计算机与音频设备的接口及标准

yuhongxiao · 发表于 2009-10-28 10:22

亲，只有注册或登录才能下载更有用的哦

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？注册

×

随着数字技术的不断发展以及计算机应用技术的日益普及，数字音频工作站(DigitalAudioWorkstation,DAW)在音频制作领域发挥的作用越来越大，计算机与其它音响设备的连接已成为一个急待规范的问题。

目前国内常用的数字音频工作站，其声卡一般都设有模拟音频信号输入/输出接口，它是由A/D、D/A转换器连接的。由于模拟声音接口直接决定着数字音频工作站的电声性能，在DAW的许多产品中都采用了指标很高的64倍或128倍过采样A/D转换器，以及8倍或16倍过采样18b量化D/A转换器。这样不仅提高了系统的电声指标，也大大简化了电路，使得反混叠(aliasing)等模拟技术大大简化，而且使得专业级的接口电路能够批量生产。

此外，音频工作站最重要的是还设有AES/EBU以及SPDIF等数字接口，用来进行数字音频信号的输入和输出。另外，一些高档产品还为使用者提供了YAMAHA.PD等其它更多格式的专用接口，这些都是采用ASIC技术开发的；更有甚者，有的厂商甚至在一块芯片上集成了8种协议格式的接口。另外，数字音频工作站通常还设有MIDI接口、SMPTE时间码接口等。在系统同步方面，几乎所有的产品都有SMPTE时间码发生以及读出电路。最安全的还有VITC、LTC、YV帧等多种时码链锁，这些都是相当成熟的技术。

下面，我们就简单讨论一下这些接口格式。

一接口分类

计算机与音响设备的接口类型多种多样，但究根寻源，按照其所传输信号的种类划分，无外乎两大类：音频信号接口与同步信号接口。

1.音频信号接口

(1)按传输信号的类型可分为模拟接口与数字接口。

(a)模拟接口

模拟接口在音频领域中占有很大的比重。常见的模拟输入、输出接口如：大/小三芯插头、RCA唱机型(莲花型)插头、XLR卡侬式插头等，因为这类接口我们平常用得比较多，也较为熟悉，在此就不再多说。

(b)数字接口

专业的数字音频系统和某些民用系统均有符合某种标准协议的数字接口，利用它可以将多个通道的数字音频数据在两个设备间传送，而不会产生音质的损失。只要误码能够被完全纠正，那么不论进行多少代数字复制，都不会影响最后一代的声音质量，从而就可以进行真正的数字域无损复制。

(2)按接线方法可分为平衡类接口与不平衡类接口。

(a)平衡类接口

专业音响和广播设备中大部分都具有平衡的输入/输出电路接口。输入和输出端一般为XLR卡侬式插座，插座上有三个端子：+、－、地。其+(－)的意义是指输出信号与输入端的+信号同相(或反相)。平衡式接法的输入/输出设备抗噪声能力较强，因为串进电缆或设备内的噪声一般同时出现在正负输入端，对地电压大小相等而相位相同，也就是我们通常所说的共模噪声。但是接在后面的平衡输入电路仅传输正负两端信号的差，能够抑制共模噪声。

(b)不平衡类接口

该接口常用于民用的音频设备，其输入/输出端对机架为热端，接头一般为RCA唱机型接头。不平衡接法的抗噪声能力较弱，此连接方式一般用于1m左右的短线连接且噪声较小的环境，或低阻高输出信号的连接，如功放与扬声器之间。

