輸入和輸出

　　一切討論都離不開輸入和輸出（I/O）。音頻信號怎么從一處接往另一個處？隨著專業(yè)音頻的不斷發(fā)展，大量實(shí)用的數(shù)字接口應(yīng)運(yùn)而生，人們使用數(shù)字接口以彌補(bǔ)尚未淘汰的模擬I/O單元的不足。剛開始，你可能無法恰到好處地選擇模擬和數(shù)字接口，但如果你仔細(xì)研究，它們各自的優(yōu)劣就自然顯現(xiàn)出來了。

　　在本文的概述部分，PatBrown將從模擬接口開始講解，畢竟大多數(shù)讀者對此更熟悉——然后他會拋磚引玉，參照模擬來討論數(shù)字格式。本文只圍繞專業(yè)接口展開話題。專業(yè)I/O和家用I/O存在許多共同之處，只是專業(yè)I/O更能抵抗電磁干擾（EMI），也能連接更長的電纜，而這種區(qū)別，正是建立大型音響系統(tǒng)的必要條件。

　　圖1：模擬接口是點(diǎn)對點(diǎn)的，對電纜類型、接頭類型和電纜沒有明確限定。

　　專業(yè)模擬接口是輸出和輸入之間點(diǎn)對點(diǎn)的連接（圖1）。它是電子平衡式接口，因此具有極強(qiáng)抗電磁干擾能力。電纜采用屏蔽雙絞線設(shè)計。專業(yè)模擬接口的阻抗并不匹配，它用低阻抗的輸出（通?！?00Ω）來驅(qū)動高阻抗的輸入（通?！?000Ω）。這種阻抗不匹配的形式簡化了接口，因而實(shí)際應(yīng)用中通常不考慮具體的阻抗值。

　　例：100Ω輸出能為任何高阻抗的輸入（10kΩ，20kΩ，30kΩ，等等）提供同等的信號電平?！拜敵觥边B接到“輸入”，不考慮其它——就這么簡單。通常，可被動分離一路模擬輸出以驅(qū)動多路輸入，但不可合成多路輸出以驅(qū)動一路輸入。

　　模擬信號的電壓會隨著時間發(fā)生變化，電平范圍寬達(dá)100dB以上?？梢罁?jù)電壓大小對信號進(jìn)行分類（例如，話筒電平，線路電平，揚(yáng)聲器電平）。而且信號是單向流動的——只能從輸出流至輸入。電纜電容決定電纜長度，在某些應(yīng)用場景，電纜長度可達(dá)300m。

　　不同模擬接頭的電觸頭數(shù)量不同?？珊雎噪娎|和接頭的阻抗，因為模擬音頻信號的電磁頻譜頻率較低（圖2）。

　　圖2：模擬音頻（有時又稱為基帶音頻）的頻譜含量低于100kHz。相對于整個電磁波譜而言，這是“低”頻。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　簡單而成熟。

　　容易排查問題。

　　可靠性極強(qiáng)。

　　不需要匹配輸出和輸入的阻抗。

　　信號通過設(shè)備或電纜進(jìn)行瞬時傳輸，無須考慮延遲或“延時”。

　　不足：

　　電纜的電性能會造成信號損耗。

　　多種音頻連接，加上電子“接地”，可能產(chǎn)生接地回路，導(dǎo)致電流的嗡嗡聲。

　　多對線沉重且成本高昂。

　　數(shù)字I/O——行業(yè)特定的音頻格式

　　專業(yè)音頻行業(yè)有幾種標(biāo)準(zhǔn)化的點(diǎn)對點(diǎn)式數(shù)字音頻格式。設(shè)計這些格式的目的在于，讓用戶免于處理深層的連接工作和復(fù)雜的數(shù)據(jù)。最常見的標(biāo)準(zhǔn)包括AES3（美國標(biāo)準(zhǔn)）和AES-EBU（歐洲標(biāo)準(zhǔn)），在文中統(tǒng)稱為AESx。二者的內(nèi)容大體相同，只有細(xì)微的差別。

　　圖3：數(shù)字音頻接口比模擬接口具有更多明確規(guī)定。包括（近似的）阻抗匹配和較少的接頭選項。

　　和模擬相似，AESx是輸出和輸入之間的單向連接。AESx允許使用平衡式模擬電纜和接頭，大多采用帶XLR公頭輸出驅(qū)動和XLR母頭輸入的屏蔽雙絞線。電纜較短時（《30m），同一根電纜也可用于平衡式模擬接口。

　　專為數(shù)字I/O而設(shè)計的低電容電纜可以延長到100m。因為場地規(guī)格不同，布線的長度也會有差異。還有其它的電纜選項，如同軸線（AES3id——其實(shí)就是一種視頻接口）以及類電纜（如超5類電纜）。

