處：Audio Engineering Society

作者： Stephen H. Lampen & David A. DeSmidt

編譯：易科國(guó)際 金爺爺

摘要

在模擬音頻信號(hào)電纜和數(shù)字音頻信號(hào)電纜之間的一個(gè)主要區(qū)別是線纜的阻抗。

1. 為什么線纜阻抗對(duì)于數(shù)字音頻信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)非常重要，而對(duì)模擬音頻信號(hào)傳輸?shù)闹匾韵鄬?duì)較低？

2. 當(dāng)線纜阻抗發(fā)生變化或阻抗不匹配時(shí)會(huì)對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)傳輸產(chǎn)生什么影響？

3. 能不能使用超五類(lèi)或六類(lèi)電腦線纜傳輸數(shù)字音頻信號(hào)？

4. 能不能使用同軸線纜傳輸數(shù)字音頻信號(hào)？

▲▲▲本文將會(huì)針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行討論，并且會(huì)對(duì)數(shù)字音頻線纜的設(shè)計(jì)限制進(jìn)行描述。

很多固定安裝音頻系統(tǒng)都在進(jìn)行模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字系統(tǒng)的過(guò)程。這個(gè)變化要求音頻行業(yè)的從業(yè)者對(duì)模擬設(shè)備和數(shù)字設(shè)備、模擬信號(hào)電纜和數(shù)字信號(hào)電纜之間的區(qū)別有一個(gè)正確的了解。有一部分人認(rèn)為模擬信號(hào)電纜可以被應(yīng)用于數(shù)字音頻系統(tǒng)，事實(shí)上這種猜測(cè)只在信號(hào)傳輸距離很短的時(shí)候成立。

使用模擬信號(hào)電纜傳輸數(shù)字音頻信號(hào)

圖 1至3中顯示了使用模擬信號(hào)電纜傳輸48kHz采樣率的AES數(shù)字音頻信號(hào)時(shí)的情況。在這些示例當(dāng)中，所有線纜的規(guī)格均為22 AWG。此外，我們可以看到阻抗在模擬音頻信號(hào)傳輸和數(shù)字音頻信號(hào)傳輸當(dāng)中都會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖1--50ft

圖2--100ft

圖3--300ft

我們使用的第一款線纜是Belden 8451，這是一款用于模擬音頻信號(hào)傳輸?shù)木€纜。在頻率較低的部分，線纜的阻抗隨頻率變化而變化；而對(duì)頻率較高的信號(hào)來(lái)說(shuō)，例如AES數(shù)字音頻信號(hào)，8451的阻抗大約是40Ω。

我們使用的另一款線纜是Belden 1696A，這是一款用于數(shù)字音頻信號(hào)傳輸?shù)木€纜，對(duì)于數(shù)字音頻信號(hào)的阻抗是110Ω。這兩款線纜之間的電容率差異則更加明顯，8451為34 pF/ft，而1696A為13 pF/ft。

從示例當(dāng)中我們可以看到，隨著傳輸距離的增加，模擬音頻線纜傳輸數(shù)字比特流的能力嚴(yán)重下降。當(dāng)傳輸距離打到300 ft時(shí)，模擬音頻線纜的信號(hào)質(zhì)量已經(jīng)下降至不可用的程度，甚至數(shù)字音頻線纜也出現(xiàn)了信號(hào)質(zhì)量劣化的現(xiàn)象。

信號(hào)寬帶

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間最主要的差別是信號(hào)的頻率或“帶寬”。一般來(lái)說(shuō)，模擬信號(hào)占用的帶寬為20Hz至20kHz，而數(shù)字信號(hào)的帶寬根據(jù)采樣率決定。

數(shù)字音頻信號(hào)的采樣率可以高達(dá)192kHz。AES格式的數(shù)字音頻信號(hào)帶寬由128倍采樣率決定，或者說(shuō)帶寬占用上限是24.756MHz。由此可見(jiàn)，數(shù)字信號(hào)所需的帶寬遠(yuǎn)高于模擬信號(hào)。下表列出了不同采樣率的AES數(shù)字信號(hào)所需的帶寬。

當(dāng)信號(hào)帶寬達(dá)到25 MHz時(shí)，很多在傳輸模擬信號(hào)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯影響的參數(shù)開(kāi)始變得非常重要了。其中，最重要的一個(gè)參數(shù)是阻抗。實(shí)際上，F(xiàn)igure 1至3當(dāng)中兩種線纜的性能表現(xiàn)差異主要原因在于阻抗不匹配，并由此產(chǎn)生信號(hào)反射，也被稱(chēng)為“回波損耗”。

波長(zhǎng)

