音频接口简介
本文缘起:
音频接口,是在传输音频信号的时候使用的接口。它可以是模拟的,也可以是数
字的。在使用R&S?UPV音频分析仪进行音频测试时,会接触到各式各样的音频接
口。如果缺乏对音频接口的基本了解,势必会妨碍对于音频测试与测量的理解与应
用。鄙人在做技术支持的过程中,深切的感受到了这一点。故而,决定撰写一篇关于
音频接口的文章,以资他人借鉴。
内容安排:
1.前言
2.模拟音频接口
3.平衡信号和非平衡信号
4.数字音频接口
5.结语
1.前言
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。限于篇幅与个人水平,本文不可能囊括所有的接口。在此,仅对
常用的接口做一个简单的介绍,普及基本的接口知识,以做抛砖引玉之用。
首先,明确两个概念的涵义及关系:接口(interface)和连接器(或叫做接头,
connecctor)。不同的音频标准都需要定义各自的的硬件接口标准,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。简而言之,连接器是接口在物理上的实现,
是实现电路互连的装置。
人们习惯于将接头分成两类:“公头”(或“阳头”)和“母头”(或“阴头”),
一言以蔽之,即插头(英文:Maleconnector、plug)和插座(英文:Female
connector、socket)。在实际应用中,由于习惯,人们经常将接口(interface)和接头
(connector)二者不加区分的通用,因此,本文在文字上也不做严格的区分,相信读
者可根据上下文的内容心领神会。
接下来,按照技术发展的历史,首先来介绍模拟音频接口。
2.模拟音频接口
2.1TRS接头
TRS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
间,用绝缘的材料隔开。为了适应不同的设备需求,TRS有三种尺寸(符号&表示英
寸):1/4&(6.3mm),1/8&(3.5mm),3/32&(2.5mm),如下图。
从左至右尺寸依次为:2.5mm,3.5mm,6.3mm
2.5mm接头在手机类便携轻薄型产品上比较常见,因为接口可以做的很小;
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设计的模拟接头,常见于监听等专业
音频设备上。
接下来,为大家分别介绍3.5mm和6.3mm两种规格的TRS接头。
2.1.11/8 (3.5mm)TRS接头(俗称:小三芯)
3.5mm立体声插头与插孔
3.5mmTRS接头又叫做小三芯或者立体声接头,这是我们目前看到的最主要的声
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耳机输
出输出接口也使用这种接头。
3.5mm立体声接口母头
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3.5mm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3.5mm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。下图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。
根据实际使用需要,我们还能看到有4芯甚至5芯的这种接头。笔者接触的4芯
3.5mm接头是在松下的磁带随身听上看到的,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2.5mmTRRS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话筒与功放相连的插头,即为卡侬头(卡侬头将在后文介绍)转2芯
6.3mmTS接头,可以用来传送非平衡的单声道音频信号。
2.1.21/4"(6.3mm)TRS接头(俗称:大三芯)
关于大三芯插头的定义,如下图:
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候,功能与卡侬头一样。(注:将在后文对平衡
信号和非平衡信号进行介绍)。
RCA接头转6.3mmTRS插头
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设
备,只有在2000元以上的专业卡上才可以看到。
2.2RCA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,即美国无线电公司,英
文:RadioCorporationofAmerica,这个公司在20世纪40年代将这种接头引入市场,用
它来连接留声机和扬声器。
下图即为RCA插头转3.5mmTRS插头。
RCA转3.5mm接头
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,需要使用一对
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,上图是一块声卡产品,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,我会在后文
对其进行介绍。
2.3XLR接头
XLR3接头
XLR接头,又被称做卡侬头,之所以被称做卡侬头(英文:cannonplugorcannon
connector)是因为JamesH.Cannon先生(CannonElectric的创立者,现在该公司已经
被并入ITTCorporation)是卡侬头最初的生产制造商。最早的产品是"CannonX"系列,
后来,对产品进行了改进,增加了一个插销(插销的英文:Latch,其实是一个锁定装
置),产品系列更名为:"CannonXL",然后又围绕着接头的金属触点,增加了橡胶
封口胶(Rubbercompound),最后人们就把这三个单词的头一个字母拼在一起,称作
"XLRConnector",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,如上图所示,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、电吉他等设
备上能看到。下图是卡侬头在平衡式连接时,各个针脚的定义。
下图是R&S?UPV音频分析仪的模拟音频接头XLR3。左边是输出接头,右边是
输入接头。
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。
3.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
音频信号传输方式。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。
这里有一点要提醒读者注意: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。
