【中國數(shù)字視聽網(wǎng)訊】Pat Brown將在本文闡述模擬連接和數(shù)字連接各自的優(yōu)劣之處。

你熟悉數(shù)字音頻嗎?你是否無法清楚區(qū)分市面上五花八門的格式?下文可從某種程度上解決你的困惑。

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，大量實用的數(shù)字接口應(yīng)運而生，人們使用數(shù)字接口以彌補尚未淘汰的模擬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，我將從模擬接口開始講解——畢竟大多數(shù)讀者對此更熟悉——然后我會拋磚引玉，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 – 模擬接口是點對點的，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對點的連接(圖1)。它是電子平衡式接口，因此具有極強抗電磁干擾能力。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(通常< 200Ω)來驅(qū)動高阻抗的輸入(通常> 2000 Ω)。這種阻抗不匹配的形式簡化了接口，因而實際應(yīng)用中通常不考慮具體的阻抗值。比方說，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。“輸出”連接到“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100 dB以上。可依據(jù)電壓大小對信號進行分類(例如，話筒電平，線路電平，揚聲器電平)。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300m。

不同模擬接頭的電觸頭數(shù)量不同。可忽略電纜和接頭的阻抗，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100 kHz。相對于整個電磁波譜而言，這是“低”頻。

優(yōu)點：

· 簡單而成熟。

· 容易排查問題。

· 可靠性極強。

· 不需要匹配輸出和輸入的阻抗。

· 信號通過設(shè)備或電纜進行瞬時傳輸，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)有幾種標準化的點對點式數(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)。最常見的標準包括AES3(美國標準)和AES-EBU(歐洲標準)，在文中統(tǒng)稱為AESx。二者的內(nèi)容大體相同，只有細微的差別。

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(< 30 m)，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100 m。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 ——其實就是一種視頻接口)以及類電纜(如超5類電纜)。AESx標準也適用于使用小體積DB25接頭的多對線(多達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)品的目標市場決定具體規(guī)格。

模擬和AESx有個重要的區(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)點之一。

圖4 –四進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)。可通過開關(guān)切換選擇模擬和AES。

數(shù)字音頻質(zhì)量

模擬信號數(shù)字化的目標是無損編碼。要實現(xiàn)這個目標，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)備都默認設(shè)置“24/48”，意思是位深為24比特，采樣率為48 kHz。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信號進行壓縮。因為當前技術(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6 Mbps。

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10 MHz(1.5 MHz基波加上奇次諧波)，所以必須匹配接口的阻抗(110 Ω)，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和阻抗匹配的拓撲相似，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標準，但是時鐘細節(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”，以免造成嚴重的延遲問題。

優(yōu)點：

· 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，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”?

數(shù)字I/O——數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

模擬音頻信號一旦數(shù)字化，就成了數(shù)據(jù)。科技發(fā)展為電腦間傳輸數(shù)據(jù)提供了許多途徑，應(yīng)用最廣的一種就是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。通過以太網(wǎng)傳輸音頻(AoE)，開創(chuàng)了低成本、普遍化數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸音頻數(shù)據(jù)的新時代。AESx及其類似的標準或協(xié)議由音頻行業(yè)所制定，但是AoE是利用信息技術(shù)(IT)行業(yè)的技術(shù)來傳輸音頻的。

圖6 – AoE要求所有單元都連接到同一個網(wǎng)絡(luò)開關(guān)中。通過配置程序(比如Dante Controller™ 或Cobranet Disco™)實現(xiàn)I/O連接。

先進行模擬波形采樣，然后對其進行“分包”。每個包包含幾個音頻樣本和一些額外的“元”數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。AoE協(xié)議(如Cobranet，Dante，Q-Sys，Ravenn等等)保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的“開”、“關(guān)”，從而在接收端形成連續(xù)的波形。高速網(wǎng)絡(luò)(如1000BaseT或“千兆位”的網(wǎng)絡(luò))可承載上百個通道。它和AESx格式的“單行道”不同，單根電纜可以傳輸雙向信號。

不是音頻，是數(shù)據(jù)!

這種I/O是一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，IT行業(yè)為它制定了嚴格的規(guī)則。這些規(guī)則使用戶免除了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部復(fù)雜的工作，所以相對大型系統(tǒng)而言，小型系統(tǒng)可以說是即插即用的了。

音頻從業(yè)人員具備了IT技能才能部署大型的AoE網(wǎng)絡(luò)。理想情況下，只需要一個專用的網(wǎng)絡(luò)交換機就能建立音頻專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。不過，現(xiàn)在越來越多的場地需要永久安裝AoE，與其它數(shù)據(jù)通信(如電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽、零售終端)一起，組成所謂的融合網(wǎng)絡(luò)。在融合網(wǎng)絡(luò)中的音頻數(shù)據(jù)包必須優(yōu)先于其它數(shù)據(jù)通信，此之謂服務(wù)質(zhì)量(QoS)。可通過虛擬局域網(wǎng)(VLAN)保留大型網(wǎng)絡(luò)的音頻數(shù)據(jù)包。不過，VLAN需要的是比簡單的專用網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、成熟得多的“管理”交換機。

由于AoE的接線簡單、通道數(shù)量多且網(wǎng)絡(luò)硬件成本低，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在數(shù)字音頻傳輸中。AoE和AESx(及類似標準)的主要區(qū)別在于，AESx和模擬一樣，是點對點的，需要直接連接輸出和輸入。AoE是一種網(wǎng)絡(luò)，所以信號可在任意網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間自由進行路由，不受它們的網(wǎng)絡(luò)接入位置的限制。這就為更大型的場地、校園、音頻工作室等提供了極大的信號路由自由度。

音頻從業(yè)人員必須掌握所使用的AoE“種類”的規(guī)格。包括，通過個人電腦的控制應(yīng)用為QoS分配音頻信號，分配網(wǎng)絡(luò)交換機。

什么AoE“種類”?

