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模拟接口与数字接口有何区别?
更新时间:2018-8-20 11:27:38 编辑:温情 文章来源:音响网 调整文字大小:【
    Pat Brown将在本文阐述模拟连接和数字连接各自的优劣之处。
    你熟悉数字音频吗?你是否无法清楚区分市面上五花八门的格式?下文可从某种程度上解决你的困惑。
    输入和输出
    一切讨论都离不开输入和输出(I/O)。音频信号怎么从一处接往另一个处?随着专业音频的不断发展,大量实用的数字接口应运而生,人们使用数字接口以弥补尚未淘汰的模拟I/O单元的不足。刚开始,你可能无法恰到好处地选择模拟和数字接口,但如果你仔细研究,它们各自的优劣就自然显现出来了。
    在本文的概述部分,我将从模拟接口开始讲解——毕竟大多数读者对此更熟悉——然后我会抛砖引玉,参照模拟来讨论数字格式。本文只围绕专业接口展开话题。专业I/O和家用I/O存在许多共同之处,只是专业I/O更能抵抗电磁干扰(EMI),也能连接更长的电缆——而这种区别,正是建立大型音响系统的必要条件。

图1 – 模拟接口是点对点的,对电缆类型、接头类型和电缆没有明确限定。

    专业模拟接口是输出和输入之间点对点的连接(图1)。它是电子平衡式接口,因此具有极强抗电磁干扰能力。电缆采用屏蔽双绞线设计。专业模拟接口的阻抗并不匹配,它用低阻抗的输出(通常< 200Ω)来驱动高阻抗的输入(通常> 2000 Ω)。这种阻抗不匹配的形式简化了接口,因而实际应用中通常不考虑具体的阻抗值。比方说,100Ω输出能为任何高阻抗的输入(10kΩ,20kΩ,30kΩ,等等)提供同等的信号电平。“输出”连接到“输入”,不考虑其它——就这么简单。通常,可被动分离一路模拟输出以驱动多路输入,但不可合成多路输出以驱动一路输入。
    模拟信号的电压会随着时间发生变化,电平范围宽达100 dB以上。可依据电压大小对信号进行分类(例如,话筒电平,线路电平,扬声器电平)。而且信号是单向流动的——只能从输出流至输入。电缆电容决定电缆长度,在某些应用场景,电缆长度可达300m。
    不同模拟接头的电触头数量不同。可忽略电缆和接头的阻抗,因为模拟音频信号的电磁频谱频率较低(图2)。

    图2 – 模拟音频(有时又称为基带音频)的频谱含量低于100 kHz。相对于整个电磁波谱而言,这是“低”频。
    优点:
    简单而成熟。
    容易排查问题。
    可靠性极强。
    不需要匹配输出和输入的阻抗。
    信号通过设备或电缆进行瞬时传输,无须考虑延迟或“延时”。
    不足:
    电缆的电性能会造成信号损耗。
    多种音频连接,加上电子“接地”,可能产生接地回路,导致电流的嗡嗡声。
    多对线沉重且成本高昂。
    数字I/O——行业特定的音频格式
    专业音频行业有几种标准化的点对点式数字音频格式。设计这些格式的目的在于,让用户免于处理深层的连接工作和复杂的数据。最常见的标准包括AES3(美国标准)和AES-EBU(欧洲标准),在文中统称为AESx。二者的内容大体相同,只有细微的差别。


  图3 – 数字音频接口比模拟接口具有更多明确规定。包括(近似的)阻抗匹配和较少的接头选项。  

    和模拟相似,AESx是输出和输入之间的单向连接。AESx允许使用平衡式模拟电缆和接头,大多采用带XLR公头输出驱动和XLR母头输入的屏蔽双绞线。电缆较短时(< 30 m),同一根电缆也可用于平衡式模拟接口。专为数字I/O而设计的低电容电缆可以延长到100 m。因为场地规格不同,布线的长度也会有差异。还有其它的电缆选项,如同轴线(AES3id ——其实就是一种视频接口)以及类电缆(如超5类电缆)。AESx标准也适用于使用小体积DB25接头的多对线(多达16个通道)。具体采用哪种电缆取决于不同产品,并且相互转换时会相应使用不同的方法。制造商会根据产品的目标市场决定具体规格。
    模拟和AESx有个重要的区别:AESx连接通过一根双绞线传输两个音频通道。XLR接头没什么特别之处,某些产品还允许用户通过同样的输入或输出接头选择使用模拟或数字连接,以节省机身空间(图4)。AESx高度兼容模拟I/O电缆和接头,这是它的主要优点之一。


  图4 –四进AESx处理器的输入接头。注意,一个路模拟连接需要一个XLR,但是四个AESx通道只需要两个XLR(每个接头连接两个通道)。可通过开关切换选择模拟和AES。  