2.同步信号接口

与模拟音频信号不同，数字音频信号有严格的时间结构。因为一个采样信号要同其它采样进一步构成有一定时间长度的帧和块。如果数字音频设备打算彼此间进行通信，或者数字信号要以某种方式进行组合，那么它们就需与共用的参考信号取得同步，以使设备的采样频率完全一致，并且不会产生彼此间采样频率的漂移。因此，为专业应用设计的数字音频工作站常常提供多种同步输入接口。在同步的起始点，记录和重放要锁定到SMPTE/EBU或MIDI时间码(MTC)源上，或者锁定到外部的采样率时钟、视频同步或数字音频同步标准上。在内同步方式中，系统锁定在其自身的晶体振荡器上，如果它符合AES的应用场合(AES-1984)，那么在专业的设备中应该有±10ppm的精确度(民用设备的精确度要比此低得多)。在外同步方式中，系统锁定到它的某一个同步输入上。典型的同步输入是字时钟(WCLK)，它通常是采样的方波TTL的电平信号(0~5V)，一般采用BNC型接口端子，并且在设备上普遍使用Sony接口(SDIF)。在所有情况中，某一个机器或源必须被确认为"主机"(master)，由它作为整个系统的同步参考，而其它机器为"从机"(slave)。

二数字接口类型

在数字音频设备之间传输信号的方法有两大类。

(1)用电缆传输电信号；

(2)用光缆将"0"、"1"信号以光的灭、亮形式来传输。

现有的电缆传输数字接口的种类很多，详见表1。这些数字接口都能传送至少16b分辨率的数字信号，并且能够工作于44.1kHz和48kHz的标准采样频率之下；如果必要的话，还能工作在32kHz，并带有一定的容限范围，以便进行变速操作。大多数标准只是针对某个或双通道的，但其中也有多通道的接口，这就是所谓的多通道数字接口(MultichannelAudioInterface,MADI)。

1.AES/EBU接口(AES3-1992)

对于AES/EBU接口，在AES3-1992、IEC958(类型1)、CCIRRec647和EBUTech3250E中所述基本上是一致的，它可以通过一个平衡接口来串行传送两通道的数字声频信号(A和B)。它采用平衡的驱动器和接收器，与用于RS422数字传输的标准类似，其输出电平为2~7V，如图2所示。这种接口允许的两通道声频信号转送的距离可以达到100m，更长的距离则需要采用相应的线缆、均衡和端口。一般使用标准的XLR-3接口，并标有DI(数字输入)和DO(数字输出)。

每个音频采样包含在"子帧"中(如图3所示)，而每个子帧以三种同步型中的一种来开始。这样，便标志出采样是A通道还是B通道的，亦标志出新通道状态块的开始(如图4所示)。另外的附加数据也包含在子帧中，它是一个4b的辅助数据，此外在每个子帧中还有一个有效比特(V)、一个用户比特(U)、一个通道状态比特(C)和一个奇偶校验比特(P)，它们共同组成了一个32b的子帧和一个64b的帧。一帧(包含了两个声音采样)的数据在一个音频采样周期内被传送出去，所以数据率是随采样率变化的。C在接收器上被组合在一起，每192b构成一个24B字，这个字中的每个比特均与接口工作的特定功能相关联。

双相位标志通道编码与通道编码相同，用于SMPTE/EBU时间码的编码。这种编码方式为了保证数据能够自锁定，带宽有限、无直流成分和无极性相关性。如图5示，接口必须能够适应各种线材和所推荐的标称110W的特性阻抗。最初(AES3-1985)有多达4台具有标称输入阻抗为250W的接收器，能够通过一根专业接口电缆连接起来，但最近对推荐标准进行了修订，对于每个发送器只有一个单独接收器的用法，其接收器的标准输入阻抗为100W。

2.标准型民用接口(IEC958，类型2)

民用型接口(其历史与SPDIF-Sony/Philips数字接口有关)与专业的AES/EBU接口非常相似，它采用特性阻抗为75W的同轴电缆来进行不平衡的电气连接，如图6所示。这种接口常用于准专业级或民用级数字音频设备的技术规格中，比如CD放音机和DAT机。通常其端口采用的是RCA型唱机接口。实用中通常使用格式转换器来将民用格式的信号转换为专业格式的信号，或反过来进行，并且可以在电气和光格式间进行转换。

