数字音频接口要用“数字”音频电缆吗?

  音频接口是元件从链路上游元件获得信号的途径。音频接口包括源(输出)回路、电缆以及负载(输入)回路几个部分。它有家用版本(2线非平衡式)以及专业版本(3线平衡式),两种版本的主要区别在于对各种电磁干扰(图1)的耐受力。那么数字音频接口是否需要使用数字音频电缆呢?

  增加电缆长度不利于传输模拟和数字信号,所以大型房间系统必须使用平衡式接口。一根电缆中包含多根电线或绞线。一根针对非平衡式接口设计的电缆中包含两条绞线,其中一条绞线为屏蔽线。一根针对平衡式接口设计的电缆中包含三根绞线,其中有一条对绞线对和一条屏蔽线(STP)。电缆本身基于这个原因,可能会称为非平衡式或平衡式电缆。本文章的讨论范围仅限于平衡式接口和电缆。

  模拟接口输送的信号是随着时间变化的电压,而且这个接口(包括电缆)必须保持电压形状不变(图2)。假设输入和输出电路的设计很好,此时电缆是信号衰减的一个原因。电缆有电子属性,而电容通常为影响信号质量的主要原因。电缆电容的属性会随着频率升高削减信号,从而导致信号的高频内容丢失。无论是家用产品还是专业产品,它们的音频接口设计都是为了让电缆电容效应产生于可听频率范围之外,虽然这听很让人震惊。

  如果你使用的电缆质量高而且长度合理,那么音频应该不受影响。但是,这不等于没有电缆效应,我们也没有公认的人类听力高频上限。这个原因刺激了人们对“特殊”电缆的需求,意图保持模拟信号的保真度。

  数字信号由数据包组成,这些数据包通过电缆传播,在负载处(输入)恢复。AES3数字格式包括两个音频数据通道,这些数据通过STP电缆单向传输。如果使用的是平衡式模拟接口,电缆屏蔽仅作为屏蔽使用,且不是音源和负载之间传输信号的必要条件。

  模拟信号在不同时刻的数值可能不同,而数字信号只有两种状态。一“比特”(bit)等于零或者等于一。目标是在数字输入时保持这种差异。电缆电容依然存在,并且会因为四舍五入比特传输而改变信号(图3)。

  图3 – 一种数字波形。信息由转换所携带,所以波形轻微的四舍五入并不会影响数据的完整。

  模拟和数字信号之间的一个主要区别在于带宽,或频率范围。模拟音频波形包含约20kHz的有用信息。数字信号带宽能够很好地扩展到MHz区域(兆或百万赫兹)。这点是必需的能力,因为数据只有两种状态,所以需要大量比特来携带传输原始模拟波形中的信息。

  电缆电容引起的高频丢失通常让数字波形的锐边变得圆滑。在一般情况下,这种修改不会影响信号所携带的信息,因为零或一实际上由转换或者零交点所决定。也就是说,数字信号比模拟信号更不容易遭受电线的“侵蚀”,因为数字信号不是音频,而是数据。这是数字音频优于模拟音频的重要特征。

  关键点在于,电缆本身不分模拟或数字,电缆只是具有会改变流经信号的形状的阻抗特性而已。无论是模拟还是数字波形,随着电缆长度增加,都受电缆电容影响。但在短线距中,这两种接口类型可以忽略不计电缆的影响。

  数字音频具有“要么完整要么损坏”(all-or-nothing)的自然属性,这点可以通过眼图(eye pattern)测试进行观察(图4)。眼图是一种包含了数千比特的特殊分析仪。噪音和抖动会让“眼睛”变小,但是只要“眼睛”大于AES 3的最小值,信号的完整性就不受影响。

  图 4 – 经过平滑处理的数字脉冲看起来像眼睛。如果这个眼睛塌得太厉害,数据完整性则遭破坏。

  由于电缆电容起累积作用,那么在一定长度下,高频丢失对模拟信号和数字信号的完整性都会造成影响。

  音频行业中的数字音频格式,如AES3和SPDIF实际上曾是针对模拟接口电缆而设计的。约定俗成的25英尺(762厘米)话筒电缆可以传输数字音频而不损害其质量,而数字信号并不需要特定的电缆(图5).如果音响系统中既有模拟设备,也有AES3数字设备,那么每种设备都可以使用同样的电缆,只要模拟输出路由至模拟输入,且数字输出路由至数字输入即可。简单就是胜任,这也是研发者在发明专业级和家用级数字音频接口和格式时牢记于心的理念。

