输入和输出

　　一切讨论都离不开输入和输出（I/O）。音频信号怎么从一处接往另一个处？随着专业音频的不断发展，大量实用的数字接口应运而生，人们使用数字接口以弥补尚未淘汰的模拟I/O单元的不足。刚开始，你可能无法恰到好处地选择模拟和数字接口，但如果你仔细研究，它们各自的优劣就自然显现出来了。

　　在本文的概述部分，PatBrown将从模拟接口开始讲解，毕竟大多数读者对此更熟悉——然后他会抛砖引玉，参照模拟来讨论数字格式。本文只围绕专业接口展开话题。专业I/O和家用I/O存在许多共同之处，只是专业I/O更能抵抗电磁干扰（EMI），也能连接更长的电缆，而这种区别，正是建立大型音响系统的必要条件。

　　图1：模拟接口是点对点的，对电缆类型、接头类型和电缆没有明确限定。

　　专业模拟接口是输出和输入之间点对点的连接（图1）。它是电子平衡式接口，因此具有极强抗电磁干扰能力。电缆采用屏蔽双绞线设计。专业模拟接口的阻抗并不匹配，它用低阻抗的输出（通常《200Ω）来驱动高阻抗的输入（通常》2000Ω）。这种阻抗不匹配的形式简化了接口，因而实际应用中通常不考虑具体的阻抗值。

　　例：100Ω输出能为任何高阻抗的输入（10kΩ，20kΩ，30kΩ，等等）提供同等的信号电平。“输出”连接到“输入”，不考虑其它——就这么简单。通常，可被动分离一路模拟输出以驱动多路输入，但不可合成多路输出以驱动一路输入。

　　模拟信号的电压会随着时间发生变化，电平范围宽达100dB以上。可依据电压大小对信号进行分类（例如，话筒电平，线路电平，扬声器电平）。而且信号是单向流动的——只能从输出流至输入。电缆电容决定电缆长度，在某些应用场景，电缆长度可达300m。

　　不同模拟接头的电触头数量不同。可忽略电缆和接头的阻抗，因为模拟音频信号的电磁频谱频率较低（图2）。

　　图2：模拟音频（有时又称为基带音频）的频谱含量低于100kHz。相对于整个电磁波谱而言，这是“低”频。

　　优点：

　　简单而成熟。

　　容易排查问题。

　　可靠性极强。

　　不需要匹配输出和输入的阻抗。

　　信号通过设备或电缆进行瞬时传输，无须考虑延迟或“延时”。

　　不足：

　　电缆的电性能会造成信号损耗。

　　多种音频连接，加上电子“接地”，可能产生接地回路，导致电流的嗡嗡声。

　　多对线沉重且成本高昂。

　　数字I/O——行业特定的音频格式

　　专业音频行业有几种标准化的点对点式数字音频格式。设计这些格式的目的在于，让用户免于处理深层的连接工作和复杂的数据。最常见的标准包括AES3（美国标准）和AES-EBU（欧洲标准），在文中统称为AESx。二者的内容大体相同，只有细微的差别。

　　图3：数字音频接口比模拟接口具有更多明确规定。包括（近似的）阻抗匹配和较少的接头选项。

　　和模拟相似，AESx是输出和输入之间的单向连接。AESx允许使用平衡式模拟电缆和接头，大多采用带XLR公头输出驱动和XLR母头输入的屏蔽双绞线。电缆较短时（《30m），同一根电缆也可用于平衡式模拟接口。

　　专为数字I/O而设计的低电容电缆可以延长到100m。因为场地规格不同，布线的长度也会有差异。还有其它的电缆选项，如同轴线（AES3id——其实就是一种视频接口）以及类电缆（如超5类电缆）。

　　AESx标准也适用于使用小体积DB25接头的多对线（多达16个通道）。具体采用哪种电缆取决于不同产品，并且相互转换时会相应使用不同的方法。制造商会根据产品的目标市场决定具体规格。

　　模拟和AESx的区别：AESx连接通过一根双绞线传输两个音频通道。XLR接头没什么特别之处，某些产品还允许用户通过同样的输入或输出接头选择使用模拟或数字连接，以节省机身空间（图4）。AESx高度兼容模拟I/O电缆和接头，这是它的主要优点之一。

　　图4：四进AESx处理器的输入接头。注意，一个路模拟连接需要一个XLR，但是四个AESx通道只需要两个XLR（每个接头连接两个通道）。可通过开关切换选择模拟和AES。

　　数字音频质量

　　模拟信号数字化的目标是无损编码。要实现这个目标，采样率必须为模拟信号带宽的2倍以上，动态范围必须接近100dB。所以，数据的主要属性是位深和采样率。多数设备都默认设置“24/48”，意思是位深为24比特，采样率为48kHz。还有更高的采样率，并且某些应用场景也会使用更高的采样率。

　　采样率、位深、通道数量的乘积即为“数据传输速率”。这样，通过简单的计算得到一个数字，就能直观地说明数字音频的分辨率。

　　图五计算的是全频音频的一个通道的最小传输速率。一般而言，数字音频的优势在于，可通过有损或无损压缩来降低数据传输速率。但是，我们通常不会出于降低数据传输速率的目的对AESx信号进行压缩。因为当前技术水平较高，满足全分辨率的最低要求并非难事。

　　图5：采样率和位深可以用数位流的数据传输速率表示。数位流相当于组成数字信号的“0”和“1”的传输带。AESx数字音频包括两个通道，数据传输速率约为6Mbps。

　　位流包括音频采样（或有效载荷）和元数据，元数据携带了解码所需要的信号信息。输出和输入电路都必须遵循这个“协议”，否则无法传输音频。

　　由于数据传输速率接近10MHz（1.5MHz基波加上奇次谐波），所以必须匹配接口的阻抗（110Ω），才能防止电缆中的信号在传输过程中受反射和驻波的影响而衰减。AESx和阻抗匹配的拓扑相似，是一对一的连接，即一个输出驱动一个输入。

　　多通道版本包括AES10（MADI）和AES50（HRMAI）。虽然都是基于AESx标准，但是时钟细节截然不同。人们很喜欢用这些多通道接口连接数字调音台和各自的舞台接口箱。

　　与时间相关

　　若要保持多个单元的数字信号同步，离不开时钟信号。AESx数据流内嵌了时钟信号，所以简单的系统无需额外连接专用的字时钟。对于较复杂的系统，AESx单元通常提供字时钟I/O。

　　相对于输入，数字设备的输出总是存在延迟的。延时是不可避免的问题。延迟会在系统中累积，所以设计师必须考虑“延迟估算”，以免造成严重的延迟问题。

　　优点：

　　I/O和模拟类似。

　　一根电缆支持两条通道。

　　抗电磁干扰能力强，避免接地回路问题。

　　相对于模拟I/O，具有24/48的无损分辨率。

　　不足：

　　潜在的时钟问题。

　　问题排查较困难，需要特别的指导。

　　由于信号为高频，要求输入、输出的阻抗相匹配。

　　输出总是存在延时——唯一的变量是“延时为多少”？