计算机与音响设备的接口及标准

梦想家

简述：

　　随着数字技术的不断发展以及计算机应用技术的日益普及，数字音频工作站（DAW：Digital Audio Wrokstarion)在音频制作领域开始发挥着越来越大的作用，这样计算机与其它音响设备的连接就成为一个急待规范的问题。

　　目前国内常用数字音频工作站，其声卡一般都设有模拟音频信号输入输出接口，是由A/D（模/数）转换器与D/A（数/模）转换器进行连接的。由于模拟声音接口直接决定着数字音频工作站的电声性能，在DAW的许多产品中都采用了指标很好的64倍或128倍过采样A/D转换器，采用8倍或16倍过采样18bit 量化D/A转换器，这样不仅提高了系统的电声指标，也大大简化了电路，使得反混叠（aliasing)等模拟技术大大简化，并使专业级的接口电路成为批量产品。

　　此外，音频工作站最重的要是还设有AES/EBU以及SPDIF等数字接口，以用来进行数字音频信号的输入和输出。另外，一些高档产品还为使用者提供了YAMAHA.PD等其它更多格式的专用接口，这些都是采用ASIC技术开发的，更有甚者，有的厂商甚至能够在一块芯片上集成了八种协议格式的接口。

　　除此之外，数字间起源工作站通常还设有MIDI接口，SMPTE时间码接口等。在系统同步方面，几乎所有的产品都有SMPTE时间码发生以及读出电路。最安全的还有VITC、LTC、YV帧等多种时码链锁，这些都是相当成熟的技术。下面，我们就简单讨论一下这些接口格式：

一、接口分类：

　　计算机与音响设备的接口类型多种多样，但究根寻源，按照其所传输信号的种类划分，无外乎两大类：音频信号接口与同步信号接口：

　1、音频信号接口：

　　I、按传输信号的类型分：模拟接口与数字接口

　　　A、模拟接口

　　由于长期以来模拟设备的广泛应用，模拟接口至今在音频领域还占有很大的比重，常见的模拟输入、输出接口如：大、小三芯插头，RCA唱机型（莲花型）插头、XLR卡侬式插头等等，因为这类接口我们平常用的比较多，也较为熟悉，在此就不再多说。

　　　B、数字接口

　　专业的数字音频系统和某些民用系统均有符合某种标准协议的数字接口，利用它可以将多个通道的数字声频数据在两个设备间传送，而不会产生音质的损失，只要误码能够被完全纠正，那么不论进行多少代数字复制，都不会影响最后一代的声音质量，从而就可以进行真正的无损化的数字域复制。

　　II 、按接线方法分：平衡类接口与不平衡类接口

　　　A、平衡类接口

　　专业音响和广播设备的大部分都具有平衡的输入和输出电路接口。输入和输出端一般为XLR卡侬式插座，插座上有三个端子：+、一、地三个端子。其+（-）的意义是指输出信号与输入端的+信号同相（或反相）。平衡式接法的输入输出设备抗噪声能力较强，因为串进电缆或设备内的噪声一般同时出现在正负输入端，对地电压大小相等而相位相同，也就是我们通常所说的共模噪声，但是接在后面的平衡输入电路仅传输正负两端信号的差，能够抑制共模噪号。

　　　B、不平衡类接口

　　不平衡的输入输出接口常见于民用的音频设备，其输入输出端对机架为热端，接头一般为RCA唱机型接头。不平衡接法的抗噪声能力较弱，此连接方式一般用于一米左右的短线连接且噪声较小的环境，或者是低阻高输出信号的连接，如功放与扬声器之间。

　2、同步信号接口

　　与模拟声频信号不同，数字声频信号有严格的时间结构，因为一个采样信号要同其它采样进一步构成有一定时间长度的帧和块。如果数字声频设备打算进行彼此间的通讯，或者如果数信号要以某种方式进行组合，那么它们就应该与共用的参考信号取得同步，以使设备的采样频率完全一致，并且不会产生彼此间采样频率的漂移。

