出處：Audio Engineering Society
作者： Stephen H. Lampen & David A. DeSmidt
編譯：易科國際 金爺爺
摘要
在模擬音頻信號電纜和數(shù)字音頻信號電纜之間的一個主要區(qū)別是線纜的阻抗。
1. 為什么線纜阻抗對于數(shù)字音頻信號傳輸來說非常重要，而對模擬音頻信號傳輸?shù)闹匾韵鄬^低？
2. 當(dāng)線纜阻抗發(fā)生變化或阻抗不匹配時會對數(shù)字音頻信號傳輸產(chǎn)生什么影響？
3. 能不能使用超五類或六類電腦線纜傳輸數(shù)字音頻信號？
4.能不能使用同軸線纜傳輸數(shù)字音頻信號？
▲▲▲本文將會針對這些問題進行討論，并且會對數(shù)字音頻線纜的設(shè)計限制進行描述。
很多固定安裝音頻系統(tǒng)都在進行模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字系統(tǒng)的過程。這個變化要求音頻行業(yè)的從業(yè)者對模擬設(shè)備和數(shù)字設(shè)備、模擬信號電纜和數(shù)字信號電纜之間的區(qū)別有一個正確的了解。有一部分人認(rèn)為模擬信號電纜可以被應(yīng)用于數(shù)字音頻系統(tǒng)，事實上這種猜測只在信號傳輸距離很短的時候成立。
使用模擬信號電纜傳輸數(shù)字音頻信號
圖 1至3中顯示了使用模擬信號電纜傳輸48kHz采樣率的AES數(shù)字音頻信號時的情況。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傳輸和數(shù)字音頻信號傳輸當(dāng)中都會對信號傳輸質(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；而對頻率較高的信號來說，例如AES數(shù)字音頻信號，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)字音頻信號傳輸?shù)木€纜，對于數(shù)字音頻信號的阻抗是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，模擬音頻線纜的信號質(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)了信號質(zhì)量劣化的現(xiàn)象。
信號寬帶
模擬信號和數(shù)字信號之間最主要的差別是信號的頻率或“帶寬”。一般來說，模擬信號占用的帶寬為20Hz至20kHz，而數(shù)字信號的帶寬根據(jù)采樣率決定。
數(shù)字音頻信號的采樣率可以高達192kHz。AES格式的數(shù)字音頻信號帶寬由128倍采樣率決定，或者說帶寬占用上限是24.756MHz。由此可見，數(shù)字信號所需的帶寬遠高于模擬信號。下表列出了不同采樣率的AES數(shù)字信號所需的帶寬。
| 采樣率 | 帶寬 |
| 32 kHz | 4.096 MHz |
| 38 kHz | 4.864 MHz |
| 44.1 kHz | 5.6448 MHz |
| 48 kHz | 6.144 MHz |
| 96 kHz | 12.288 MHz |
| 192 kHz | 24.576 MHz |
當(dāng)信號帶寬達到25 MHz時，很多在傳輸模擬信號時不會產(chǎn)生明顯影響的參數(shù)開始變得非常重要了。其中，最重要的一個參數(shù)是阻抗。實際上，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)生信號反射，也被稱為“回波損耗”。
波長
音頻信號在線纜中傳輸?shù)奶匦钥梢杂萌我馓囟l率的波長來進行特征描述。當(dāng)信號電纜的長度超過音頻信號1/4波長時，信號電纜的阻抗就非常重要了。下表列出了多個模擬和數(shù)字信號在各頻率的波長和1/4波長。
| 頻率 | 波長 | 1/4波長 |
| 20 Hz | 9,320 miles | 2,330 miles |
| 1000 Hz | 186.3 miles | 46.58 miles |
| 10 kHz | 18.64 miles | 4.66 miles |
| 20 kHz | 9.32 miles | 2.33 miles |
| 50 kHz | 3.73 miles | 4920 ft |
| 100 kHz | 9840 ft | 2460 ft |
| 500 kHz | 1968 ft | 492 ft |
| 1 MHz | 984 ft | 246 ft |
| 4 MHz | 246 ft | 61.5 ft |
| 5 MHz | 196.8 ft | 49.2 ft |
| 6 MHz | 164 ft | 41 ft |
| 12 MHz | 82 ft | 21 ft |
| 25 MHz | 39 ft | 9.84 ft |
1個20 kHz的信號1/4波長超過2 miles，通常情況下我們不會使用這么長的模擬音頻線纜來傳輸信號。而1個25 MHz的信號1/4波長小于10 ft，很多情況下數(shù)字音頻線纜的長度都會大于這個數(shù)值。
我們可以得出的結(jié)論是，阻抗對于模擬音頻線纜來說并不十分重要，而對于數(shù)字音頻線纜來說則非常重要。因此，了解數(shù)字音頻信號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，線纜的阻抗對于模擬音頻信號來說不是一個恒定值。從圖中我們可以看到，在低于1 MHz的頻段阻抗開始提升。因此，對低于1 MHz的任何頻率來說，信號電纜對于該特定頻率都有一個相應(yīng)阻抗數(shù)值，但這個數(shù)值會隨著頻率的變化而改變。
圖4
理想阻抗
阻抗為150Ω時，雙絞信號電纜的信號損失最小。但阻抗為150Ω的雙絞信號電纜的物理尺寸會變得非常大，很難或不可能與大部分信號連接器配合使用（例如XLR）。110Ω阻抗標(biāo)準(zhǔn)是AES委員會在權(quán)衡各方面因素之后做出的選擇，依據(jù)這個阻抗標(biāo)準(zhǔn)制造的信號電纜盡管會有輕微的信號損失，但線纜的物理尺寸更具實用性。
