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常用音频接口介绍
日期:2012-4-17 8:09:06 阅读:   来源:王继来

本文较详细地介绍了常用的音频接口类开型、标准、使用方法及注意事项。方便大家在不同的音频应用领域进行音频测试、测量及音频传输等重要环节的理解与应用。

概述

在广播电视系统节目采编及传送机房的日常技术维护中,会接触到各式各样的音频类接口。音频接口,是在传输音频信号时使用的接口,它可以是模拟的,也可以是数字的。不同的音频应用领域,往往会有不同的接口,随着技术的进步,接口的种类也在不断的发展、增多。如果缺乏对音频接口知识的基本了解,在日常的技术维护中,势必会妨碍对于音频传送,音频测试与测量的理解与应用,本文对常用的音频接口做较详细的介绍。

首先,明确两个概念的涵义及关系:接口(Interrace)和连接器(通常也叫做接头,Connector)。不同的音频标准都需要定义各自的硬件接口标准,硬件接口定义了电子设备之间连接的物理特性,包括传输的信号频率、强度,以及相应连线的类型、数量,还包括插头、插座的机械结构设计。连接器是接口在物理上的实现,是实现电路互连的装置。人们将接头分成两类: “公头”(或“阳头”)和“母头”(或“阴头”),一言以概之,即插头(Male connector、plug)和插座(Female connector、socket)。在实际应用中,人们经常习惯于将接口(Interface)和接头(Connector)二者不加区分的通用,因此,本文在文字描述上也不做严格的区分。

模拟音频接口

1.TRS接头

T R s接头是一种常见的音频接头。TRS的含义是Tip(signal)、Ring(signal)、Sleeve(ground)。分别代表了该接头的3个接触点。TRs插头为圆柱体形状,触点之问,用绝缘的材料隔开。为了适应不同的设备需求,TRs通常有三种尺寸(符号”表示英寸):1/4” (6.3 mm),1/8” (3.5mm),3/32'’(2.5mm,),如图1所示。

2.5mm接头在手机类便携轻薄型产品上比较常见,因其接口可以做的很小;3.5mm接头在Pc类产品以及家用设备上比较常见,也是我们最常见到的接口类型;6.3mm接头是为了提高接触面以及耐用度而设计的模拟接头,常见于监听等专业音频设备上,例如:节目传输类机房大多用此接头来监听节目质量。接下来介绍3.5mm和6.3mm两种规格的TRS接头。

2.1.1(1/8”3.5mm)TRs接头俗称:(小三芯)3.5nutI‘TRs接头又称小三芯或者立体声接头,是目前见到的最主要的声卡接口,除此之外,包括绝大部分MP3播放器,MP4播放器和部分音乐手机的机输出接口也使用这种接头。

3.5mm接头提供了立体声(即双声道:左声道和右声道)的输入输出功能,因此一般来说支持5.1的声卡(6声道)或音箱来说,就需要3个3.5mn。立体声接头来连接模拟音箱(3×2声道:6声道);7.1声卡或音箱就需要4个3.5m, 立体声接头(4×2声道=8声道),以此类推。如前所述,这种接口有三个导体接触点。如图4是小三芯插座的机械结构尺寸,与插头相对应,插座也有三个触点,彼此之间用绝缘材料隔开。(图4)

根据实际使用需要,我们还能看至有4芯甚至5芯的这种接头。例如:松下某款磁带随身听上看到的4芯3.5mm接头,多出来的一根线是传送线控信号用的,再比如手机上常见的4芯2.5mmTRS接头,多出来的那个芯是用来与头戴式耳机的麦克风相连,用来传送由语音信号经麦克风转换后的电信号。另外,芯数也能减少,譬如卡拉ok话筒与功放连的插头,即为卡侬头(卡侬头将在后文介绍)转2芯6.3nun TRS接头,可以用来传送非平衡的单声道音频信号。

2.1.2(1/4”6.3ram)TRS接头俗称:(大三芯)

关于大三芯插头的定义,如下图: (图5)

它是一种常见的音频设备连接插头,一般用于平衡信号的传输或者非平衡立体声信号的传输,用作平衡信号的传输时,功能与卡侬头一样。(注:平衡信号和非平衡信号将在后文进行介绍)。1/4”TRS平衡接头能提供平衡输入/输出。除了具有耐磨损的优点外,还具有平衡接头独有的高信噪比,抗干扰能力强等特点。对于一个真正的 1/4”TRS平衡接头来说,其成本将是非平衡的2倍多。因此采用1/4”TRS平衡接头的设备一般是高档或专业音频设备。