  好笑的是,线距过长对于数字信号的损害比模拟信号要严重。我们放松限制地说,两种信号的电缆都能使用1000英尺(300米)电缆。模拟信号会丢失部分高频,根据具体节目音频材料的不同,音质可能会变得稍微“模糊”一些。而数字音频如果不能区别一和零,就可能出现噼啪声,甚至完全中断。我们在对比数字电视和模拟电视的时候都有这样的经历。衰减的模拟信号还是“看得过眼”的,不过衰减的数字信号却会出现卡顿、噪点和其它问题。“数字的”,无论是音频还是视频,都是这种要么完整要么损坏的状态。

  图 5 – 一款25英尺的模拟级话筒电缆(上),它和一款数字级别的STP(下)在眼图测试中的表现一样好。

  无论是模拟音频还是数字音频,对于线缆最大长度都没有什么“硬性限制”。保守地说,1000英尺(300米)的适用长度是我们放松标准限制举的例子。但是,我可以保证,在这样的长度下还是可以传输模拟信号的,只是说可能会丢失一些可听见的高频。而在300米的线距下,数字音频就没那么容易保留好恢复成连续波形的信息了。我不是拥护模拟排斥数字,因为你不会有使用300米线距的需求,但相对于“没有声音”我总是更愿意选择“模糊的声音”的。

  重点在于,在线距短的情况下,无论是模拟布线还是数字布线,你一般都不用担心受影响。在100英尺(30米)线距内,我都不太考虑电缆电容削减信号的问题,不过一旦丢失信号,就更可能影响模拟信号。线距越接近专业数字音频默认的“100米限制”,电缆属性就越发地成为影响信号的重要因素,而专门为数字音频设计的电缆可以提高音频的完整性。同样的电缆可以减轻模拟接口丢失高频的问题。一般而言,短线距不用考虑影响,长线距就要考虑所有问题了。

  数字级专业音频电缆是低电容屏蔽双绞线(STP),能呈现其针对的射频范围的特定阻抗特征。这种电缆的标准为110欧姆——和接口的输入输出阻抗的数值一样。阻抗匹配能减弱在音源和负载之间的、可能造成数据崩溃的反射。电缆越长,维持这种电阻匹配就越重要,你的线距越接近数字格式的推荐限制,这种重要性就越突出。

  数字音频在推荐工作距离内完全不受“电缆效应”的影响,这时购买更昂贵的电缆并不能获得更好的音质。有趣的是,类别电缆(如5类缆和6类缆)的电容都很低且阻抗为100欧姆,而且它们是AES3数字音频的理想选择(图6)。低成本的5类缆可以为“数字”STP电缆提供类似的表现水平,但也可能造成接线、卷线和运输线缆的噩梦。但是,对于固定安装而言,5类缆是一种低成本且便利的数字信号传输方式,也非常适合平衡式模拟接口。

  图 6 – 数字STP 和CAT5,两者均为300英尺,轻松通过眼图测试。

  转换到数字音频的其中一个原因是,信号传输公式中不考虑电缆。虽说电缆并不是完全不影响传输,但是数字音频的“要么完整要么损坏”的二进制特性意味着,信号损失不再是模糊的了,不会出现有些电缆声音听起来“更温暖”或“更干净”的情况。也就是说,电缆在产生严重影响前的影响都可以忽略不计,而且一旦产生影响,你也能知道。

  屏蔽双绞线“数字”电缆的设计目的在于提高双绞线和屏蔽线之间的对称性,让平衡式输入和输出更好地发挥作用。STP电缆并不特别昂贵,而且越接近100米限制线距,它的好处就越明显。由于优质编织屏蔽数字电缆和优质编织屏蔽模拟电缆的价格相近,所以我在便携式系统中都使用了数字电缆来连接模拟接口和数字接口。

  带箔片屏蔽的数字STP电缆的价格大约是编织屏蔽数字STP的一半,但是远贵于模拟箔片屏蔽STP。数十年来,低成本的箔片屏蔽STP已经成为固定音响应用场景的支柱,它很适合模拟接口,在短距离中甚至适合数字接口。箔片STP成本低,所以它还没被淘汰。所以,原本是模拟系统的大型房间在翻新为数字系统时,最好把其中的布线连同模拟设备一起替换掉(图7)。

  图 7 –固定安装级别的箔片STP没有通过眼图测试。它不能用于长距离的数字音频传输。

  电缆本身不是“数字”的,电缆设计拥有非常高的对称性、低电容和特定RF阻抗时,就成为了数字级电缆。

  长线距倾向于选择数字级STP,以为数字级STP具有更好的对称性、更低的电容,并且其价格与优质模拟电缆相近。

  无论对于便携式系统还是固定安装模拟系统,市面上都存在大量的廉价箔片STP。它的高电容特性让它无法胜任长线距的数字音频应用。

  音频从业人员要知道自己应该考虑的对象以及考虑的时机。无论是模拟接口还是数字接口,音响系统设计时使用的线缆越短越好。但是,线距越接近限制值,就越应该使用数字级编织电缆或箔片STP。返回搜狐,查看更多


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