汤姆大叔
发表于 2018-7-21 21:23:12
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模拟、数字音频、平衡与非平衡接口
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; Z8 k) v1 N: ]) G3 J) T0 L) U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。
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; L L$ K0 ~9 o% y+ J本文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。5 c, K2 _- C4 A) }# D
9 ? W* c6 G; F+ f7 s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。
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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:Male connector、plug)和插座(英文:Femaleconnector、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。
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接下来,按照技术发展的历史,首先来介绍模拟音频接口。
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模拟音频接口
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* P M# j x# X3 i1、TRS 接头$ w" G" ?% d4 ?
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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& (6.3 mm) ,1/8& (3.5mm), 3/32& (2.5mm),如下图。
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9 z% g6 I" S! u% k从左至右尺寸依次为:2.5mm,3.5mm, 6.3 mm
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* ~$ Z5 K% x4 R2.5mm 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。
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接下来,为大家分别介绍3.5mm 和6.3mm 两种规格的TRS 接头。
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; N9 L( V' h, \) K, _1/8 (3.5mm)TRS 接头(俗称:小三芯)
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3.5mm 立体声插头与插孔, Y2 o- v! ~2 H- w* `
- h( e1 d7 G( y# q+ @1 p3.5mmTRS 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。
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3.5mm 立体声接口母头4 \9 L2 C( B, v# q0 V# n Q
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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。
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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。6 e: h% T! d/ F0 B& ~
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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。
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1/4"(6.3mm) TRS 接头(俗称:大三芯)
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) [; Z/ W$ F) {. D. O% j关于大三芯插头的定义,如下图:) ~) I1 [8 i4 \; E9 X+ c- x
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( N+ X$ B6 w8 N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)。
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) N% d% H5 o- kRCA 接头转6.3mmTRS 插头, P5 `# E) @4 m, w5 u
; I' f$ B3 |: I) [0 k. E" B1/4" 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。1 V$ D; A/ q+ I, a; \" }% [( `
% ~" K' f% ?2 H7 Q0 x" P& q& n2、RCA 模拟音频接头: f4 Q% A% M, B( E% l
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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:Radio Corporation of America, 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。9 v& }! H% {; _5 N; k" D1 J
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下图即为RCA 插头转3.5mmTRS 插头。
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' _$ M$ g; Z4 |& D; p" e3 DRCA 转3.5mm 接头' @; K7 R( m3 {5 o; ^) s
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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。
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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。
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3、XLR 接头' [0 f0 x" f2 Z7 c' O4 `
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XLR3 接头; ]" O' j9 F8 @6 E- ?8 k
6 M" L0 d1 y8 d! z* {* SXLR 接头,又被称做卡侬头,之所以被称做卡侬头(英文:cannon plug or cannonconnector)是因为James H. Cannon 先生(Cannon Electric 的创立者,现在该公司已经被并入ITT Corporation)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(插销的英文: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(Rubbercompound),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,如上图所示,是3 脚的卡侬头,即:XLR3。! h! }' E. n, o7 j( r, q
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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。
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9 v! r' R2 p( H6 \6 \* d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。& v7 B! L4 [9 B/ A: f
4 _# P0 G6 Q+ B5 Q$ _( y4 d4 x7 H* r9 C3 W+ B! Q/ k9 o; }
- H: w2 A9 Y, R+ B- k& i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。& t2 E9 k) ]. ~
* y5 v+ [. Y# ?8 A3 ]3 p5 k/ X平衡信号和非平衡信号* x7 R3 q: g& U, D
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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。
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5 X! {0 g+ S' U2 d1 S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。" F; t! l( m+ H* l9 Z
$ W# u$ _% O i4 @, k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。; h6 `' g0 c3 @
' _- T; {0 B2 R1 V& y' c- g5 x/ @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。: J. g3 \" |% S' v' o3 N/ \
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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。
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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。
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