民用接口的子帧数据格式与专业接口所用的完全一样，但是通道状态的实现却几乎完全不同。民用接口通道状态的第二个字节已经留给了"种类码"的指示，它们是被设定成表示民用应用的种类的。目前，所定义的种类码有：一般种类(00000000)、CD类(10000000)和DAT类(11000000)。一旦种类码确定下来，接收器便可以根据种类码的情况以不同方式对通道状态的某些比特进行译码处理。例如，在使用CD时，来自CD的"Q"通道子码的4个控制比特被输入到通道状态块的头4个控制比特中。在民用接口设备中，它按照串行复制管理系统(SerialCopyManagementSystem,SCMS)的规定也被用来进行复制保护。

民用接口的用户比特常常被用来传送由记录的子码产生的信息，比如轨号和提示点数据。

3.专用接口

最常见的是Sony和Philips的SPDIF-2，它用每根电缆来传送最高为20b分辨率的一个通道的数字音频信息(尽管大多数的设备仅采用16b)。在大多数双通道设备中，接口是不平衡式的，并采用75W同轴电缆75WBNC型接口端子，每个通道一个。电平为TTL兼容电平(0~5V)。与音频通道接口端子相匹配的还有一个用来传送字时钟信号的接口端子--字时钟是采样频率的方波信号，它用来同步接收器的采样时钟。也有符合RS422标准的多通道电气接口，这种接口采用D型多通路端子，仍要单独用一个BNC接口端子来传送字时钟。

SPDIF-2接口主要用于由Sony专业数字音频设备向外传送音频数据，尤其是在PCM-1610和1630CD母板PCM转换器上。有时这种接口也出现在与Sony设备连接的其它专业音频设备上。

如今，其它厂家的专用接口也已大量出现--尤其是在那些低成本的数字音频设备上，这其中有YAMAHA和TASCAM。现在可以使用已经商业化的接口转换器将这种设备与使用标准接口的其它设备简单互连起来。

4.标准多通道接口(AES10-1991)

它是以双通道AES/EBU接口为基础而制定的。其设计对AES/EBU数据是透明的，并且已经应用到大规模数字跳线系统和多通道数字设备互连中。MADI采用更高的数据率来传送更大的信息量，它可以通过一条75W的同轴电缆或光纤来串行传送56个通道的音频数据，每个通道的一个采样都能够在一个音频采样周期内传送出去。

不管采样率或通道数目如何，MADI传送数据率固定为125Mb/s，但由于采用了4/5b编码方案，所以实际的传送率为100Mb/s。在这种通道编码方式中，每32b子帧被划分为4b字，然后按照查对表来编码成5b字，这样做的目的是维持码字中的低直流成分。同步符号(1100010001)每帧至少插入一次，假如没有采用连接的全带宽，那么多余的同步信号被插入后便要占去总线的容量。

MADI数据通信格式与双通道不同，由透明异步发送器/接收器接口(TransparentAsynchronousXmitter/ReceiverInterface，TAXI)芯片来承担异步的连接，它可以自动识别插入的同步信号，并且发送器和接收器将被锁定到共同的同步时钟上(以AES/EBU参考信号的形式)。它采用BNC75W接口端子，并且最长的同轴电缆长度不超过50m(用光缆互连，可以传送更远的距离)。调制方法为NRZI(NRZI用高、低电平的瞬态变化来代表2进制的"1"，而无瞬态变化则代表"0")。由于接口的异步性，要在连接的两端使用缓冲器，以便数据能够由时钟来重新调整，并以正确的数据率由缓冲器输出；在接收端，数据在同步信号的控制下锁定。

以上是对计算机与音响设备接口的一些简单论述。当然，接口还有很多种类，如光信号接口等。我们这里只是针对日常工作中常见的接口形式简单讨论。随着数字技术的日益普及，数字接口技术也将更加完善，更加规范。