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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。
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1、数字话筒的历史5 r' K) Q L; z) B
: s9 t0 d# e/ u* C2 s# C* j) z 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。
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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。
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* }* ?4 \! u: K2 v* b0 g- p" } 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。5 Z, m) Q9 c+ k7 X0 t
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图1 BeyerdynamicMCDl00和电源(MCD50，MCD100和MCD200)$ N+ B% \' N& i; I5 [$ p2 v$ g
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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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8 F( t) ]3 v2 e/ ~, u( Y9 V" R+ P 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。- |! T f9 F6 W/ D R7 }' A4 C
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! N+ G D" t+ Y1 W 图2 Milab DM1001B数字话筒
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, B( {8 }: Z* v- Q A 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)。7 h" d- T) q% K: k
6 E \" c$ }" i6 n# @+ u( p) C9 d7 j 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。
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$ i: H# E8 Y; z+ X% c 2、数字话筒的基本原理
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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。
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' \& Y5 t# E0 _# W. l# f% R图3 Beyerdynamic MCD800系列
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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。3 \" J6 I. O! z( {
" l& k- ~; z( l) S- P1 S 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。. H, \/ P& s, Z9 r! Z! h& u
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话筒头模块：负责将声能转化为模拟电信号。
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8 s& \4 W3 f3 T6 g 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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: Q" r/ j( E1 s, B3 S& H 模数转换模块：将模拟电信号转化为数字电信号。
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DSP处理模块：将数字信号进行均衡、动态等处理。
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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。
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8 ]* s* M! t2 M7 K& a! P 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。$ [1 ^4 n+ H' p* c3 A, G3 t, w* x: o7 Y
& W/ Z- t# j# a& v) \$ E 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。
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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。' X4 _5 L/ f" ~ I7 ?+ k
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2 R! g7 B ?- p8 y( K& [$ w+ l d图4 一个现代数字话筒的原理框图 ]& W0 @7 `% [% a/ t$ t# W+ M$ A
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发表于 2016-6-8 08:30:38
