浅谈数字话筒（1）

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随着音频数字技术的发展，整个音频系统从调音台、效果器到录音机等，几乎所有设备都数字化了，但是整个系统的最前端的话筒和最后端的扬声器，却始终没能搭上数字化的快车。近些年来，许多话筒厂商都在研究话筒的数字化，也取得了一些进展。以下笔者就目前最先进的数字话筒理论和实践状况作一些研究和探讨。

　1、数字话筒的历史

　第一个数字话筒是在20世纪80年代末出现的一个叫Ariel的数字话筒，它使用一个常规话筒头和一个16 bit的A/D转换，提供CD品质。它设计成专门配合Next计算机（苹果共同开办人Steve Jobs的公司1988年制造）使用。但这个数字话筒和Next计算机一样没有获得商业上的成功。

　1995年末，Beyerdynamic开始研究数字演播室话筒。开始话筒头使用心形的MC834，20 bit的模数转换（用CrystalCS5390芯片），一个7针XLR接口提供双5V电源，字时钟同步信号，输出标准的AES3音频数据流。模／数转换器的动态范围比该话筒头的动态范围还要窄。

　1996年初，第一个样品MCD100完成了（见图1），在这个话筒上使用了StageTec的“真实匹配技术(true match)，’，它的动态范围提高到115 dB(A计权，RMS)，但是还远远没有达到话筒头的极限，非常大的声压会使它的模／数转换器过载。因此他们加上一个通过调整幻象供电方式控制的预衰减器。它使用非标准的接口提供6～12V的幻象供电(150 mA)，字时钟同步，输出AES音频数据流。这个话筒和其他设备的连接采用了非标准化接口，Beyerdynamic开发了各种各样的带有AES3输出和遥控衰减器的供电部件，见图1。

& P2 q, ]; O7 T图1 BeyerdynamicMCDl00和电源(MCD50，MCD100和MCD200)
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) C3 `" k+ W! f# u* s- z　虽然这种数字电容话筒的动态范围不能完全满足要求，MCD100作为第一个市场上出现的数字演播室话筒，仍然唤醒了大家对数字话筒及其国际标准接口的兴趣。尽管它在商业上获得了成功，它的生产商还是决定加入后来的AES42标准。
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　在1999年的AES大会上，Milab介绍DM1001数字话筒（见图2）。它的指向性是可调整的，通过使用两个压力梯度换能器，信号从双膜话筒头经过模／数转换器数字化。受限于A/D转换器的动态范围，整个话筒的动态范围较低，只有114 dB(A计权，RMS)。话筒的指向性、内置前置放大和滤波器等功能可以通过基于Windows的PC遥控。


( T5 Z5 H" _& l2 i4 G0 n# E　图2　Milab DM1001B数字话筒
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　第一个大量应用数字话筒技术的场合是在1999年，在柏林的德国国民议会大楼重修，大楼里的德国国会会场采用了最新的数字话筒技术。参会代表发言的话筒是特别开发的，是一个比MCD100简化的版本，使用了一个简单的模／数转换芯片(CrystalCS5360)，动态范围大于100 dB(A计权，RMS)，内置的模拟预放大器不带增益调节。演讲使用的是平面心形指向话筒KEM970，它使用StageTec的真实匹配技术模／数转换器，动态范围大约是115 dB(A计权，RMS)(见图3)。
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　从此，数字话筒开始进入规模研制和市场化时代，至今已经有了一些新技术和新设计的尝试和应用。

　2、数字话筒的基本原理
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# v$ V# H2 j  W+ m/ R' u" C  P. Y　传统模拟话筒使用膜片，把它的振幅或者频率转化成电信号。要设计制造数字话筒，一定要抛弃模拟话筒的理念和方法，在信号通路中尽可能早地生成数字信号。一种数字话筒，使用膜片统计从两个方向通过膜片的空气分子数量。这种方式的拾音器将会是真正的数字，是理想的数字话筒。不过囿于目前的技术水平还没有真正制造出这种方式的演播室音质话筒。