也就是說，信號電纜、音頻設(shè)備的輸入端和輸出端都需要與110Ω這個阻抗標(biāo)準(zhǔn)匹配。如果使用了錯誤的信號電纜，那么阻抗不匹配會導(dǎo)致“回波損耗”，出現(xiàn)信號被反射回信號源輸出端的現(xiàn)象。
在長距離傳輸時，即使是微小的阻抗變化也會降低信號強度。在使用模擬信號電纜時（阻抗通常為30-40Ω），信號的損耗程度（如圖1、2和3中所示）會對信號傳輸距離產(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損耗程度。需要注意的是，“回波損耗”表示返回信號和反射信號的比值，負(fù)值越大表示線纜傳輸性能越好。
| 線纜阻抗 | 回波損耗 | 信號質(zhì)量 |
| 30Ω | -5 dB | 68% |
| 40Ω | -7 dB | 80% |
| 50Ω | -9 dB | 87% |
| 70Ω | -13 dB | 95% |
| 75Ω | -15 dB | 97% |
| 88Ω | -19 dB | 99% |
| 95Ω | -23 dB | 99.5% |
| 100Ω | -26 dB | 99.8% |
| 120Ω | -26 dB | 99.8% |
| 124Ω | -25 dB | 99.7% |
| 132Ω | -19 dB | 99% |
| 150Ω | -16 dB | 97.5% |
表中列出的信號傳輸特性同樣適用于音頻設(shè)備的輸入和輸出阻抗。實際上，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)字音頻信號電纜的實際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。
±20%的容差允許音頻設(shè)備和信號電纜的實際阻抗在88Ω和132Ω之間浮動。因此，這兩個數(shù)值也被加入到上面的阻抗匹配列表當(dāng)中。此外，表3中還包括其他類型的數(shù)據(jù)信號電纜的阻抗數(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阻抗時的信號傳輸質(zhì)量。
業(yè)界曾經(jīng)對是否收緊線纜和音頻設(shè)備的阻抗容差進行過討論。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技術(shù)能夠非常有效的保持信號電纜的阻抗特性。
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。盡管它們的設(shè)計初衷是用于傳輸數(shù)據(jù)，并且通常是非屏蔽雙絞線纜（UTP），這些信號電纜仍然被經(jīng)常用于傳輸數(shù)字音頻信號。
使用這些信號電纜的主要問題在于，AES明確要求在傳輸數(shù)字音頻信號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，這個架構(gòu)不能滿足AES要求每一對信號電纜都必須擁有獨立屏蔽層的要求。
在AES數(shù)字音頻信號標(biāo)準(zhǔn)中并未針對串?dāng)_這項指標(biāo)提出明確要求，在數(shù)字音頻信號傳輸系統(tǒng)中的實際標(biāo)準(zhǔn)是-30 dB，遠低于模擬音頻信號傳輸所需的-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-50 dB。
AES標(biāo)準(zhǔn)中對“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)，但信號電纜也是硬件設(shè)備中的一個組成部分。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)字信號傳輸電纜也能夠滿足這項指標(biāo)要求。
同軸電纜和數(shù)字音頻
對系統(tǒng)設(shè)計師和工程師來說，傳輸數(shù)字音頻信號的另一個選擇是同軸電纜。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視頻信號電纜的阻抗容差性能比任何雙絞信號電纜都要好，標(biāo)準(zhǔn)視頻信號電纜的阻抗容差為±5Ω，高分辨率視頻信號電纜的阻抗容差為不低于±3Ω。最好的雙絞信號電纜的阻抗容差為±7Ω，同軸電纜在阻抗容差方面的優(yōu)勢非常明顯。
由于具備出色的阻抗容差性能，同軸電纜能夠?qū)崿F(xiàn)更遠距離的數(shù)字音頻信號傳輸。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)換器不但會增加系統(tǒng)造價，也可能成為影響信號質(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，價格也較高。但從性能方面來說，同軸電纜的阻抗穩(wěn)定性是最好的。
數(shù)字音頻信號的分配
“拆分”數(shù)字音頻信號會造成明顯的阻抗不匹配，并且會造成信號損耗。下表列出了使用無源分配器時產(chǎn)生的阻抗不匹配情況。
| 2-Output | 3-Output | 4-Output |
| -9.5 dB | -6 dB | -44 dB |
| 90% match | 75% match | 65% match |
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分配器。圖6所示為雙絞線AES信號分配器，圖7所示為同軸電纜AES信號分配器。
圖6
圖7
結(jié)論
數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計師和工程師在構(gòu)建系統(tǒng)時在信號電纜方面有多種選擇，信號電纜的選擇可以參考阻抗和阻抗的穩(wěn)定性進行?；夭〒p耗等諸多測量數(shù)據(jù)可以在設(shè)計師選擇合適的信號傳輸電纜時提供有效的幫助。