4.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。
R&S?UPV音频分析仪数字音频接头
上图是R&S?UPV音频分析仪前面板的数字音频接头,上面三个是输出接头,下
面三个是输入接头。分别是BNC同轴数字接头,OPTICAL光学接头和XLR3卡侬头
接头。下文会分予以介绍。
4.1S/PDIF
S/PDIF(Sony/PhilipsDigitalInterface,索尼和飞利浦数字接口)是由SONY公司
与PHILIPS公司联合制定的一种数字音频输出接口。该接口广泛应用在CD播放机、
声卡及家用电器等设备上,能改善CD的音质,给我们更纯正的听觉效果。该接口传
输的是数字信号,所以不会像模拟信号那样受到干扰而降低音频质量。需要注意的
是,S/PDIF接口是一种标准,同轴数字接头和光纤接口都属于S/PDIF接口的范畴,下
文将对两种接头分别进行介绍。
4.1.1数字同轴接头
左边为RCA同轴数字插头;右边为BNC同轴数字插头
同轴音频接头(Coaxial),标准为SPDIF(Sony/PhilipsDigitalInterFace),是由
索尼公司与飞利浦公司联合制定的,在视听器材的背板上有Coaxial作标识(如下图所
示),主要是提供数字音频信号的传输。它的接头分为RCA和BNC两种。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75欧姆,在里层绝缘材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75C,与
75C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。
漫步者某款音箱面板上的数字输入接头
4.1.2光纤接头TOSLINK
上图便是光纤接头。TOSLINK全名ToshibaLink。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OPTICAL
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SPDIF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mini-Toslink。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。但是,时基误差是影响
音质的重要因素,所以衡量数字音响设备传输接口性能的好坏,应以引起时基误差的
大小为标准。由于光纤连接的信号要经过发射器和接收器的两次转换,会产生严重影
响音质的时基抖动误差(Jitter),因此这类光纤接口音质虽然较为透明,但数码味较
浓,缺乏生气,显得缺乏韵味。
在市面较为常见的光纤发送器和接收器中日本品牌居多,常见的有TOSHIBA、
SONY和SHARP等、它们相互间电气性能是一致的,可以通过光纤线互相连接。如果
你的CD播放器或DVD机提供SPDIF的同轴数字输出,而你的MD只有光纤输入,那
你就需要一个数码接头转换器DFT(DigitalFormatTranslator,这是由CoreSound公司
开发的,另外Audio-Technica也有出类似的产品),通过这种转换器,你可将同轴
SPDIF输出转成光纤(TOSLINK)。
4.1.3平衡数字接头
大三芯插头XLR3插座
上图是常见的两类平衡接头TRS接头和XLR3接头,也可以用于数字传输,这和
RCA接头类似。不过这样的用法也只有在专业领域比较常见,普通家用或PC声卡上
比较少见。
4.2I2S接口
上图是R&S?UPV音频分析仪后面板的I2S接口,为25针D-sub接头。I2S
(Inter-ICSoundBus)是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一
种总线标准。在飞利浦公司的I2S标准中,既规定了硬件接口规范,也规定了数字音
频数据的格式。该总线专责于音频设备之间的数据传输,广泛应用于各种多媒体系
统。它采用了沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计,通过将数据和时钟信号分
离,避免了因时差诱发的失真,为用户节省了购买抵抗音频抖动的专业设备的费用。
具体细节,读者可自行查阅相关资料。
4.3通用串行接口(Universalserialinterface)
虽然目前大量的数字音频应用使用双通道的进行数据传输,但是发展的趋势却
是:数字音频的格式朝着多通道(通道数大于二)的方向发展,与此同时,许多新的
数据格式正在不断涌现出来。为了适应这样的应用,R&S公司的通用串行接口选件
(R&S?UPV-B42option)应运而生。R&S?UPV音频分析仪的后面板有两个扩展插
槽,它可以被安装在其中任意一个插槽之中。
R&S公司开发的通用串行接口选件(R&S?UPV-B42option),是一个通用的数字音
频接口。利用这个接口,可以连接任意的常见音频芯片或电路。如下图所示。
UPV通过通用串行接口和音频电路相连
接口所定义的接头为26针,接口有四个信号线,在时分多路传输模式下,这四个
信号线最多容纳256个音频数据包/每帧。它支持的音频比特深度(audiobitdepht)最
多可以达到32bit,对数据进行处理的采样率从1kHz到400kHz。另外,支持所有常见
的逻辑电平。接口详情请查阅R&S公司的相关资料。
4.4R&S?UPV音频分析仪的音频接口
最后,用一张图片和一个表格,来简单明了的总结一下R&S公司的音频信号分析
R&S?UPV的音频接口。
下图概括了UPV的模拟和数字音频接口,以及R&S?UPV如何通过接口与被测
设备或者芯片进行连接。
下表概括了针对模拟音频和数字音频,R&S?UPV所对应的接口、接头,以及相
应的选件:
Analog/DigitalInterfaceandConnectorOption
XLR3male×2,XLR3female×2无需选件支持
Analogaudio
Eight-channelanaloginputsR&S?UPV-B48option
BNC,TOSLINK,XLR3male/femaleR&S?UPV-B2option
I2Sinterface,25-contactD-SubmaleR&S?UPV-B41option
Digitalaudio
Universalserialinterface,probewith
femaleconnectorstrips
R&S?UPV-B42option
5.结语
本文介绍了常见的模拟音频接口和数字音频接口,由于鄙人水平有限,只好在搜
集的资料基础上,进行整理、修改、增补。时间仓促,草草成文,错漏之处,还请各
位同事批评指正,以期共同进步!另外,本文大量引用了网络上的公开资料,鄙人在
整理资料的过程中,也有不少收获。所谓饮水思源,在获益于此文的同时,也衷心的
感谢资料的提供者!谢谢他们辛勤的劳动!
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