音频系统中的线材怎样制作

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音频系统中的线材怎样制作

各种接插件和线缆是制作设备间传输信号和沟通信息的连接工具，它在整个制作过程中占据着非常重要的位置。数字方式的制作相比于模拟方式而言，其制作设备和工作方式虽然有了较大改变，然而构成信号通路的部件仍沿用模拟方式得到，并且使用率极高。很多时候这些不起眼的部件就是形成信号恶化的“罪魁祸首”。对于大多数人而言，他们更注重外围设备的品质和性能匹配，通常会将大量的金钱投资在硬件和软件设施上，而对于线材就压缩了开支。那么信号在这个廉价的通路中传输，就不可避免的出现音质恶化、信号失真，甚至于数字信号丢失等结果，即使再高端的设备也无法发挥出预期的效果。信号从输入端就已经变质，其输出结果也可想而知。因此，构成系统连接的接插件、传输线缆与外围设备同等重要，怎样在设备之间合理使用各种连接线缆、怎样发挥设备最佳性能等都是我们需要考虑的实际问题。本文将重点介绍接插件和线缆所蕴含的知识，使我们从根本上重视该问题。（本文节选自我的新书《数字音乐制作从入门到精通》清华大学出版社 ）

1.        音频线缆的分类

音频线缆分为“数字音频线缆”和“模拟音频线缆”两类，它们之间最大的区别就是阻抗特征。模拟线缆会因长度的不同在自身导体上形成30Ω--90 Ω的阻抗波动，这种波动不会影响模拟音频的音质。但对于数字音频设备就是完全相反的状况了，因为数字音频信号是高频率的脉冲数据流，为了实现信号精确传输，线缆阻抗必须与发送和接收设备相匹配，这意味着线缆的阻抗必须保持恒定的特征。

1)        数字音频线缆  

不少类型的数字音频线缆使用了与模拟音频线缆相同的接插件，比如 XLR卡侬头或是RCA莲花头等。那么就有不少人就采用模拟线缆作为数字线缆的替代品，这是非常错误的做法。它们之间并不是简单地从外观上来定义的，“阻抗要求”才是真正区分的依据。

模拟线缆替代数字电缆会发生阻抗不匹配的情况，线缆中产生的驻波反射会使信号脉冲波的轮廓模糊。同时，来自于线缆的分布电容会降低线缆的高频响应，继而影响到脉冲的上升时间。此时，受到不良影响的脉冲波会继续将高、低电压转换定义为数字信号，即 0和1。由此我们在接收端对信号的解读就会出现误差，出现抖晃Jitter（时间上的前后偏移）从而降低了音频质量，严重时甚至会出现错码。  

我们经常会看到，一些音乐工作现场通常将线缆杂乱无章的随便连接，没有形成一种有序的排列。这在一定程度上反映出一种心态，并没有将线缆和硬件设备形成统一的认识。或许线缆的外形不如硬件设备那样引人注目，然而任何设备都离不开线缆，这是事实。使用廉价线缆以及不注重连接质量都会导致所有硬件设备的表现水平普遍下降，这种情况在高端设备上尤其明显，此时这些不经意的举动就会成为阻碍音质的“瓶颈”。因此，在线缆方面增加必要的投资以及有序连接降低相互的干扰是非常有必要的。

2)        模拟音频电缆  

模拟音频电缆通常可以分为传声器线缆、乐器/线路线缆以及音箱线缆三类，它们统称为模拟音频线缆。一般情况下，音频线缆由导体、屏蔽层两部分构成。线缆的中心部分就是导体，用以承载音频信号。导体外部包裹着绝缘塑料或橡胶，再外层是金属网状的屏蔽层，它起到两方面作用：一是隔绝外界干扰，二是构成信号回路（地线）。在线缆的最外面包裹着线体的保护层，其作用是使线缆耐用。图1为常见音频线缆结构图



