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音频接口简介 音频接口简介.pdf

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。

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:Male connector、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

2.1 TRS 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& (6.3 mm) ,1/8& (3.5mm), 3/32& (2.5mm),如下图。

从左至右尺寸依次为:2.5mm ,3.5mm, 6.3 mm

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。

2.1.1 1/8  (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。

2.1.2 1/4"(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。

2.2 RCA 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: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。 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。

2.3 XLR 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:cannon plug or cannon  connector)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(Rubber compound),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。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。

4.1 S/PDIF  

S/PDIF(Sony/Philips Digital Interface,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 / Philips Digital InterFace),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 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 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(Digital Format Translator,这是由 Core Sound 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。

4.2 I2S 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-IC Sound Bus)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(Universal serial interface

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-B42 option)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-B42 option),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(audio bit depht)最 多可以达到 32 bit,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。

4.4 R&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:

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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