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音频接口简介
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。
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 TRS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 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2.5mm TRRS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)。
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。
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
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
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
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。
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
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)
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。
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:

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