同軸音頻接頭(Coaxial),標(biāo)準(zhǔn)為SPDIF(Sony / Philips Digital InterFace),是由索尼公司與飛利浦公司聯(lián)合制定的,在視聽器材的背板上有Coaxial作標(biāo)識(shí)(如下圖所示),主要是提供數(shù)字音頻信號(hào)的傳輸。它的接頭分為RCA 和BNC 兩種。同軸線纜有兩個(gè)同心導(dǎo)體,導(dǎo)體和屏蔽層共用同一軸心。


同軸線纜是由絕緣材料隔離的銅線導(dǎo)體,阻抗為75 歐姆,在里層絕緣材料的外部是另一層環(huán)形導(dǎo)體及其絕緣體,整個(gè)電纜由聚氯乙烯或特氟綸材料的護(hù)套包住。其優(yōu)點(diǎn)是阻抗恒定,傳輸頻帶較寬,優(yōu)質(zhì)的同軸電纜頻寬可達(dá)幾百兆赫。同軸數(shù)字傳輸線標(biāo)準(zhǔn)接頭采用BNC 頭,其阻抗是75C,與75C 的同軸電纜配合,可保證阻抗恒定,確保信號(hào)傳輸正確。傳輸帶寬高,保證了音頻的質(zhì)量。雖然同軸數(shù)字線纜的標(biāo)準(zhǔn)接頭為BNC 接頭,但市面上的同軸數(shù)字線材多采用RCA 接頭。


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漫步者某款音箱面板上的數(shù)字輸入接頭


光纖接頭TOSLINK


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上圖便是光纖接頭。TOSLINK全名Toshiba Link。這是日本東芝(TOSHIBA)公司較早開發(fā)并制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),它是以Toshiba+link 命名的,在器材的背板上OPTICAL作標(biāo)識(shí),F(xiàn)在幾乎所有的數(shù)字影音設(shè)備都具備這種格式的接頭。TOSLINK 光纖曾大量應(yīng)用在普通的中低檔CD 播放器、MD播放器、DVD 機(jī)及組合音響上。


光纖(Optical)以光脈沖的形式來傳輸數(shù)字信號(hào),支持PCM數(shù)字音頻信號(hào)、Dolby以及DTS 音頻信號(hào)。制造光纖常用的材料有塑料、石英、玻璃等,以玻璃或有機(jī)玻璃為主。


光纖同樣采用S/PDIF 接口輸出,TOSLINK 使用光纖傳送SPDIF 數(shù)字音頻信號(hào),分兩種類型,一般家用的設(shè)備都是用標(biāo)準(zhǔn)的接頭,而便攜式的器材如CD 隨身聽等,則是用與耳機(jī)接頭差不多大小的迷你光纖接頭mini-Toslink。光纖連接可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離,阻止數(shù)字噪音通過地線傳輸,有利于提高DAC 的信噪比。但是,時(shí)基誤差是影響音質(zhì)的重要因素,所以衡量數(shù)字音響設(shè)備傳輸接口性能的好壞,應(yīng)以引起時(shí)基誤差的大小為標(biāo)準(zhǔn)。由于光纖連接的信號(hào)要經(jīng)過發(fā)射器和接收器的兩次轉(zhuǎn)換,會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響音質(zhì)的時(shí)基抖動(dòng)誤差(Jitter),因此這類光纖接口音質(zhì)雖然較為透明,但數(shù)碼味較濃,缺乏生氣,顯得缺乏韻味。


在市面較為常見的光纖發(fā)送器和接收器中日本品牌居多,常見的有TOSHIBA、SONY 和SHARP 等、它們相互間電氣性能是一致的,可以通過光纖線互相連接。如果你的CD 播放器或DVD 機(jī)提供SPDIF 的同軸數(shù)字輸出,而你的MD只有光纖輸入,那你就需要一個(gè)數(shù)碼接頭轉(zhuǎn)換器DFT(Digital Format Translator,這是由Core Sound 公司開發(fā)的,另外Audio-Technica 也有出類似的產(chǎn)品),通過這種轉(zhuǎn)換器,你可將同軸SPDIF 輸出轉(zhuǎn)成光纖(TOSLINK)。


平衡數(shù)字接頭


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大三芯插頭


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XLR3 插座


上圖是常見的兩類平衡接頭TRS接頭和XLR3 接頭,也可以用于數(shù)字傳輸,這和RCA 接頭類似。不過這樣的用法也只有在專業(yè)領(lǐng)域比較常見,普通家用或PC 聲卡上比較少見。


2、I2S 接口


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上圖是R&S?UPV音頻分析儀后面板的I2S 接口,為25 針D-sub 接頭。I2S(Inter-IC Sound Bus)是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。在飛利浦公司的I2S 標(biāo)準(zhǔn)中,既規(guī)定了硬件接口規(guī)范,也規(guī)定了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的格式。該總線專責(zé)于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,廣泛應(yīng)用于各種多媒體系統(tǒng)。它采用了沿獨(dú)立的導(dǎo)線傳輸時(shí)鐘與數(shù)據(jù)信號(hào)的設(shè)計(jì),通過將數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)分離,避免了因時(shí)差誘發(fā)的失真,為用戶節(jié)省了購(gòu)買抵抗音頻抖動(dòng)的專業(yè)設(shè)備的費(fèi)用。


3、通用串行接口(Universal serial interface)

雖然目前大量的數(shù)字音頻應(yīng)用使用雙通道的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,但是發(fā)展的趨勢(shì)卻是:數(shù)字音頻的格式朝著多通道(通道數(shù)大于二)的方向發(fā)展,與此同時(shí),許多新的數(shù)據(jù)格式正在不斷涌現(xiàn)出來。為了適應(yīng)這樣的應(yīng)用,R&S公司的通用串行接口選件(R&S?UPV-B42 option)應(yīng)運(yùn)而生。R&S?UPV音頻分析儀的后面板有兩個(gè)擴(kuò)展插槽,它可以被安裝在其中任意一個(gè)插槽之中。

R&S公司開發(fā)的通用串行接口選件(R&S?UPV-B42 option),是一個(gè)通用的數(shù)字音頻接口。利用這個(gè)接口,可以連接任意的常見音頻芯片或電路。如下圖所示。



最全的模擬音頻、數(shù)字音頻、平衡與非平衡接口知識(shí)



UPV 通過通用串行接口和音頻電路相連

接口所定義的接頭為26 針,接口有四個(gè)信號(hào)線,在時(shí)分多路傳輸模式下,這四個(gè)信號(hào)線最多容納256 個(gè)音頻數(shù)據(jù)包/每幀。它支持的音頻比特深度(audio bit depht)最多可以達(dá)到32 bit,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的采樣率從1kHz 到400kHz。另外,支持所有常見的邏輯電平。接口詳情請(qǐng)查閱R&S 公司的相關(guān)資料。


4、R&S?UPV 音頻分析儀的音頻接口

最后,用一張圖片和一個(gè)表格,來簡(jiǎn)單明了的總結(jié)一下R&S 公司的音頻信號(hào)分析R&S?UPV 的音頻接口。

下圖概括了UPV 的模擬和數(shù)字音頻接口,以及R&S?UPV 如何通過接口與被測(cè)設(shè)備或者芯片進(jìn)行連接。


最全的模擬音頻、數(shù)字音頻、平衡與非平衡接口知識(shí)


下表概括了針對(duì)模擬音頻和數(shù)字音頻,R&S?UPV 所對(duì)應(yīng)的接口、接頭,以及相應(yīng)的選件:

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