硬件之音频接口的知识详解

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硬件设计之音频接口的知识详解

这里需要说明的是，我们所讨论的接口其实包括对"接口"（interface）和"连接器"（connector）这两个方面的讨论，"连接器"我们通常也称之为"接头"或"插头"。 "接口"定义了电子设备之间连接的物理特性，包括传输的信号频率、强度，以及相应连线的类型、数量，还包括插头、插座的结构设计；而"连接器"则是在物理上实现设备之间连接的装置。

1.模拟音频接口之TRS接口

说到TRS接口，一般人初听可能不知道它是什么，不过只要把实物放在面前，大家就都知道它是什么了。其实日常生活中我们见得最多的就是TRS接口，它的接头外观是圆柱体形状，通常有三种尺寸1/4"（6.3mm）、1/8"（3.5mm）、3/32"（2.5mm），我们最常见的是3.5mm尺寸的接头。

2.5mm的TRS接头以前在手机耳机上比较流行，但现在已经不多见了，耳机接口基本被3.5mm接口一统江湖。而6.3mm的接头在很多专业设备和高档耳机上比较常见，但现在有不少高档耳机也逐渐开始改用3.5mm接头。TRS的含义是Tip（signal）、Ring（signal）、Sleeve（ground），分别代表了这种接头的3个触点，我们看到的就是被两段绝缘材料隔离开的三段金属柱。因此，3.5mm接头和6.3mm接头也被人称为"小三芯"和"大三芯"。

TRS接口就是一个圆孔，其内部与接头对应，也有三个触点，彼此之间也被绝缘材料隔开。有的人说不还有四芯的插头吗？没错，我们在耳机或随身听上见到的四芯插头，多出来的那一芯是用来传送语音信号或控制信号。此外，还有一种用于耳机的四芯3.5mm插头则是用来传输平衡信号的。6.3mm的"大三芯"插头可用来传输平衡信号或非平衡立体声信号，也就是说它可以和我们后面要讲的XLR平衡接口一样，能够传输平衡信号，但因制作这样的平衡线成本比较高，所以一般只用在高档专业音频设备上。

2.模拟音频接口之RCA接口

RCA接口在我们日常生活中也非常常见，音箱、电视、功放、DVD机等设备上基本都有。它得名于美国无线电公司的英文缩写（Radio Corporation of America），上世纪40年代的时候，该公司将这种接口引入市场，用它来连接留声机和扬声器，也因此，它在欧州又称为PHONO接口。我们对它更熟悉的接头称呼则是"莲花头"。

RCA接口采用同轴传输信号的方式，中轴用来传输信号，外沿一圈的接触层用来接地。每一根RCA线缆负责传输一个声道的音频信号，因此，可以根据对声道的实际需要，使用与之数量相匹配的RCA线缆。比如要组双声道立体声就需要两根RCA线缆。

3.模拟音频接口之XLR接口

XLR接口又被称为"卡农口"，这是因为James H. Cannon创立的Cannon Electric公司是它最初的生产商。它们最早的产品是"cannon X"系列，后来改进产品增加了一个锁定装置（Latch），于是在"X"后面增加了一个"L"；再后来又围绕着接头的金属触点增加了橡胶封口（Rubber compound），于是又在"L"后面增加了一个"R"。人们就把三个大写字母组合在一起，称这种接头为"XLR connector"。

我们通常见到的XLR插头是3脚的，当然也有2脚、4脚、5脚、6脚的，比如在一些高档耳机线上，我们也会看到四芯XLR平衡接头。XLR接口与"大三芯"TRS接口一样，可以用来传输音频平衡信号。这里我们简单说一下平衡信号与非平衡信号。声波转换成电信号后，如果直接传送就是非平衡信号，如果把原始信号反相180度，然后同时传送原始信号和反相信号，这就是平衡信号。平衡传输就是利用相位抵消原理，将音频信号传输过程中受到的其他干扰降至最低。 当然，XLR接口也跟"大三芯"TRS接口一样，可以传输非平衡信号，因此光从接口看，我们是看不出来它到底传输的是哪种信号。