AoE格式各不相同，互相競爭。筆者撰文的當下，Audinate公司的Dante™運用得最為廣泛。可能隨著時間變更，這種情況會改變，也會出現(xiàn)其它的諸如Audio Video Bridging (AVB)(現(xiàn)在是Time Sensitive Networking (TSN))等競爭產(chǎn)品。AES67的出現(xiàn)，首次實現(xiàn)了各種不同AoE格式之間的互相操作。所以，也有可能出現(xiàn)集結(jié)AoE不同格式的混合格式。

但要注意，AoE只是一種傳輸。決定數(shù)字音頻質(zhì)量的，是采樣率和位深。因此，所有的AoE格式都應(yīng)該殊途同歸。

優(yōu)點：

· 24/48數(shù)字音頻。

· 一根CATx電纜承載上百個通道。

· 線纜和接頭類型普遍常見。

· 硬件架構(gòu)成本低。

不足：

· 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可能較為復(fù)雜。

· 問題的排查難度大。

· 融合網(wǎng)絡(luò)需要IT部門之間的相互合作。

· 與模擬音頻之間的關(guān)系不夠直觀明確。

· QoS帶來的問題。

· 存在多種AoE協(xié)議，但是沒有制造商能支持所有的協(xié)議。

· 涉及許多IT技能，要求專業(yè)的培訓(xùn)。

頻譜含量和“準確”要求

有種方法能大致區(qū)分不同格式，那就是不同格式對接口變量“準確”度的要求不同。反過來，這也基于信號頻譜在整個電磁譜中的位置。與音頻大部分的現(xiàn)象一樣，這是個不斷變化的過程，并沒有清晰的“正確”、“錯誤”的答案。由于音頻在電磁譜中屬于低頻，模擬音頻接口對接口細節(jié)并沒有特別的限定，人們可以輕而易舉地獲得音頻。很多線纜和接頭類型都“有效果”，但要“有好效果”，還需要雙絞線，最好是屏蔽雙絞線。電纜測試基本是簡單的斷路測試。可使用下圖中的工具(butt set)來“橋接”信號對，檢測信號(圖7).

圖7 – 模擬問題排查只需要“butt set”就足夠了。

數(shù)字I/O的頻譜在電磁譜中的位置更加往上。其接口細節(jié)變得更加黑白分明。比如，模擬音頻只要求低阻抗輸出連接高阻抗輸入。而所有數(shù)字I/O格式都要求阻抗匹配，不過AESx的要求比AoE寬松。這也是AESx信號不需要“特殊的”XLR接頭的原因所在，也能解釋為何能夠使用Euroblock和DB25接頭;短距離連接甚至能使用模擬電纜;電纜通常由音頻設(shè)備本身檢測;以及為什么AESx輸入可以“鎖定”AESx輸出。可以使用特殊的測試器來檢測鎖定信號，并對音頻進行解碼和監(jiān)聽(圖8)。

圖8 – AESx接口專業(yè)測試器。

在最高頻率(千兆網(wǎng)絡(luò)的AoE)，接口具有非常細致嚴苛的細節(jié)。其接口、電纜和接頭都有明確的規(guī)格，終端用戶沒有自由配置的空間。雖然斷路測試儀可以進行最基本的測試操作，但是測試能夠(也應(yīng)該)更加精細。除了電纜測試，還需要檢測系統(tǒng)帶寬、單元處理、以太網(wǎng)供電(PoE)要求，等等。故障排查設(shè)備包括基于個人電腦的設(shè)備，也可以是獨立運作的設(shè)備(圖9).

圖9 – 用于網(wǎng)絡(luò)故障排查的獨立測試儀。

圖10 - 對接口精度的要求取決于信號的頻譜含量。數(shù)據(jù)傳輸速率越大，對接口的細節(jié)規(guī)定就越重要。

例行比喻

如果你讀過我的論述，就知道現(xiàn)在我要開始打比方了。下面為非專業(yè)人士描述一下各種不同的連接方法。

模擬連接就好比駕駛吉普車穿越塵土飛揚的單行道。盡管道路顛簸，吉普車還是能開完全程，完好無損地到達目的地。AESx是橢圓賽道上飛馳的一級方程式賽車。速度越高，要求就必須越光滑，還需要一些邊界。AoE好比高速列車。它有著精確的行駛路徑，誤差容限極其小。在這種速度下，任何微小的斷點都可能帶來災(zāi)難性的后果。

這也就很好地解釋了為何還有那么多低性能模擬系統(tǒng)被使用了。存在缺陷的模擬接口依然可以傳輸音頻，并且一般沒人能發(fā)現(xiàn)它們的缺陷，除非拿更完美的接口直接做對比。所以說，從模擬到數(shù)字AESx、到AoE，隨著頻譜位置上移，接口細節(jié)也變得越來越精密，規(guī)則的變通空間越來越小。不過，越來越高的復(fù)雜度換來的是更多的通道和功能——這些對許多系統(tǒng)而言都很有價值。

所以說，數(shù)字并未取代模擬，AoE也未取代AESx及其類似的標準或協(xié)議。各占一席之地。模擬仍然是判斷數(shù)字系統(tǒng)保真度的標準。有時候，最簡單的方法最好用，有時則不然。

（編輯：bingjiling）