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數字音頻接口要用“數字”音頻電纜嗎?

 二維碼

  什么是數字音頻電纜?

  音頻接口是元件從鏈路上游元件獲得信號的途徑。音頻接口包括源(輸出)回路、電纜以及負載(輸入)回路幾個部分。它有家用版本(2線非平衡式)以及專業版本(3線平衡式),兩種版本的主要區別在于對各種電磁干擾(圖1)的耐受力。那么數字音頻接口是否需要使用數字音頻電纜呢?

  非平衡式和平衡式音頻接口。

  增加電纜長度不利于傳輸模擬和數字信號,所以大型房間系統必須使用平衡式接口。一根電纜中包含多根電線或絞線。一根針對非平衡式接口設計的電纜中包含兩條絞線,其中一條絞線為屏蔽線。一根針對平衡式接口設計的電纜中包含三根絞線,其中有一條對絞線對和一條屏蔽線(STP)。電纜本身基于這個原因,可能會稱為非平衡式或平衡式電纜。本文章的討論范圍僅限于平衡式接口和電纜。

  平衡式模擬和數字接口要求使用的電纜不一樣嗎?我要先做些基礎知識說明。

  模擬音頻

  模擬接口輸送的信號是隨著時間變化的電壓,而且這個接口(包括電纜)必須保持電壓形狀不變(圖2)。假設輸入和輸出電路的設計很好,此時電纜是信號衰減的一個原因。電纜有電子屬性,而電容通常為影響信號質量的主要原因。電纜電容的屬性會隨著頻率升高削減信號,從而導致信號的高頻內容丟失。無論是家用產品還是專業產品,它們的音頻接口設計都是為了讓電纜電容效應產生于可聽頻率范圍之外,雖然這聽很讓人震驚。

  如果你使用的電纜質量高而且長度合理,那么音頻應該不受影響。但是,這不等于沒有電纜效應,我們也沒有公認的人類聽力高頻上限。這個原因刺激了人們對“特殊”電纜的需求,意圖保持模擬信號的保真度。

  數字音頻

  數字信號由數據包組成,這些數據包通過電纜傳播,在負載處(輸入)恢復。AES3數字格式包括兩個音頻數據通道,這些數據通過STP電纜單向傳輸。如果使用的是平衡式模擬接口,電纜屏蔽僅作為屏蔽使用,且不是音源和負載之間傳輸信號的必要條件。

  模擬信號在不同時刻的數值可能不同,而數字信號只有兩種狀態。一“比特”(bit)等于零或者等于一。目標是在數字輸入時保持這種差異。電纜電容依然存在,并且會因為四舍五入比特傳輸而改變信號(圖3)。

  模擬和數字信號之間的一個主要區別在于帶寬,或頻率范圍。模擬音頻波形包含約20kHz的有用信息。數字信號帶寬能夠很好地擴展到MHz區域(兆或百萬赫茲)。這點是必需的能力,因為數據只有兩種狀態,所以需要大量比特來攜帶傳輸原始模擬波形中的信息。

  電纜電容引起的高頻丟失通常讓數字波形的銳邊變得圓滑。在一般情況下,這種修改不會影響信號所攜帶的信息,因為零或一實際上由轉換或者零交點所決定。也就是說,數字信號比模擬信號更不容易遭受電線的“侵蝕”,因為數字信號不是音頻,而是數據。這是數字音頻優于模擬音頻的重要特征。

  關鍵點在于,電纜本身不分模擬或數字,電纜只是具有會改變流經信號的形狀的阻抗特性而已。無論是模擬還是數字波形,隨著電纜長度增加,都受電纜電容影響。但在短線距中,這兩種接口類型可以忽略不計電纜的影響。

  數字音頻具有“要么完整要么損壞”(all-or-nothing)的自然屬性,這點可以通過眼圖(eye pattern)測試進行觀察(圖4)。眼圖是一種包含了數千比特的特殊分析儀。噪音和抖動會讓“眼睛”變小,但是只要“眼睛”大于AES 3的最小值,信號的完整性就不受影響。

  由于電纜電容起累積作用,那么在一定長度下,高頻丟失對模擬信號和數字信號的完整性都會造成影響。

  音頻行業中的數字音頻格式,如AES3和SPDIF實際上曾是針對模擬接口電纜而設計的。約定俗成的25英尺(762厘米)話筒電纜可以傳輸數字音頻而不損害其質量,而數字信號并不需要特定的電纜(圖5).如果音響系統中既有模擬設備,也有AES3數字設備,那么每種設備都可以使用同樣的電纜,只要模擬輸出路由至模擬輸入,且數字輸出路由至數字輸入即可。簡單就是勝任,這也是研發者在發明專業級和家用級數字音頻接口和格式時牢記于心的理念。