　　因此，为专业应用而设计的数字间起源工作站常常提供了各种各样的同步输入接口，在同步的起始点，记录和重放要锁定到SMPTE/EBU时间码源或MIDI时间码（MTC）源上，或者锁定到外部的采样率时钟、视频同标准或数字声频同步标准上。在内同步方式中，系统锁定在其自身的晶体振荡器上，如果它符合AES的应用场合（AES-1984），那么在专业的设备中应该有+10ppm的精确度（民用设备的精确度要比此小得多）。在外同步方式中，系统就锁定到它的某一个同步输入上，典型的同步输入是字时钟（WCLK）， 它通常是采样率的方波TTL电平信号（0-5V），一般采用BNC型接口端子，并且在设备上普遍使用Sony接口（SDIF）。在所有的情况中，一个机器或源必须被确认为“主机”（Master),由它作为整个系统的同步参考，而其它机器为“从机”（slaves).

二、数字接口类型：

　　在数字声频设备之间进行数字声频信号的传输的方法有两大类；用电缆传输信号；以及用光缆将“0”、“1”信号以光的灭、亮形式来传输，无论哪种形式的数字传输，其信号格式均如图1所示。

　　对于电缆传输的数字信号接口，现有的数字接口的种类很多，详见表1，有些是国家标准的，而中外一些则是厂家专用的。这些数字接口都能传送至少16比特分辨率的数字信号，并且能够工作于44.1KHz和48KHz的标准采用频率之下，如果必要的话，还能工作在32KHz，并带有一定的容限范围，以便进行变速操作，大多数标准只是针对一个或双通道的，但其中也有多通道的接口，这就是所谓的MIDI（Multi-channel Audio Interface,多通道数字接口）。


　

专业

民用


标准

AES3-1992

CP-340，Type-I

IEC958类型1

CCIR647

EBU3250

S/PDIF

CP-340，Type-II

IEC958类型2


硬件

5V（峰-峰）平衡

110欧双绞线对YSIJ3P（XLR）连接器

5V（峰-峰）单端

75欧同轴

TX（RCA/唱机）连接器


软件

通道状态比特

通道状态比特


表1：数字接口分类表

注：当使用屏蔽双绞线对作为平衡传输线时，距离最好不要超过100m

　　当使用不平衡传输时，屏蔽电缆长度只有几十米

1、AES/EBU接口（AES3-1992）


图２：标准以通道接口

ＡＥＳ／ＥＢＵ的推荐用电子电路

　　对于AES/EBU接口，在AES3-1992，IEC958（类型1），CCIR Rec647和EBU Tech 3250E中所述基本上是一致的，它可以通过一个平衡接口来串行传送两通道的数字声频信号（A和B），它采用平衡的驱动器和接收器，与用于RS232数字传输的标准类似，其输出电平为2V至7V，如图2所示，这种接口允许的两通道声频信号转送的距离可以达到100m，但更长的距离则需要采用相当的线缆、均衡和端口。一般使用标准的XLR-3接口，并标有DI（数字输入）和DO（数字输出）。

图３：标准双通道接口帧的格式

图４在子帧开始处有三种不同的起始状态（Ｘ，Ｙ和Ｚ），它们用来对接收器进行同步

　　每个声频采样包含在“子帧”中（如图3所示），而每个子帧是以三种同步型中的一种来开始，以便标志出采样是A通道还是B通道的，或用来标志出一个新通道状态块的开始（如图4所示）。另外的附加数据也包含在子帧中，它是一个4比特的辅助数据，此外在每个子帧中还有一个有效比特（V），一个用户比特（U），一个通道状态比特（C）和一个奇偶校验比特（P），它们共同组成了一个32比特的子帧和一个64比特的帧。