2.FICA模拟音频接头

RCA接头就是常说的莲花头,利用RcA线缆传输模拟信号是目前最普遍的音频连接方式。名称“RCA”是以发明这种接头的公司来命名的,即美周无线电公司,英文:(Radio Corporation ofAmerica),这个公司在20~40年代将这种接头引入市场,用它来连接留声机和扬声器。

每一根RCA线缆负责传输一个声道的音频信号,所以立体声信号,需宴使用一对线缆。对于多声道系统,就要根据实际的声道数量配以相同数量的线缆。立体声RcA音频接头,一般将右声道用红色标注,左声道则用蓝色或者白色标注。

   一些双声道专用声卡上我们常可以见到RcA接头,如图8是一块声卡产品,采用了RcA模拟输出。与3.5mm接头一样,这样的接头同样能够传输数字信号。

3.XLR接头

XLR接头,俗称卡侬头,之所以被称做卡侬头(英文:cannon plugor cannon connector)是因为lame sH.cannon先生(cannon Electric的创立者,现在该公司已经被并入ITTCorporlation)是卡侬头最初的生产制造商。最早的产品是”Cannon x”系列,后来对产品进行了改进,增加了一个插销(英文:Latch),其实是一个锁定装置,产品系列更名为:“cannon XL”然后又围绕着接头的金属触点,增加了橡胶封口胶(Rubber tompound),最后人们就把这三个单词的头一个字母拼在一起,称作“XLR Connector”,即XLR接头。这里需要提醒的是, xLR接头可以是3脚的,也可以是2脚、4脚、5脚、6脚。当然,我们使用最普遍的接头,如图9所示,是3脚的卡侬头,即:xLR3。由于采用了锁定装置,xLR连接相当牢靠。xLR接头通常在麦克风、电吉它等设备上常能看到。如图10是卡侬头在平衡式连接时,各个针脚的定义。

需要提醒大家的是,卡侬头不仅可以做模拟音频信号的接头,也可以做数字音频信号的接头。

平衡信号和非平衡信号

音频接头是音频信号的载体,所传输的信号种类不同,接头也有所不同。在音频设备间传输的音频信号,可大致分成两类,平衡信号和非平衡信号。声波转变成电信号后,如果直接传送就是非平衡信号,如果把原始信号反相(相位差为180度),然后同时传送反相的信号和原始信号,就叫做平衡信号。与之相对应的是音频信号的平衡传输与非平衡传输。平衡传输是一种应用广泛的音频信号传输丙式。它是利用相位抵消的原理将音频信号传输过程中所受的其他干扰降至最低,即:平衡信号送入差动放大器,原信号和反相位信号相减,得到加强的原始信号,由于在传送中,两条线路受到的干扰几乎一样,在相减的过程中,减掉了干扰信号,因此抗干扰能力更强。所以,平衡传输一般出现在专业音频设备上,以及传输距离较远的场合。这种在平衡式信号线中抑制两极导线中所共同有的噪声的现象便称为共模抑制。实现平衡传输,需要并列的三根导线来实现,即接地线、热端线、冷端线。因此,平衡输入、输出接头,必须具有三个脚位,如图11卡侬头,大三芯接头。

非平衡传输只有两个端子,即:信号端与接地端。对于这种单相信号,为防止共模干扰使用同轴电缆,外皮是地,中间的芯是信号线。常见的接头,如BNC接头,RCA接头等。这种传输方式,通常在要求不高和近距离信号传输的场合使用,如家庭音响系统。这样连接也常用于电子乐器、电吉他等设备。这里有一点要提醒大家注意:平衡信号需要用平衡接头来传输,那么反过来,看到平衡接头,如大三芯TRs接头或者XLR3接头,电路中传输的一定是平衡信号吗?答案是否定的。比如,当大三芯TRs接头用来传输立体声信号的时候,Tip脚传输左声道信号,Ring脚传输右声道信号,Sleeve脚接地,那么它此时传输的是两路不同的信号,即不是平衡信号。而平衡信号本质上是一路信号,只不过将其反相后,两路同时传输而已。鉴于此,读者在实际应用中,当结合实际电路,细心分辨。

数字音频接口

数字接口的优势在于它在传输中有较强的抗干扰能力,即便出现误码,一些编码方式也能够对其进行修正,因此信号的可靠性对比模拟信号有着不可比拟的优势。目前在数字音频应用领域中,数字音频接口数据格式标准有很多,以下是一些主要标准的简单介绍。

AEs/EBu是美国和欧洲录音师协会制定的一种高级的专业数字音频数据格式,插口硬件主要为卡侬头,目前用于一些高级专业器材,如专业DAT、顶级采样器、大型数字调音台、专业音频工作站等。