4.数字音频接口之AES/EBU接口

数字音频接口方面，我们其实讲的更多的是传输协议或标准。在接口的物理外观上看，你很难看出它是哪类型的接口。我们首先说一下AES/EBU。

AES/EBU是Audio Engineering Society/European Broadcast Union（音频工程师协会/欧洲广播联盟）的缩写，是现在较为流行的专业数字音频标准。它是基于单根绞合线对来传输数字音频数据的串行位传输协议。无须均衡即可在长达100米的距离上传输数据，如果均衡，可以传输更远距离。

AES/EBU提供两个信道的音频数据（最高24比特量化），信道是自动计时和自同步的。它也提供了传输控制的方法和状态信息的表示(channel status bit)和一些误码的检测能力。它的时钟信息是由传输端控制，来自AES/EBU的位流。它的三个标准采样率是32kHz、44.1kHz、48kHz，当然许多接口能够工作在其它不同的采样率上。

AES/EBU的物理接口有多种，最常见的就是三芯XLR接口，用来进行平衡或差分连接；此外还有后面要讲的使用RCA插头的音频同轴接口，用来进行单端非平衡连接；以及使用光纤连接器，进行光学连接。

5.数字音频接口之S/PDIF接口

S/PDIF是Sony/Philips Digital Interconnect Format的缩写，它是索尼与飞利浦公司合作开发的一种民用数字音频接口协议。由于被广泛采用，它成为事实上的民用数字音频格式标准。S/PDIF和AES/EBU有略微不同的结构。音频信息在数据流中占有相同位置，使得两种格式在原理上是兼容的。在某些情况下AES/EBU的专业设备和S/PDIF的用户设备可以直接连接，但是并不推荐这种做法，因为在电气技术规范和信道状态位中存在非常重要的差别，当混用协议时可能产生无法预知的后果。

S/PDIF接口一般有三种，一种是RCA同轴接口，另一种是BNC同轴接口，还有一种是TOSLINK光纤接口。在国际标准中，S/PDIF需要BNC接口75欧姆电缆传输，然而很多厂商由于各种原因，频频使用RCA接口甚至使用3.5mm的小型立体声接口进行S/PDIF传输，久而久之，RCA和3.5mm接口就成为了一个"民间标准"。后面我们会具体讲到同轴接口和光纤接口。

6.数字音频接口之同轴接口

同轴接口分为两种，一种是RCA同轴接口，另一种是BNC同轴接口。前者的外观跟模拟RCA接口没有任何区别，而后者则与我们在电视机上常见的信号接口有点类似，而且加了锁紧设计。同轴线缆接头有两个同心导体，导体和屏蔽层共用同一轴心，线的阻抗是75欧姆。

同轴传输阻抗恒定，传输带宽高，因此能够保证音频的质量。不过虽然RCA同轴接口的外观与RCA模拟接口相同，但线最好不要混用，由于RCA同轴线是固定75欧姆阻抗，因此混用线会造成声音传输的不稳定，使音质下降。

7.数字音频接口之光纤接口

光纤接口的英文名字为TOSLINK，来源于东芝（TOSHIBA）制定的技术标准，器材上一般标为"Optical"。它的物理接口分为两种类型，一种是标准方头，另一种是在便携设备上常见的外观与3.5mm TRS接头类似的圆头。由于它是以光脉冲的形式来传输数字信号，因此单从技术角度来说，它是传输速度最快的。

光纤连接可以实现电气隔离，阻止数字噪音通过地线传输，有利于提高DAC的信噪比。然而由于它需要光线发射口和接收口，而这两个口的光电转换需要用光电二极管，光纤和光电二极管之间不可能有紧密接触，从而会产生数字抖动类的失真，而且这个失真是叠加的。再加上在光电转换过程中的失真，它在数字抖动方面比同轴差了很多。也因此，现在光纤接口也开始逐渐淡出人们的视野。