　　一帧（包含了两个声音采样）的数据在一个声频采样周期内被传送出去，所以数据率是随着采样率而变化的，通道状态比特在接收器上被组合在一起，每192字节构成一个24字节字，这个字中的每个比特均与接口工作的特定功能相关联，图5表示出了该字的示意图。例如该字中的各位用途，有的表示的是采样就绪和预加重，还有的携带采样地址“时间”，以及源和目标的标识。第一个字节的第一个比特表示的是：接口是专业（设定为1）的不是民用（设定为0）规格来工作的。

0

1

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6

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17

18

19

20

21

22

23

Basic control date (consumer/pro,audio/non-audio,emph,etc)

Mode and user bit management

Audio wordlength

Vectored target from byte 1(reserved for multichannel applications)

AES11sync ref.identification (bits-1),otherwise reserved

Reserved
Source identification(4bytes of 7bit ASCII,no parity)

Destination identification(4bytes of 7bit ASCII,no parity)

Local sample address code (32bit binary)

Time-of-day sample address code(32bit binary)

Channel status reliability flags

CRCC

图５：专业接口中通道状态字节的作用

　　双相位标志编码是与通道编码相同的编码，它是用于SMPTE/EBU时间码的编码方式，这种编码方式是为了保证数据能够自锁定，带宽有限，无直流成分和无极性相关性，如图6所示，接口必须能够适应各种各样的线材和所有推荐的标称110欧的特性阻抗。最初（AES3-1985）有多达4台具有标阻输入阻抗为250欧的接收器，能够通过一根专业接口电缆连接起来，但是最近对标准推荐进行了修订，对于每个发送器只有一个单独接收器的用法，其接收器的标准输入阻抗为110欧。

图６：双相位标志通道编码举例　

2.标准型民用接口（IEC958，类型2）

图７：民用型电气接口

　　民用型接口（其历史与SPDIF--Sony Philips数字接口有关）与专业的AES/EBU接口非常相似，但是它采用特性阻抗75欧的同轴电缆来进行不平衡的电气连接，如图7所示。这种接口常用于准专业或民用级数字声频设备的技术规格中，比如CD放音机和DAT机。通常其端口采用的是RCA型唱机接口。实用中通常使用格式转换器来将民用格式的信号转换为专业格式的信号，或反过来进行，并且可以在电气和光格式间进行转换。
0

1

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23

Basic control and mode data

Categorycode (type of device and copy status)

Source and channel mumber

Sampling rate and clock accuracy

Depends on application

Default to binary o


图8：民用接口中通道状态字节的作用

　　民用接口的子帧数据格式与专业接口所用完全不一样，但是通道状态的实现却几乎完全不同，如图8所示，民用接口通道状态的第二个字节已经留给了“种类码”的指示，这给养是被设定成表示民用应用的种类的。目前，所定义的种类码有：一般种类为（00000000），CD为（10000000），而DAT为（11000000）。一旦种类码确定下来，接收器便可以根据种类码的情况以不同方式对通道状态的某些经特进行译码处理。例如，在使用CD时，来自CD的“Q”通道子码的四个控制比特被输入到通道状态块（比特1--4）的头4个控制比特中。在民用接口设备中，它按照串行管理系统（Serial Copy Management System,简写为SCMS）的规定也被用来进行复制保护。

　　民用接口的用户比特常常被用来传送由记录的子码产生的信息，比如轨号和提示点数据。例如，在进行CD和DAT的复制时要用到它们，以便确保轨起始ID的标能够与声频数一起被复制焉得虎子，而这样的数据信息通常AES/EBU接口是不传递的。

3、厂家专用接口：

　　最常见的厂家指定专用接口就应该是Sony和Philips的SPDIF-2，它被设计用每根电缆来传送最高为20比特分辨力的一个通道的数字声频信息（尽管大多数的设备仅采用16比特）。当在大多数双通道设备中，接口是不平衡式的，并采用75欧同轴电缆和75欧BNC型接口端子，每个通道一个，电平为TTL兼容电平（0-5V）。与声频通道接口端子相匹配的还有单独一个用来传送字时钟信号的接口端子，字时钟是一种采样频率的方波信号，它用来同步接收器的采样时钟。也有符合RS422标准的多通道电气接口，这种接口采用D型多通路接口端子，像以前一样，仍要用单独一个BNC接口端子来传送字时钟。

