易科:模擬接口與數字接口有何區別?

[2018-08-15]  來源:中國數字視聽網

【中國數字視聽網訊】Pat Brown將在本文闡述模擬連接和數字連接各自的優劣之處。

你熟悉數字音頻嗎?你是否無法清楚區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?隨著專業音頻的不斷發展,大量實用的數字接口應運而生,人們使用數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字接口,但如果你仔細研究,它們各自的優劣就自然顯現出來了。

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

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計。專業模擬接口的阻抗并不匹配,它用低阻抗的輸出(通常< 200Ω)來驅動高阻抗的輸入(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動多路輸入,但不可合成多路輸出以驅動一路輸入。

模擬信號的電壓會隨著時間發生變化,電平范圍寬達100 dB以上。可依據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,在某些應用場景,電纜長度可達300m。

不同模擬接頭的電觸頭數量不同。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”,可能產生接地回路,導致電流的嗡嗡聲。

· 多對線沉重且成本高昂。

數字I/O——行業特定的音頻格式

專業音頻行業有幾種標準化的點對點式數字音頻格式。設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雜的數據。最常見的標準包括AES3(美國標準)和AES-EBU(歐洲標準),在文中統稱為AESx。二者的內容大體相同,只有細微的差別。

圖3 – 數字音頻接口比模擬接口具有更多明確規定。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。專為數字I/O而設計的低電容電纜可以延長到100 m。因為場地規格不同,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品,并且相互轉換時會相應使用不同的方法。制造商會根據產品的目標市場決定具體規格。

模擬和AESx有個重要的區別: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字連接,以節省機身空間(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)。可通過開關切換選擇模擬和AES。

數字音頻質量

模擬信號數字化的目標是無損編碼。要實現這個目標,采樣率必須為模擬信號帶寬的2倍以上,動態范圍必須接近100dB。所以,數據的主要屬性是位深和采樣率。多數設備都默認設置“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,并且某些應用場景也會使用更高的采樣率。

采樣率、位深、通道數量的乘積即為“數據傳輸速率”。這樣,通過簡單的計算得到一個數字,就能直觀地說明數字音頻的分辨率。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,數字音頻的優勢在于,可通過有損或無損壓縮來降低數據傳輸速率。但是,我們通常不會出于降低數據傳輸速率的目的對AESx信號進行壓縮。因為當前技術水平較高,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位流的數據傳輸速率表示。數位流相當于組成數字信號的“0”和“1”的傳輸帶。AESx數字音頻包括兩個通道,數據傳輸速率約為6 Mbps。

位流包括音頻采樣(或有效載荷)和元數據,元數據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“協議”,否則無法傳輸音頻。

由于數據傳輸速率接近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,但是時鐘細節截然不同。人們很喜歡用這些多通道接口連接數字調音臺和各自的舞臺接口箱。

與時間相關

若要保持多個單元的數字信號同步,離不開時鐘信號。AESx數據流內嵌了時鐘信號,所以簡單的系統無需額外連接專用的字時鐘。對于較復雜的系統,AESx單元通常提供字時鐘I/O。

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

優點:

· 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。

· 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”?

數字I/O——數據網絡

模擬音頻信號一旦數字化,就成了數據。科技發展為電腦間傳輸數據提供了許多途徑,應用最廣的一種就是以太網網絡。通過以太網傳輸音頻(AoE),開創了低成本、普遍化數據網絡傳輸音頻數據的新時代。AESx及其類似的標準或協議由音頻行業所制定,但是AoE是利用信息技術(IT)行業的技術來傳輸音頻的。

圖6 – AoE要求所有單元都連接到同一個網絡開關中。通過配置程序(比如Dante Controller™ 或Cobranet Disco™)實現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”數據,用于數據網絡傳輸。AoE協議(如Cobranet,Dante,Q-Sys,Ravenn等等)保證網絡數據的“開”、“關”,從而在接收端形成連續的波形。高速網絡(如1000BaseT或“千兆位”的網絡)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,是數據!

這種I/O是一個數據網絡,IT行業為它制定了嚴格的規則。這些規則使用戶免除了網絡內部復雜的工作,所以相對大型系統而言,小型系統可以說是即插即用的了。

音頻從業人員具備了IT技能才能部署大型的AoE網絡。理想情況下,只需要一個專用的網絡交換機就能建立音頻專用數據網絡。不過,現在越來越多的場地需要永久安裝AoE,與其它數據通信(如電子郵件、網頁瀏覽、零售終端)一起,組成所謂的融合網絡。在融合網絡中的音頻數據包必須優先于其它數據通信,此之謂服務質量(QoS)。可通過虛擬局域網(VLAN)保留大型網絡的音頻數據包。不過,VLAN需要的是比簡單的專用網絡復雜、成熟得多的“管理”交換機。

由于AoE的接線簡單、通道數量多且網絡硬件成本低,它已經被廣泛應用在數字音頻傳輸中。AoE和AESx(及類似標準)的主要區別在于,AESx和模擬一樣,是點對點的,需要直接連接輸出和輸入。AoE是一種網絡,所以信號可在任意網絡設備間自由進行路由,不受它們的網絡接入位置的限制。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。

音頻從業人員必須掌握所使用的AoE“種類”的規格。包括,通過個人電腦的控制應用為QoS分配音頻信號,分配網絡交換機。

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,也會出現其它的諸如Audio Video Bridging (AVB)(現在是Time Sensitive Networking (TSN))等競爭產品。AES67的出現,首次實現了各種不同AoE格式之間的互相操作。所以,也有可能出現集結AoE不同格式的混合格式。

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

優點:

· 24/48數字音頻。

· 一根CATx電纜承載上百個通道。

· 線纜和接頭類型普遍常見。

· 硬件架構成本低。

不足:

· 數據網絡可能較為復雜。

· 問題的排查難度大。

· 融合網絡需要IT部門之間的相互合作。

· 與模擬音頻之間的關系不夠直觀明確。

· QoS帶來的問題。

· 存在多種AoE協議,但是沒有制造商能支持所有的協議。

· 涉及許多IT技能,要求專業的培訓。

頻譜含量和“準確”要求

有種方法能大致區分不同格式,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。

數字I/O的頻譜在電磁譜中的位置更加往上。其接口細節變得更加黑白分明。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聽(圖8)。

圖8 – AESx接口專業測試器。

在最高頻率(千兆網絡的AoE),接口具有非常細致嚴苛的細節。其接口、電纜和接頭都有明確的規格,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(也應該)更加精細。除了電纜測試,還需要檢測系統帶寬、單元處理、以太網供電(PoE)要求,等等。故障排查設備包括基于個人電腦的設備,也可以是獨立運作的設備(圖9).

圖9 – 用于網絡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。數據傳輸速率越大,對接口的細節規定就越重要。

例行比喻

如果你讀過我的論述,就知道現在我要開始打比方了。下面為非專業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,并且一般沒人能發現它們的缺陷,除非拿更完美的接口直接做對比。所以說,從模擬到數字AESx、到AoE,隨著頻譜位置上移,接口細節也變得越來越精密,規則的變通空間越來越小。不過,越來越高的復雜度換來的是更多的通道和功能——這些對許多系統而言都很有價值。

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

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