　　AESx標(biāo)準(zhǔn)也適用于使用小體積DB25接頭的多對線（多達(dá)16個通道）。具體采用哪種電纜取決于不同產(chǎn)品，并且相互轉(zhuǎn)換時會相應(yīng)使用不同的方法。制造商會根據(jù)產(chǎn)品的目標(biāo)市場決定具體規(guī)格。

　　模擬和AESx的區(qū)別：AESx連接通過一根雙絞線傳輸兩個音頻通道。XLR接頭沒什么特別之處，某些產(chǎn)品還允許用戶通過同樣的輸入或輸出接頭選擇使用模擬或數(shù)字連接，以節(jié)省機(jī)身空間（圖4）。AESx高度兼容模擬I/O電纜和接頭，這是它的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

　　圖4：四進(jìn)AESx處理器的輸入接頭。注意，一個路模擬連接需要一個XLR，但是四個AESx通道只需要兩個XLR（每個接頭連接兩個通道）?？赏ㄟ^開關(guān)切換選擇模擬和AES。

　　數(shù)字音頻質(zhì)量

　　模擬信號數(shù)字化的目標(biāo)是無損編碼。要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，采樣率必須為模擬信號帶寬的2倍以上，動態(tài)范圍必須接近100dB。所以，數(shù)據(jù)的主要屬性是位深和采樣率。多數(shù)設(shè)備都默認(rèn)設(shè)置“24/48”，意思是位深為24比特，采樣率為48kHz。還有更高的采樣率，并且某些應(yīng)用場景也會使用更高的采樣率。

　　采樣率、位深、通道數(shù)量的乘積即為“數(shù)據(jù)傳輸速率”。這樣，通過簡單的計算得到一個數(shù)字，就能直觀地說明數(shù)字音頻的分辨率。

　　圖五計算的是全頻音頻的一個通道的最小傳輸速率。一般而言，數(shù)字音頻的優(yōu)勢在于，可通過有損或無損壓縮來降低數(shù)據(jù)傳輸速率。但是，我們通常不會出于降低數(shù)據(jù)傳輸速率的目的對AESx信號進(jìn)行壓縮。因為當(dāng)前技術(shù)水平較高，滿足全分辨率的最低要求并非難事。

　　圖5：采樣率和位深可以用數(shù)位流的數(shù)據(jù)傳輸速率表示。數(shù)位流相當(dāng)于組成數(shù)字信號的“0”和“1”的傳輸帶。AESx數(shù)字音頻包括兩個通道，數(shù)據(jù)傳輸速率約為6Mbps。

　　位流包括音頻采樣（或有效載荷）和元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)攜帶了解碼所需要的信號信息。輸出和輸入電路都必須遵循這個“協(xié)議”，否則無法傳輸音頻。

　　由于數(shù)據(jù)傳輸速率接近10MHz（1.5MHz基波加上奇次諧波），所以必須匹配接口的阻抗（110Ω），才能防止電纜中的信號在傳輸過程中受反射和駐波的影響而衰減。AESx和阻抗匹配的拓?fù)湎嗨?，是一對一的連接，即一個輸出驅(qū)動一個輸入。

　　多通道版本包括AES10（MADI）和AES50（HRMAI）。雖然都是基于AESx標(biāo)準(zhǔn)，但是時鐘細(xì)節(jié)截然不同。人們很喜歡用這些多通道接口連接數(shù)字調(diào)音臺和各自的舞臺接口箱。

　　與時間相關(guān)

　　若要保持多個單元的數(shù)字信號同步，離不開時鐘信號。AESx數(shù)據(jù)流內(nèi)嵌了時鐘信號，所以簡單的系統(tǒng)無需額外連接專用的字時鐘。對于較復(fù)雜的系統(tǒng)，AESx單元通常提供字時鐘I/O。

　　相對于輸入，數(shù)字設(shè)備的輸出總是存在延遲的。延時是不可避免的問題。延遲會在系統(tǒng)中累積，所以設(shè)計師必須考慮“延遲估算”，以免造成嚴(yán)重的延遲問題。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　I/O和模擬類似。

　　一根電纜支持兩條通道。

　　抗電磁干擾能力強(qiáng)，避免接地回路問題。

　　相對于模擬I/O，具有24/48的無損分辨率。

　　不足：

　　潛在的時鐘問題。

　　問題排查較困難，需要特別的指導(dǎo)。

　　由于信號為高頻，要求輸入、輸出的阻抗相匹配。

　　輸出總是存在延時——唯一的變量是“延時為多少”？