　　在每个声频采样周期内，由每个接口传送的数据相当于32比特，尽管只有字的最初29比特被认为是有效的，此后的最后三比特元周期被合成相当平时维持时间1.5倍的两个元，以便于它能够起到同步型的作用。声频数据传送时首先是MSB，接下去是9个控制或用户比特，最终的数据率为：48KHz采样频率时为1.53Mbps,44.1KHz时为1.2Mbps.

　　SPDIF-2接口主要被用在由Sony专业数字声频设备向外传送声频数据上，尤其是在PCM-1610CD母版PCM转换器上，有时这种接口也出现在那些要与Sony设备进行连接的其它专业声频设备上。

　　随着时间的推移，大量的其它厂家专用接口也随之出现，尤其是在那些成本低的数字声频设备上大多采用这些接口，这其中有YAMAHA和TASCAM。现在可以使用已经商业化的接口转换器将这种设备与使用标准接口的其它设备简单互连起来。

4、标准多通道接口（AES10-1991）：

　　标准多通道接口是以双通道AES/EBU接口为基础而制定的。它的设计对AES/EBU数据是透明的，并且已经应用到大规模数字跳线系统和多通道数字设备互连中，MADI采用高速的数据来传送列高的信息量，它可友通过一条75欧的同轴电缆或光导纤维来串行传送56个通道的声频数据，以便每个通道的一个采样能够在一个声频采样周期内传送出去。

　　为了能够与双通道的AES/EBU数据格式取得最大的共性，MADI允许子帧包含20或24比特的数据，并且可以结合针对每个通道的AES/EBU数据的附加状态比特，MADI和AES/EBU音的主要差别是每个子帧的最初4个比特（在双通道接口中它没有使用双相位编码则来提供同步型，但是在MADI中却被用来表示其它的面头信息）。通道子帧被依次连接在一起，构成了一个56通道帧，如图9所示。

图９：ＭＡＤＩ帧的格式

　　MADI不管采样率或通道数目如何，传送数据率固定为125Mbps，但由于采用了4-5比特编码方案，所以实际的传送率为100Mbps,在这种通道编码方式中，每32比特比帧被划分为4比特字，然后按照查对表来编码成5比特字，这样做的目的是维持码字中的低直流成分。同步符号（1100010001）每帧至少插入一次，假如没有采用连接的全带宽，那么多于的同步信号被插入后便要占去总线的容量，典型的MADI配置如图10所示。

图１０：ＭＡＤＩ发送和接受框图

　　MADI数据通信格式与双通道不同，由所谓的TAXI（Transparent Asynchronous Xmitter/Receive Interface,透明异步发送器/接收器接口）芯片来承担，其意图的连接是导步的，它可以自动识别插入的同步信号，并且发送器和接收器将被锁定到共同的同步时钟上（以AESEBU参考信号的形式）。它采用BNC75欧接口端子，并且最长的同轴电缆长度不超过50米（作为另外一种互连方法，可以用光缆，它可以传送更远的距离）。采用的调制方法为NRZI，在NRZI中，用高电平到低电平或低电平到高电平的瞬态变化来代表2进制“1”，而无瞬态变化则代表“0”，由于接口的异步性，所以要在连接的两端缓冲器，以使数据能够由时钟来重新调整，并以正确的数据由缓冲器输出，在接收端，数据在同步信号的控制下锁定。

三、结束语

　　以上是对计算机与音响设备接口的一此简单论述，当然，计算机与音响设备的接口还有很多，如光信号接口等等，我们这只是针对日常工作中常见的接口形式简单的加经讨论，随着数字技术的日益普及，数字接口技术也将更加完善，更加规范。