S/PDIF是Sony和飞利浦公司制定的一种音频数据格式,主要用于民用和普通专业领域,插口硬件使用的是光缆口或同轴口,现在的DAT、cD机和MD机和计算机声卡音频数字输入输出口都普遍使用S/PDIF格式。

ADAT(又称Alesis多信道光学数字接口)是美国Alesis公司开发的一种数字音频信号格式,因为最早用于该公司的ADAT八轨机,所以就称为ADAT格式,该格式使用一条光缆传送八个声道的数字音频信号,由于连接方便、稳定可靠,现在已经成为了一种事实上的多声道数字音频信号格式,越来越广泛地使用在各种数字音频设备上,目前许多公司的多声道数字音频接口,像Frontier公司的一系列产品,使用的都是ADAT口。

TDIF是日本Tascam公司开发的一种多声道数字音频格式,使用25针类似于计算机串行线的线缆来传送八个声道的数字信号。TDIF的命运与ADAT正好相反,在推出以后TDIF没有获得其它厂家的支持,目前已经越来越少地被各种数字设备所采用。

R—Bus是Roland公司新推出的一种八声道数字音频格式,也被称为RMDBII。它的插口和线缆都与TAscAM公司的TDIF相同,传送的也是八声道的数字音频信号,但它有两个新增的功能。第一,R—Bus端口也可供电,这样当你将一些小型器材连接在其上使用时,这些器材可以不用插电。第二,除数字音频信号外,R—Bus还可以同时传送运行控制和同步信号。这样,当两件设备以R—Bus口连接时,在一台设备上就可以控制另一台设备。比如你将Roland公司最新的VSR一880多轨机通过R—Bus连在Roland的VM系列调音台上时,你就可以在VM调音台上直接控制多轨机的运行。

1.AES/EBu标准

A E s/E B u的全称是A u d i o:Engineering Society/European Broadcast Union(音频工程师协会/欧洲广播联盟),现已成为专业数字音频较为流行的标准。大量民用产品和专业音频数字设备如cD机、DAT、MD机、数字调音台、数字音频工作站等都支持AES/EBU。AES/EBU是一种通过基于单根绞合线对来传输数字音频数据的串行位传输协议。它无须均衡即可在长达100m的距离上传输数据,如果均衡,可以传输更远距离。它提供两个信道的音频数据(最高241z~特量化),信道是自动计时和自同步的。它也提供了传输控制的方法和状态信息的表示(channel status bit)和一些误码的检测能力。它的时钟信息是由传输端控制,来自AES/EBU的位流。它的三个标准采样率是32kHz、44.1kHz、48kHz,当然许多接口能够工作在其它不同的采样率上。

AES/EBU的普通物理连接媒质有:

(1)平衡或差分连接,使用XLR(卡侬头)连接器的三芯话筒屏蔽电缆,参数为阻抗1 1 0 Ω,电平范围0.2V~5Vpp,抖动为±20ns。

(2)单端非平衡连接,使用RCA插头的音频同轴电缆。

(3)光学连接,使用光纤连接器。

2.S/PDIF标准

S/PDIF的全称是Sony/Philip s Digital Interface Format,由于被广泛采用,它成为事实上的民用数字音频格式标准,大量的消费类音频数字产品如民用 CD机、DAT、MD机、计算机声卡数字口等都支持s/PDIF,在不少专业设备上也有该标准的接口。S/PDIF格式和AES/EBU有略微不同的结构。音频信息在数据流中占有相同位置,使得两种格式在原理上是兼容的。在某些情况下AES/EBUI~专业设备和s/PDIF的用户设备可以直接连接,但是并不推荐这种做法,因为在电气技术规范和信道状态位中存在非常重要的差别,当混用协议时可能产生无法预知的后果。

S/PDIFf~3普通物理连接媒质主要是采用捆紧式/光学波导连接设备,如采用BNC连接器的75Ω同轴电缆,电平范围0.2v~5vpp,距离在10m内;还可选用光学Toslink接头和塑料光缆,距离小于1.5m;如果大于1km的距离,可使用玻璃光缆和使用编解码器。

S/PDIF采用EIAJ CP一340 IEC一958 同轴或光缆,属不平衡式。其标准的输出电平是0.5vpp(发送器负载75Ω),输入和输出阻抗为75Ω(0.7—3MHz频宽)。常用的有光纤,RCA和BNC。我们常见的是RCA插头作同轴输出, 但是用RcA作同轴输出是个错误的做法,正确的做注是用BNc作同轴输出, 因为BNC头能阻抗是75Ω,刚好适合S/PDIF的格式标准, 但由于历史的原因,在一般的家用机上用的是RC作同轴输出。