音頻信號(hào)在線纜中傳輸?shù)奶匦钥梢杂萌我馓囟l率的波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行特征描述。當(dāng)信號(hào)電纜的長(zhǎng)度超過(guò)音頻信號(hào)1/4波長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)電纜的阻抗就非常重要了。下表列出了多個(gè)模擬和數(shù)字信號(hào)在各頻率的波長(zhǎng)和1/4波長(zhǎng)。

1個(gè)20 kHz的信號(hào)1/4波長(zhǎng)超過(guò)2 miles，通常情況下我們不會(huì)使用這么長(zhǎng)的模擬音頻線纜來(lái)傳輸信號(hào)。而1個(gè)25 MHz的信號(hào)1/4波長(zhǎng)小于10 ft，很多情況下數(shù)字音頻線纜的長(zhǎng)度都會(huì)大于這個(gè)數(shù)值。

我們可以得出的結(jié)論是，阻抗對(duì)于模擬音頻線纜來(lái)說(shuō)并不十分重要，而對(duì)于數(shù)字音頻線纜來(lái)說(shuō)則非常重要。因此，了解數(shù)字音頻信號(hào)傳輸所需的阻抗并與之匹配就非常重要了。

▼▼▼如同圖4中所示，線纜的阻抗對(duì)于模擬音頻信號(hào)來(lái)說(shuō)不是一個(gè)恒定值。從圖中我們可以看到，在低于1 MHz的頻段阻抗開(kāi)始提升。因此，對(duì)低于1 MHz的任何頻率來(lái)說(shuō)，信號(hào)電纜對(duì)于該特定頻率都有一個(gè)相應(yīng)阻抗數(shù)值，但這個(gè)數(shù)值會(huì)隨著頻率的變化而改變。

圖4

理想阻抗

阻抗為150Ω時(shí)，雙絞信號(hào)電纜的信號(hào)損失最小。但阻抗為150Ω的雙絞信號(hào)電纜的物理尺寸會(huì)變得非常大，很難或不可能與大部分信號(hào)連接器配合使用（例如XLR）。110Ω阻抗標(biāo)準(zhǔn)是AES委員會(huì)在權(quán)衡各方面因素之后做出的選擇，依據(jù)這個(gè)阻抗標(biāo)準(zhǔn)制造的信號(hào)電纜盡管會(huì)有輕微的信號(hào)損失，但線纜的物理尺寸更具實(shí)用性。

也就是說(shuō)，信號(hào)電纜、音頻設(shè)備的輸入端和輸出端都需要與110Ω這個(gè)阻抗標(biāo)準(zhǔn)匹配。如果使用了錯(cuò)誤的信號(hào)電纜，那么阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致“回波損耗”，出現(xiàn)信號(hào)被反射回信號(hào)源輸出端的現(xiàn)象。

在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，即使是微小的阻抗變化也會(huì)降低信號(hào)強(qiáng)度。在使用模擬信號(hào)電纜時(shí)（阻抗通常為30-40Ω），信號(hào)的損耗程度（如圖1、2和3中所示）會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸距離產(chǎn)生嚴(yán)重的限制。

阻抗不匹配和回波損耗

下表列出了不同阻抗情況下的信號(hào)損耗程度。需要注意的是，“回波損耗”表示返回信號(hào)和反射信號(hào)的比值，負(fù)值越大表示線纜傳輸性能越好。

表中列出的信號(hào)傳輸特性同樣適用于音頻設(shè)備的輸入和輸出阻抗。實(shí)際上，110Ω阻抗（±20%）已經(jīng)作為AES標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)在音頻設(shè)備的性能參數(shù)表當(dāng)中，并且也已經(jīng)成為數(shù)字音頻信號(hào)電纜的實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

±20%的容差允許音頻設(shè)備和信號(hào)電纜的實(shí)際阻抗在88Ω和132Ω之間浮動(dòng)。因此，這兩個(gè)數(shù)值也被加入到上面的阻抗匹配列表當(dāng)中。此外，表3中還包括其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)信號(hào)電纜的阻抗數(shù)值，例如100Ω（Cat5/5e/6）、120Ω（RS-485）、95Ω和124Ω（屏蔽雙線饋線）、150Ω（IBM Type 1/Type 2）。由于有些人會(huì)不使用阻抗匹配變壓器或平衡變壓器而直接將75Ω同軸線纜直接連接至110Ω輸出端，因此表中也列出了75Ω阻抗時(shí)的信號(hào)傳輸質(zhì)量。

業(yè)界曾經(jīng)對(duì)是否收緊線纜和音頻設(shè)備的阻抗容差進(jìn)行過(guò)討論。目前的情況是，大多數(shù)高品質(zhì)的數(shù)字音頻線纜的阻抗容差大約是±10%；而其他一些品質(zhì)較低的數(shù)字音頻線纜的阻抗容差即使?jié)M足±20%的標(biāo)準(zhǔn)要求，仍然很難在市場(chǎng)中生存。