    数字音频质量
    模拟信号数字化的目标是无损编码。要实现这个目标,采样率必须为模拟信号带宽的2倍以上,动态范围必须接近100dB。所以,数据的主要属性是位深和采样率。多数设备都默认设置“24/48”,意思是位深为24比特,采样率为48 kHz。还有更高的采样率,并且某些应用场景也会使用更高的采样率。
    采样率、位深、通道数量的乘积即为“数据传输速率”。这样,通过简单的计算得到一个数字,就能直观地说明数字音频的分辨率。图五计算的是全频音频的一个通道的最小传输速率。一般而言,数字音频的优势在于,可通过有损或无损压缩来降低数据传输速率。但是,我们通常不会出于降低数据传输速率的目的对AESx信号进行压缩。因为当前技术水平较高,满足全分辨率的最低要求并非难事。

图5 – 采样率和位深可以用数位流的数据传输速率表示。数位流相当于组成数字信号的“0”和“1”的传输带。AESx数字音频包括两个通道,数据传输速率约为6 Mbps。  

    位流包括音频采样(或有效载荷)和元数据,元数据携带了解码所需要的信号信息。输出和输入电路都必须遵循这个“协议”,否则无法传输音频。
    由于数据传输速率接近10 MHz(1.5 MHz基波加上奇次谐波),所以必须匹配接口的阻抗(110 Ω),才能防止电缆中的信号在传输过程中受反射和驻波的影响而衰减。AESx和阻抗匹配的拓扑相似,是一对一的连接,即一个输出驱动一个输入。
    多通道版本包括AES10(MADI)和AES50(HRMAI)。虽然都是基于AESx标准,但是时钟细节截然不同。人们很喜欢用这些多通道接口连接数字调音台和各自的舞台接口箱。
    与时间相关
    若要保持多个单元的数字信号同步,离不开时钟信号。AESx数据流内嵌了时钟信号,所以简单的系统无需额外连接专用的字时钟。对于较复杂的系统,AESx单元通常提供字时钟I/O。
    相对于输入,数字设备的输出总是存在延迟的。延时是不可避免的问题。延迟会在系统中累积,所以设计师必须考虑“延迟估算”,以免造成严重的延迟问题。
    优点:
    I/O和模拟类似。
    一根电缆支持两条通道。
    抗电磁干扰能力强,避免接地回路问题。
    相对于模拟I/O,具有24/48的无损分辨率。
    不足:
    潜在的时钟问题。
    问题排查较困难,需要特别的指导。
    由于信号为高频,要求输入、输出的阻抗相匹配。
    输出总是存在延时——唯一的变量是“延时为多少”?
    数字I/O——数据网络
    模拟音频信号一旦数字化,就成了数据。科技发展为电脑间传输数据提供了许多途径,应用最广的一种就是以太网网络。通过以太网传输音频(AoE),开创了低成本、普遍化数据网络传输音频数据的新时代。AESx及其类似的标准或协议由音频行业所制定,但是AoE是利用信息技术(IT)行业的技术来传输音频的。
  