3.同轴数字接头

(图12)中左边为RcA同轴数字插头,右边为BNc同轴数字插头。同轴线缆有两个同心导体,导体和屏蔽层共用同一轴心。同轴线缆是由绝缘材料隔离的铜线导体,阻抗为75Ω,在里层绝缘料的外部是另一层环形导体及其绝缘体,整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住。其优点是阻抗恒定,传输频带较宽,优质的同轴电缆频宽可达几百兆赫。同轴数字传输线标准接头采用BNC头,其阻抗是75Ω,与75Ω的同轴电缆配合,可保证阻抗恒定,确保信号传输正确。传输带宽高,保证了音频的质量。虽然同轴数字线缆的标准接头为BNc接头,但市面上的同轴数字线材多采用RCA接头。

4.光纤接头(TOSLINK)

从单纯的技术角度来说,光纤电缆是导体传输速度最快的,是一个极好的数据传输接线,但是由于它需要光纤发射口和接收口,而光纤发射口和接收口的光电转换需要用光电二极管,由于光纤和光电二极管不可能有紧密的接触,从而产生数字抖动类的失真,而这个失真是叠加的,因它有两个口(发射口和接收口)。再加上在光电转换过程中的失真,使它是几种数字电缆中最差的,同轴电缆传输比光纤的数字抖动少一个数量级。

(图1 3、1 4)便是光纤接头。 TOSLINK全名Toshiba Link。这是日本东芝(TosHIBA)公司较早开发并制定的技术标准,它是以Toshiba+link命名的,在器材的背板上用“OTICAL”作标识。现在几乎所有的数字影音设备都具备这种格式的接头。TosLINK光纤曾大量应用在普通的中低档CD播放器、MD播放器、DVD机及组合音响上。光纤(Optical)以光脉冲的形式来传输数字信号,支持PCM数字音频信号、Dolby以及DTS音频信号。制造光纤常用的材料有塑料、石英、玻璃等,以玻璃或有机玻璃为主。光纤同样采用S/PDIF接口输出,TOSLINK使用光纤传送s/PDIF数字音频信号,分两种类型,一般家用的设备都是用标准的接头,而便携式的器材如CD随身听等,则是用与耳机接头差不多大小的迷你光纤接头。光纤连接可以实现电气隔离,阻止数字噪音通过地线传输,有利于提高DAC的信噪比。

5.数字音频接口应用实例

我局发射台节传机房数字化改造完成后,音频调度系统从数字卫星接收机到数字音频四选一均采用了瑞士的NEUTRIK XLR(卡侬头)来连接。如图1 5为NEuTRIK xLR卡侬头,在本系统中用来传输数字信号。

从数字音频四选一,型号为DAL3500的音频扩展接口箱输出音频信号符合AES/EBLJ标准的数字信号,其阻抗是110Ω,平衡输出。我台从节传机房传输到各发射机房的音频信号最远距离大概在400m以内,故采用特性阻抗为75Ω的CANARE L一5CFB聚乙烯绝缘型同轴电缆,在实际的设备连接中,为了解决阻抗匹配和较远距离的传输问题,采用了日本佳耐美电气公司生产的型号为cANARE BCJ—XJ—TRB的阻抗变换器,该阻抗变换器符合AES/EBU标准数字信号传输,、其特性阻抗由110Ω变为75Ω,110Ω端采用XLR接头,满足平衡输出要求。75Ω端用BNC接口,满足同轴电缆传输,在发射机房同轴电缆与数字音频处理器(Orban Optimod—AM9400)之间再次使用同样型号的阻抗变换器,将特性阻抗由75Ω再变为110Ω,很好地解决了实际需求。如图16是未连接的BCJ—XJ一TRB阻抗变换器和BNC接头的同轴线缆。图17为带BNc接头的同轴电缆与阻抗变换器75Ω端BNc接口匹配连接。

如图1 8为经过阻抗变换器转换后的同轴电缆与数字音频四选一音频接口箱的实际连接状态。

综述

本文较详细地介绍了常用音频接口的类型,机械结构、技术标准及使用方法,这里特别提醒大家注意的是在不同的音频应用领域,在使用不同的音频接口时一定要事先考察好接口技术标准,信号的平衡与非平衡性以及传输线缆与接口的阻抗匹配等细节,否则在广播级的音频系统应用中会出现很严重的后果。以上是工作中总结的一些点滴心得,方便大家在日常技术维护中甄别使用,希望能给大家带来帮助。