图1  常见音频线缆结构

2.        影响音频线缆的因素

在实际使用环境下，线缆本身的质量、阻抗和电阻指标、信号电平等因素都会对声音产生影响，其具体体现在如下方面：

1)        线缆的屏蔽性能： 线缆质量决定了其屏蔽性能。很多情况下，外界干扰会影响到线缆内部音频信号的传送质量，因此电缆需要有良好的屏蔽性能。常见的干扰源分为无线电信号（Radio-Frequency Interference简称 RFI）以及静电（Electrostatic）两种。屏蔽性能不好的线缆很容易受到外界电波干扰。如果线体拾取到到干扰信号，经过导体送入放大电路时就会被检波放大，混在音频信号中形成噪音。相类似的干扰源还有很多，如电动机线圈、荧光灯电火花、静电放电等。线缆的屏蔽层能够有效保护导体免受上述几类干扰，但是屏蔽层对于某些类型的电磁波无效，通常只能采用平衡传送的方法来抵消它们（使两条线体拾取同样的干扰信号，通过变压器使两个干扰信号反向，达到互相抵消的目的）。

2)        信号电平对线缆的影响：屏蔽线主要用于传送低电平信号，如传声器、吉他或线性信号。由于该类信号源的电平较低，必须经过加一个放大的过程。在放大信号的同时，混进去的干扰信号也会被放大，形成噪声。而音箱线缆传递的是高电平信号，相比之下干扰信号就显得微不足道，因此不需要屏蔽。但是音箱线缆对于阻抗的问题却很突出，原则上连接线越短越好，线体越粗越好。需要注意的是，有的音箱线缆端也使用大二芯或卡农插头，外观与屏蔽线相似，使用时要从线体结构去判断线缆的类型，不要混淆或用错。

3)        阻抗和电阻对线缆的影响：阻抗是指在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用。阻抗由电阻、容抗、感抗三者组成，其单位为欧姆Ω。而电阻是指在直流电中，导体对电流的阻碍作用。电阻的大小跟导体材料的导电性、导体直径以及长度有关。在实际使用中，阻抗和电阻可以对各类线缆产生不同影响。首先，在音箱线缆中，电阻变化可以导致功率上的损失，因此许多高质量的音箱线缆在线体直径和长度进行控制，力求将线路功率损失降到最低。第二，在传声器线缆中，容抗会带来比电阻更多的问题。因为音频线缆的屏蔽层和内部导体正好形成了一个电容关系，从另一方面来看，整条线缆就就相当于一个大电容，它的容抗会阻挡交流电的流动。根据电容的性质，频率上升会使容抗减小，然而由线缆构成的电容器与线体本身的电阻相结合，就形成了一个低通滤波器，线缆越长，截止频率点衰减越大，这就是我们建议不要使用过长线缆的重要原因。第三，在线路电平的电路中，需要注意导体的感抗属性。音频信号在导体中流动时会产生随电压变化的磁场，物理学称为“自感”。该磁场对信号的流动将产生阻力。由于线路电平的电流较弱，自感所产生的磁场也不强；然而类似于传声器信号的大电流信号，所产生的磁场就强大得多。因此，使用高质量的音箱线缆可以减少自感磁场，改善音质。

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3 音频线缆的接口类型

音频线缆按照接口类型也被分为数字和模拟两类，由于很多数字音频线缆使用的是模拟接插件，如卡侬头（XLR）、莲花头（RCA）等等，因此单从外观上区分容易产生混淆。其有效的区分方法就是从阻抗参数上加以分辨。另外在使用上不要错用，这决定了音频系统的整体工作性能指标

1)        数字音频接口类型：

λ        AES/EBU：由Audio Engineering Society（音频工程师协会）和European Broadcast Union（欧洲广播联盟）一同开发的数字音频传输接口标准，简称AES/EBU或IEC-958标准，它是传输和接收数字音频信号的数字设备接口协议，其输入和输出阻抗为110Ω，这种格式使用一条三针卡侬线单向传输两路信号。

λ        S/PDIF：该接口的英文全称为Sony/Philips Digital Interface（索尼/飞利浦数字接口格式）是 SONY公司与PHILIPS公司联合制定的一种数字音频输出接口格式。这种格式可以使用BNC同轴输出或RCA莲花线传输数字信号，其输入和输出阻抗为75Ω。由于数字信号不会因受到干扰而降低音频质量，因此该接口被广泛应用于专业及家用电器设备上。用于改善信号音质，提供给更纯正的听觉效果。