  好笑的是,線距過長對于數字信號的損害比模擬信號要嚴重。我們放松限制地說,兩種信號的電纜都能使用1000英尺(300米)電纜。模擬信號會丟失部分高頻,根據具體節目音頻材料的不同,音質可能會變得稍微“模糊”一些。而數字音頻如果不能區別一和零,就可能出現噼啪聲,甚至完全中斷。我們在對比數字電視和模擬電視的時候都有這樣的經歷。衰減的模擬信號還是“看得過眼”的,不過衰減的數字信號卻會出現卡頓、噪點和其它問題?!皵底值摹?,無論是音頻還是視頻,都是這種要么完整要么損壞的狀態。

  線纜可以多長?

  無論是模擬音頻還是數字音頻,對于線纜最大長度都沒有什么“硬性限制”。保守地說,1000英尺(300米)的適用長度是我們放松標準限制舉的例子。但是,我可以保證,在這樣的長度下還是可以傳輸模擬信號的,只是說可能會丟失一些可聽見的高頻。而在300米的線距下,數字音頻就沒那么容易保留好恢復成連續波形的信息了。我不是擁護模擬排斥數字,因為你不會有使用300米線距的需求,但相對于“沒有聲音”我總是更愿意選擇“模糊的聲音”的。

  重點在于,在線距短的情況下,無論是模擬布線還是數字布線,你一般都不用擔心受影響。在100英尺(30米)線距內,我都不太考慮電纜電容削減信號的問題,不過一旦丟失信號,就更可能影響模擬信號。線距越接近專業數字音頻默認的“100米限制”,電纜屬性就越發地成為影響信號的重要因素,而專門為數字音頻設計的電纜可以提高音頻的完整性。同樣的電纜可以減輕模擬接口丟失高頻的問題。一般而言,短線距不用考慮影響,長線距就要考慮所有問題了。

  數字級音頻電纜

  數字級專業音頻電纜是低電容屏蔽雙絞線(STP),能呈現其針對的射頻范圍的特定阻抗特征。這種電纜的標準為110歐姆——和接口的輸入輸出阻抗的數值一樣。阻抗匹配能減弱在音源和負載之間的、可能造成數據崩潰的反射。電纜越長,維持這種電阻匹配就越重要,你的線距越接近數字格式的推薦限制,這種重要性就越突出。

  數字音頻在推薦工作距離內完全不受“電纜效應”的影響,這時購買更昂貴的電纜并不能獲得更好的音質。有趣的是,類別電纜(如5類纜和6類纜)的電容都很低且阻抗為100歐姆,而且它們是AES3數字音頻的理想選擇(圖6)。低成本的5類纜可以為“數字”STP電纜提供類似的表現水平,但也可能造成接線、卷線和運輸線纜的噩夢。但是,對于固定安裝而言,5類纜是一種低成本且便利的數字信號傳輸方式,也非常適合平衡式模擬接口。

   數字STP 和CAT5,兩者均為300英尺,輕松通過眼圖測試。

  轉換到數字音頻的其中一個原因是,信號傳輸公式中不考慮電纜。雖說電纜并不是完全不影響傳輸,但是數字音頻的“要么完整要么損壞”的二進制特性意味著,信號損失不再是模糊的了,不會出現有些電纜聲音聽起來“更溫暖”或“更干凈”的情況。也就是說,電纜在產生嚴重影響前的影響都可以忽略不計,而且一旦產生影響,你也能知道。

  數字STP電纜

  屏蔽雙絞線“數字”電纜的設計目的在于提高雙絞線和屏蔽線之間的對稱性,讓平衡式輸入和輸出更好地發揮作用。STP電纜并不特別昂貴,而且越接近100米限制線距,它的好處就越明顯。由于優質編織屏蔽數字電纜和優質編織屏蔽模擬電纜的價格相近,所以我在便攜式系統中都使用了數字電纜來連接模擬接口和數字接口。

  帶箔片屏蔽的數字STP電纜的價格大約是編織屏蔽數字STP的一半,但是遠貴于模擬箔片屏蔽STP。數十年來,低成本的箔片屏蔽STP已經成為固定音響應用場景的支柱,它很適合模擬接口,在短距離中甚至適合數字接口。箔片STP成本低,所以它還沒被淘汰。所以,原本是模擬系統的大型房間在翻新為數字系統時,最好把其中的布線連同模擬設備一起替換掉。


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