图3　Beyerdynamic MCD800系列
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8 w( @, H: n0 N( p6 i, Q; q　因上述方式实现太困难，比较而言膜片振幅则是一个不错的检测声波方式。乍一看数字化测量膜片的振幅并不困难，但要达到完美演播室音质的水平还是比较渺茫。例如，可以使用激光来测量膜片的振幅，但是激光束获得的是膜片上的一个点的振幅，而实际必须将整个膜片表面的振幅值综合考虑。

　基于这些理由，加上传统模拟话筒明显工作得很好的事实，因此在数字话筒中继续使用模拟膜片，这些膜片的振幅也继续以模拟方式转换成电信号。在数字话筒内部，模拟电信号通过普通的音频模／数转换器转换成数字电信号，最后的结果是数字的。所以现在说的数字话筒严格地说只是模拟话筒加上内置的数字部件。图4给出了这类数字话筒的原理，其中各模块的功能如下。

　话筒头模块：负责将声能转化为模拟电信号。
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4 |% n3 S7 m' B' f$ H; m, j　预放大模块：将很弱的模拟电信号放大到模数转换模块需要的信号幅度。
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, M( ]5 h* O$ e2 R, f4 l5 w　模数转换模块：将模拟电信号转化为数字电信号。
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9 Y/ D; g( E1 q7 r8 X' H　DSP处理模块：将数字信号进行均衡、动态等处理。
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) k7 S* i. B( l. P( D　输出放大模块：将数字信号放大到经过一条长电缆还能驱动接收端所需要的信号幅度。

: F% f& O7 s5 W6 D4 E  Y　供电模块：从电缆中提取幻象供电并分配给其他需要供电的模块。

　遥控模块：从幻象供电的调制中取出遥控信号控制相应的模块。

　同步发生器：发出几个数字模块需要的数字同步信号，可以受遥控信号的控制。


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图4 一个现代数字话筒的原理框图

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3、数字话筒通用接口和AES42标准
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　数字话筒的接口是指数字话筒输出到下一级设备输入连接的硬件和软件。它包括了电源、音频格式、同步、遥控等等。早期数字话筒的接口是各个生产商自己定义的，通常是使用多芯电缆和控制盒相连，无法互换，这给数字话筒的普及推广带来了很大的麻烦。1997年3月的欧洲AES大会大概定义了标准数字话筒接口标准AES42：所有工作电源都是经过110 Ω的平衡电缆获得的，模／数变换和选择信号处理可以遥控，接收同步信号功能是选项；幻象电源电压通过平衡线传输，话筒通过中心抽头变压器提取电源，同时输出AES3信号，调制这个幻象电源电压作为控制信号等等。
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) R1 d1 |8 n- B2 p- K) [9 Z　2001年第一版的AES42-2001标准定稿时，建议加强外部数字同步，继续使用XLR-3接头（卡侬头），以便现有的设备能使用得更久。2006年修改了AES42标准，形成了现在比较通行的标准(AES42-2006)。
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0 d4 z. B: s5 X9 |　AES42标准的协定草案简述如下。
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3 K$ l8 {, B6 y- g, g　1)电源

4 a0 I' `) G3 J" k- e8 T8 J& F　数字话筒的运行需要电源。电容话筒也必须要电源，通常是通过模拟信号电缆利用幻象供电实现的，每个通道可以提供约170 mW。而数字话筒所需要的能量要大得多，主要是因为模／数转换器。AES42标准规定话筒使用10 V数字幻象供电(DPP)：就是将电压施加于屏蔽层和两根芯线上。这个数字幻象供电上可以施加遥控脉冲，遥控脉冲偏差2V，像共模调制一样重迭在数字幻象供电上。AES42标准允许消耗电流最多250 mA，和USB口提供的电力一致。尽管数字幻象供电的最大电流是250 mA，模拟话筒不小心连接到数字幻象供电是不会损坏的f动圈式话筒没有直流电流，与电容话筒工作机制相似，但是电压更高）。