λ        ADAT：由美国Alesis公司开发的一种数字音频编码格式，最早用于该公司的ADAT八轨录音机，因此被称为ADAT编码。它使用一根Optical（单模光纤）单向传输传输8轨信号，且ADAT系统间数字信号传输遵循Alesis公司制定的“ADAT Lightpipe”光纤数字通信标准。现在，该接口标准被音频厂商用来作为调音台、合成器以及效果器等音频设备用于传输数字音频的标准。

λ        东芝的Toslink格式，也被称之为S/PDIF光学格式，其本质是通过光纤传送的两路S/PDIF信号。

λ        TDIF：由日本Tascam公司开发的一种多声道数字音频编码格式，使用DB25针插口以及类似于计算机串行线的线缆双向传输八个声道的数字信号，其线缆使用长度不能超过5公尺。

λ        MADI：多通道数字音频接口（Multi-channel Audio Digital Interface）简称MADI。是由音频工程协会(AES)标准AES-10和AES-10id描述的一个接口标准，可用Optical（SC多模光纤）单向长距离传输56/64路信号，也可用用BNC线缆单向传输56/64路信号，但传输距离上不如使用多模光纤。

以上叙述可以给我们提供一个基本信息，即：数字线缆的线材与接插头都有一定的专用特性和阻抗要求，这是使用中应该注意的问题。而模拟线缆相对来说就比较容易区别，唯一需要注意的就是一定要区分开“平衡信号”与“非平衡信号”之间的差别。平衡信号指的是利用相位抵消原理降低信号传输过程中所受的干扰。它需要并列三根导线，分别是接地、热端和冷端来实现信号传输。非平衡传输只有两个信号端子，即热端与接地端。如图2所示



图2  模拟音频接口连接图

2)        模拟音频接口类型：

λ        3.5mm立体声接头：又叫做小三芯接口，这是目前消费类声卡或板载声卡主流配置的接口。为了适应不同设备需求，这类接口目有2.5mm、3.5mm和6.22mm接头，三个尺寸规格。2.5mm接头主要应用在手机类数字产品上；3.5mm是常见的接口类型，主要应用在PC及家用设备上；6.22mm接头是提高了接触面及耐用度的模拟接头，主要应用监听或专业音频设备上。如图3所示



图3  小三芯接口

λ        RCA接头：这就是常说的莲花头，也是目前最普遍的音频连接方式，它是利用RCA线缆传输模拟信号的，每一根 RCA线缆传输一个声道信号，因此立体声信号就需要使用一对线缆。左声道用蓝色或白色标注，右声道用红色标注。如果用于多声道系统，就要根据实际的声道数量配以相同数量的线缆。图4所示



图4  RCA莲花头

λ        XLR接头：俗称卡侬头，具备三针插头和锁定装置组成。这使得XLR连接相当牢靠，XLR接口通常在麦克风、音频卡等设备上常见。卡侬插头和插座有公母之分，其外部特征为：接点为插针的是公插或公座，接点为插孔的是母插或母座。按照国际通用惯例，公插头或插座是信号的输出端；母插头或插座是信号的输入端。图5所示



图5  XLR卡侬头

λ        TRS大三芯接头：大三芯接头采用直径为6.35毫米的插头，结构为热端、冷端、接地三部分，主要用于平衡信号或不平衡的立体声信号。优点是耐磨损，适合反复插拔，主要出现在高端模拟音响器材或专业音频设备上。图6所示



图6  TRS大三芯接头

λ        TS大二芯接头：大二芯接头也是采用直径为6.35毫米的插头，结构为热端、接地两部分，主要用于非平衡信号单声道信号。图7所示



图7  TS大二芯接头

λ        蝴蝶夹：这是有源音箱中常用的模拟信号传输接头，采用红黑两种颜色标注，每根线缆传输一个声道信号，双声道需要两根线缆传输。这类接线口有蝴蝶夹形和接线柱形两种，其接触面大，结构简单，可靠性也较高。图8所示



图8  蝴蝶夹接头

个人认为接插件和线缆是制作系统中的核心部件，配置时根据其他设备标称参数统筹考虑；如果是新购置的设备，那么请在设备全部确定下来之后再统一配置。有兴趣的朋友还可以将你现有的线缆和接插件检查一下，如果做到和硬件设备匹配，那么你系统的音质会有改观。

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