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，PatBrown將從模擬接口開始講解，畢竟大多數讀者對此更熟悉——然后他會拋磚引玉，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》2000Ω）。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。

　　例：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100dB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100kHz。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（《30m），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100m。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48kHz。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6Mbps。

　　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10MHz（1.5MHz基波加上奇次諧波），所以必須匹配接口的阻抗（110Ω），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”？