  图6 – AoE要求所有单元都连接到同一个网络开关中。通过配置程序(比如Dante Controller™ 或Cobranet Disco™)实现I/O连接。  

    先进行模拟波形采样,然后对其进行“分包”。每个包包含几个音频样本和一些额外的“元”数据,用于数据网络传输。AoE协议(如Cobranet,Dante,Q-Sys,Ravenn等等)保证网络数据的“开”、“关”,从而在接收端形成连续的波形。高速网络(如1000BaseT或“千兆位”的网络)可承载上百个通道。它和AESx格式的“单行道”不同,单根电缆可以传输双向信号。
    不是音频,是数据!
    这种I/O是一个数据网络,IT行业为它制定了严格的规则。这些规则使用户免除了网络内部复杂的工作,所以相对大型系统而言,小型系统可以说是即插即用的了。
    音频从业人员具备了IT技能才能部署大型的AoE网络。理想情况下,只需要一个专用的网络交换机就能建立音频专用数据网络。不过,现在越来越多的场地需要永久安装AoE,与其它数据通信(如电子邮件、网页浏览、零售终端)一起,组成所谓的融合网络。在融合网络中的音频数据包必须优先于其它数据通信,此之谓服务质量(QoS)。可通过虚拟局域网(VLAN)保留大型网络的音频数据包。不过,VLAN需要的是比简单的专用网络复杂、成熟得多的“管理”交换机。
    由于AoE的接线简单、通道数量多且网络硬件成本低,它已经被广泛应用在数字音频传输中。AoE和AESx(及类似标准)的主要区别在于,AESx和模拟一样,是点对点的,需要直接连接输出和输入。AoE是一种网络,所以信号可在任意网络设备间自由进行路由,不受它们的网络接入位置的限制。这就为更大型的场地、校园、音频工作室等提供了极大的信号路由自由度。
    音频从业人员必须掌握所使用的AoE“种类”的规格。包括,通过个人电脑的控制应用为QoS分配音频信号,分配网络交换机。
    什么AoE“种类”?
    AoE格式各不相同,互相竞争。笔者撰文的当下,Audinate公司的Dante™运用得最为广泛。可能随着时间变更,这种情况会改变,也会出现其它的诸如Audio Video Bridging (AVB)(现在是Time Sensitive Networking (TSN))等竞争产品。AES67的出现,首次实现了各种不同AoE格式之间的互相操作。所以,也有可能出现集结AoE不同格式的混合格式。
    但要注意,AoE只是一种传输。决定数字音频质量的,是采样率和位深。因此,所有的AoE格式都应该殊途同归。
    优点:
    24/48数字音频。
    一根CATx电缆承载上百个通道。
    线缆和接头类型普遍常见。
    硬件架构成本低。
    不足:
    数据网络可能较为复杂。
    问题的排查难度大。
    融合网络需要IT部门之间的相互合作。
    与模拟音频之间的关系不够直观明确。
    QoS带来的问题。
    存在多种AoE协议,但是没有制造商能支持所有的协议。
    涉及许多IT技能,要求专业的培训。
    频谱含量和“准确”要求
    有种方法能大致区分不同格式,那就是不同格式对接口变量“准确”度的要求不同。反过来,这也基于信号频谱在整个电磁谱中的位置。与音频大部分的现象一样,这是个不断变化的过程,并没有清晰的“正确”、“错误”的答案。由于音频在电磁谱中属于低频,模拟音频接口对接口细节并没有特别的限定,人们可以轻而易举地获得音频。很多线缆和接头类型都“有效果”,但要“有好效果”,还需要双绞线,最好是屏蔽双绞线。电缆测试基本是简单的断路测试。可使用下图中的工具(butt set)来“桥接”信号对,检测信号(图7).


  图7 – 模拟问题排查只需要“butt set”就足够了。  

    数字I/O的频谱在电磁谱中的位置更加往上。其接口细节变得更加黑白分明。比如,模拟音频只要求低阻抗输出连接高阻抗输入。而所有数字I/O格式都要求阻抗匹配,不过AESx的要求比AoE宽松。这也是AESx信号不需要“特殊的”XLR接头的原因所在,也能解释为何能够使用Euroblock和DB25接头;短距离连接甚至能使用模拟电缆;电缆通常由音频设备本身检测;以及为什么AESx输入可以“锁定”AESx输出。可以使用特殊的测试器来检测锁定信号,并对音频进行解码和监听(图8)。


  图8 – AESx接口专业测试器。  

    在最高频率(千兆网络的AoE),接口具有非常细致严苛的细节。其接口、电缆和接头都有明确的规格,终端用户没有自由配置的空间。虽然断路测试仪可以进行最基本的测试操作,但是测试能够(也应该)更加精细。除了电缆测试,还需要检测系统带宽、单元处理、以太网供电(PoE)要求,等等。故障排查设备包括基于个人电脑的设备,也可以是独立运作的设备(图9).
  
  图9 – 用于网络故障排查的独立测试仪。
  


  图10 - 对接口精度的要求取决于信号的频谱含量。数据传输速率越大,对接口的细节规定就越重要。  

    例行比喻
    如果你读过我的论述,就知道现在我要开始打比方了。下面为非专业人士描述一下各种不同的连接方法。
    模拟连接就好比驾驶吉普车穿越尘土飞扬的单行道。尽管道路颠簸,吉普车还是能开完全程,完好无损地到达目的地。AESx是椭圆赛道上飞驰的一级方程式赛车。速度越高,要求就必须越光滑,还需要一些边界。AoE好比高速列车。它有着精确的行驶路径,误差容限极其小。在这种速度下,任何微小的断点都可能带来灾难性的后果。
    这也就很好地解释了为何还有那么多低性能模拟系统被使用了。存在缺陷的模拟接口依然可以传输音频,并且一般没人能发现它们的缺陷,除非拿更完美的接口直接做对比。所以说,从模拟到数字AESx、到AoE,随着频谱位置上移,接口细节也变得越来越精密,规则的变通空间越来越小。不过,越来越高的复杂度换来的是更多的通道和功能——这些对许多系统而言都很有价值。
    所以说,数字并未取代模拟,AoE也未取代AESx及其类似的标准或协议。各占一席之地。模拟仍然是判断数字系统保真度的标准。有时候,最简单的方法最好用,有时则不然。

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