網(wǎng)絡(luò)電纜和數(shù)字音頻

有一些線纜具備出色的阻抗容差能力，例如Cat 5、Cat 5e和Cat 6數(shù)據(jù)電纜。這些采用的線纜配對(duì)技術(shù)能夠非常有效的保持信號(hào)電纜的阻抗特性。

在很多數(shù)字音頻系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)電纜也被用于傳輸數(shù)字音頻信號(hào)。盡管它們的設(shè)計(jì)初衷是用于傳輸數(shù)據(jù)，并且通常是非屏蔽雙絞線纜（UTP），這些信號(hào)電纜仍然被經(jīng)常用于傳輸數(shù)字音頻信號(hào)。

使用這些信號(hào)電纜的主要問(wèn)題在于，AES明確要求在傳輸數(shù)字音頻信號(hào)是需要使用屏蔽雙絞電纜。標(biāo)準(zhǔn)的帶屏蔽Cat 5電纜采用單一屏蔽設(shè)計(jì)，這個(gè)架構(gòu)不能滿足AES要求每一對(duì)信號(hào)電纜都必須擁有獨(dú)立屏蔽層的要求。

在AES數(shù)字音頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中并未針對(duì)串?dāng)_這項(xiàng)指標(biāo)提出明確要求，在數(shù)字音頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)是-30 dB，遠(yuǎn)低于模擬音頻信號(hào)傳輸所需的-90 dB。標(biāo)準(zhǔn)的Cat 5電纜在25 MHz頻段的串?dāng)_指標(biāo)高于-40 dB，而Cat 6電纜的串?dāng)_指標(biāo)超過(guò)-50 dB。

AES標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)“共模抑制比”（CMRR）提出的性能指標(biāo)為30 dB。盡管CMRR指標(biāo)通常與硬件設(shè)備相關(guān)，但信號(hào)電纜也是硬件設(shè)備中的一個(gè)組成部分。任何Cat電纜都能夠輕松滿足30 dB這一指標(biāo)，當(dāng)然所有帶屏蔽的數(shù)字信號(hào)傳輸電纜也能夠滿足這項(xiàng)指標(biāo)要求。

同軸電纜和數(shù)字音頻

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和工程師來(lái)說(shuō)，傳輸數(shù)字音頻信號(hào)的另一個(gè)選擇是同軸電纜。關(guān)于同軸電纜應(yīng)用的性能指標(biāo)包含在AES3-id標(biāo)準(zhǔn)中。

75Ω視頻信號(hào)電纜的阻抗容差性能比任何雙絞信號(hào)電纜都要好，標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)電纜的阻抗容差為±5Ω，高分辨率視頻信號(hào)電纜的阻抗容差為不低于±3Ω。最好的雙絞信號(hào)電纜的阻抗容差為±7Ω，同軸電纜在阻抗容差方面的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

由于具備出色的阻抗容差性能，同軸電纜能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)距離的數(shù)字音頻信號(hào)傳輸。使用75Ω同軸電纜需要系統(tǒng)中的所有設(shè)備都具備同軸輸入和輸出端口，或使用Figure 5所示的雙絞電纜 – 同軸電纜轉(zhuǎn)換器。使用轉(zhuǎn)換器不但會(huì)增加系統(tǒng)造價(jià)，也可能成為影響信號(hào)質(zhì)量和傳輸穩(wěn)定性的因素。

圖5

此外，同軸電纜的尺寸通常比雙絞線電纜大，價(jià)格也較高。但從性能方面來(lái)說(shuō)，同軸電纜的阻抗穩(wěn)定性是最好的。

數(shù)字音頻信號(hào)的分配

“拆分”數(shù)字音頻信號(hào)會(huì)造成明顯的阻抗不匹配，并且會(huì)造成信號(hào)損耗。下表列出了使用無(wú)源分配器時(shí)產(chǎn)生的阻抗不匹配情況。

表中列出的數(shù)據(jù)適用于同軸電纜和雙絞線電纜傳輸。我們需要的是能夠保持阻抗特性不變的信號(hào)分配器。圖6所示為雙絞線AES信號(hào)分配器，圖7所示為同軸電纜AES信號(hào)分配器。

圖6

圖7

結(jié)論

數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師和工程師在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)在信號(hào)電纜方面有多種選擇，信號(hào)電纜的選擇可以參考阻抗和阻抗的穩(wěn)定性進(jìn)行。回波損耗等諸多測(cè)量數(shù)據(jù)可以在設(shè)計(jì)師選擇合適的信號(hào)傳輸電纜時(shí)提供有效的幫助。