　2)音频格式
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　数字话筒输出AES3标准的音频信号，采样率是44.1 kHz/48 kHz和它们的倍数，量化比特数为24 hit。目前市场上已经可以提供192 kHz采样率的话筒。因此数字话筒输出音频格式和普通的AES3信号完全相同。AES3标准中定义的“用户比特”(=AES3中用户自己定义几个比特)可以传送关于话筒和它的设置信息。
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7 E1 l- \; d3 Z, {5 {　3)同步
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　AES42标准同步分为两种模式：模式1和模式2。
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- t% r: I$ D: A0 Q$ ^1 P4 M  w　(1)同步模式1
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9 U. _. v6 s, m; W( n% q: l; g　数字话筒不支持外同步。它工作在固定采样频率的内部时钟下。如果控制器或者调音台的输入端不能按那个采样频率工作，输入端就必须提供采样频率变换，特别是在多个运行模式1的话筒连接到单个系统的输入端的时候。模式l的数字话筒很简单，非常易于设计和实现。
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　(2)同步模式2
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: b4 H, Z* c0 r+ p* O' C6 ~; L　允许同时使用多个数字话筒，而每个话筒的采样频率设置在和接收单元相同采样频率的主时钟上。每个话筒内部的时钟利用锁相回路(PLL)使频率和相位主时钟保持完全一致。在这个模式中，压控晶体振荡器(VCXOs)代替了PLL电路的普通晶体振荡器。在接收端检测话筒的采样频率和相位是否与系统的主时钟完全同步，如果不同步则通过电源部件向话筒传送控制信号，来控制压控晶体振荡器改变采样频率达到和主时钟同步。这个形式的同步并不是无级变频的，用户必须确定将话筒设置成同主时钟一样的采样率，以便电压控制晶体振荡器VCXO能够工作在足够的同步范围。
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　4)遥控

　AES42标准的附录中规定一系列控制扩展功能的控制代码。这些控制代码通过数字幻象供电DPP的脉冲宽度调制(+2V，0.2Ⅵ传送到话筒。它们的传输是比较缓慢的(689 b/s或者750 b/s对应在44.1 kHz或者48 kHz的采样频率)。为了良好的传输话筒的同步控制信号，AES42标准规定至少每4个命令必须有一个同步字。
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　这些控制代码使用了2-byte协议：地址字节标识特别命令，数据字节包含设置的意义，紧接着一个长度等于至少一个字节传输暂停。在话筒里用很简单逻辑元件就可以实现协议（简单命令设置）的实施。遥控命令的控制代码规定了遥控话筒参数和模式2采样率的同步。用户不用知道这个控制如何实现，但是这个控制代码的实施使生产商进入数字话筒市场会更加困难。因此AES42有一套简单的命令和一套扩展的命令，但是两套命令的默认设置不完全一样。

　简单命令设置支持模拟大振膜话筒的参数设置，设置包括：信号预衰减、15级指向性图形（无方向性见图8）、低频截除滤波器(0，40 Hz，80 Hz，120 Hz)、静音功能、信号压限器禁用的／起动、信号增益、模式2同步、内置放大器增益、峰值限制器。

. B* ?" o- w0 u$ f* ?" q9 Z3 r　扩展命令设置是没有调音台的情况下话筒自己设置功能，设置包括：灯的控制、测试信号、重启DSP软件、话筒标识和状态标志指示符、消除高频颤动Dither和量化误差的噪声整形、取样频率、立体声话筒M/S和X/Y制式、UR或者M/S平衡参数、均衡器、输出信号的极性、立体声／单声道选择、压缩器／限幅器起动时间／释放时间、压缩器／限制器比例／频率响应／阈值、亮度设定、话筒标识和状态标志信息等。

　5)数字信号处理(DSP)
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　AES42标准允许生产商专用命令控制数字信号处理(DSP)的功能。这个部分的命令是不会公布的，它们的功能只是在生产商的AES42标准的控制器提供给用户。（待续）