数字音频S/PDIF格式的传输

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所属分类:音频杂谈

  分体式数码音频DAC,其与数码音源的衔接方式最常用的就是S/PDIF格式下的同轴电缆和光纤,用平衡的方式在专业领域用的比较多。下面就这三种传输方式,谈谈个人的看法。

        平衡传输方式,我认为在民用音响中是没必要,在专业领域里由于可能要传输的线路很长,所以用平衡的方式比较好。在我们一般的发烧器材中,最长不过就是1米多,这种情况下是没有必要用平衡性线的。在AP-2007这样很专业的测试仪器中的平衡端口其实也是负端接地的,并不是真正平衡方式,也就可以看出,短距离传输用平衡的方式是完全没必要的。

        光纤传输可以很好实现电气隔离,使数字音源和解码器之的地线也完全隔离,减少了串扰的几率。但是就目前数字音频专用光纤来说,其存在传输速率低的弊端,同时由于光反射等因素造成信号抖动比较大。因此光纤传输基本都是用于如CD随身听的数字输出等一般的娱乐消费品上。在传输速度上,实测只能达到96KHz的取样率,为了能有更好的输出波形,光纤头的输出脚接一个10K的上拉电阻,但是所测到的信号波形还是犹如三角波一般。而当输出信号取样率高达192KHz时,则经光纤头转换出的电信号波形则完全变了样,就像很尖锐的锯齿一般,这时候DAC的模拟输出是一片噪声,或者有模拟信号输出而夹带很大的爆音。

        Hi-Fi音响中,最合适的数字音频传输方式还是同轴传输线方式。其构造是中心是一条实心导体,外套金属导管,其中两导体之间的填充物的介电常数和两导体之间的半径比例共同决定了该同轴传输线的特征阻抗。在数字音响中,通常使用的是特征阻抗为75欧姆的同轴传输线,在传输线的两端所接的负载都为75欧姆,使信号无反射实现低抖动传输。现在很多人RCA头代替75欧姆BNC头,而RCA头是普通低频用接头,其在高频状态下所呈现的特征阻抗没有被人为设计,所以可能会严重偏离75欧姆,从而使传输线在接头处出现阻抗不连续而发生反射等。有更甚的直接用模拟音频屏蔽线代替同轴电缆,这种情况下不但传输线特征阻抗严重偏离75欧姆还可能是传输线的特征阻抗分布参数不连续也就是说这条线在不同点上所呈现的阻抗是不一样的,这是产生的反射情况更加复杂,使抖动增加可能性更大。虽然就算是传输192KHz取样率/24bits的数字音频信号,其SPDIF信号的速率也只有10Mb/s也就是最高频率也就10MHz不会形成明显的反射,但是挑剔的发烧友眼中是容不下一粒沙的,与其用使用昂贵的发烧保险丝籍以改善音质,还不如在这些不符合理论要求的细节上做完善可能带来更大的音质提高,一个普通镀镍的BNC头要好过一个镀满纯金的RAC头。

        对于同轴线的驱动,如果仅仅是有一路输出,我认为没有必要再搞一个门电路来驱动,而是直接从IC输出SPDIF信号进行阻抗匹配后传输出去。因为IC的SPDIF输出端已经有相应的驱动电路,再增加一个驱动电路是多余的,弄不好反而使抖动增加。如果是分多个输出,则可以用一个反相器进行隔离分别驱动。

数字音频S/PDIF格式的传输

         如上图,分平衡和不平衡输出。平衡输出部分为了提高输出电平用三个反相器构成桥式驱动,但是这样由于U2B和U2C不可能在同一时刻同时翻转,举个例子,当一个门正由高电平往低电平翻转时,另一个还没开始由低电平向高电平翻转而保持原来的低电平造成此刻输出电平不正常,可能会使抖动增加。平衡方式经过1:1脉冲变压器耦合输出,可以使正负两个信号电平更对称平衡,阻抗为110欧姆,直接在变压器原边串如110欧电阻进行匹配。多余的反相器要使其输入端接地,输出端悬空,以防输入端感应一些干扰波而使输出端乱跳变并扰乱其它反相器的工作。

        同轴输出部分不是直接串接一个75欧电阻进行阻抗匹配,而是用一个210欧电阻和一个110欧电阻,进行分压后输出。这个两个电阻相对于同轴那端是并联状态,其并联值刚好是75欧姆左右(210Ω||110Ω=75Ω),这里把门电路的交流输出阻抗视为0(其实不等于0但阻抗很小可以视为0)。在反相器为TTL输出电平的情况下,经过分压之后,得到的输出信号幅度约为1Vpp,在同轴线的另一端,并接一个75欧匹配电阻时,刚好得到0.5Vpp的标准电平。为避免有直流电平传输到下一个设备,应该用一个0.1uF的陶瓷电容进行隔直耦合,当然也可以用脉冲变压器耦合输出。有些发烧友用那种大体积的发烧电容做这个耦合电容,我感觉这个不合适,这种电容一般只用于模拟音频,而数字音频由于频率很高,其更高频率的谐波很丰富,使得发烧电容真可能会“发烧”起来,而且由于寄生电感和损耗的明显存在,可能会降低数字信号的传输质量。在这里就用一个高频信号专用的陶瓷电容就好了,比较好一点的就用NP0材质的电容,相对于发烧音响电容价格都是非常便宜的。

数字音频S/PDIF格式的传输

        如上图所示,实测反相器输出的信号为4.363Vpp,同轴端不接负载的时候R1和R2分压之后刚好有1.5Vpp左右。当通过75欧同轴线接入负载后R2两端电压为:

数字音频S/PDIF格式的传输

        于是到达负载R3端的电压就为同轴的特性阻抗和阻抗匹配负载R3对1.00V输入电压的分压:

数字音频S/PDIF格式的传输

        这跟示波器在实际电路中测得的值是完全一致的。

        对于同轴传输的SPDIF信号的接收,很多人喜欢在接收端在接一个门电路进行信号放大和整形。但是就我个人的实践经验来讲,这种方式可能不可取。因为输入的SPDIF信号电平就仅有0.5Vpp值,大部分的门电路的由低电平跳变到高电平的阀值都可能高于0.5V,所以对于如低的信号电平,门电路可能无法判别电平的跳变而无输出,或输出的是些锯齿状的杂波。有人把反相器的输入和输出端通过一个电阻连起来构成负反馈,但是这种方式会使输出端有一些高达100MHz左右的电平很低但可以测出来的振荡波,另外有些这样的电路也无法对这样低电平的输入信号起到放大作用。所以我认为还不如直接把信号交给接收IC来处理,其实接收IC里面都有完善的放大整形电路,完全有足够的能力接收并处理好这样的弱电平信号。安插一个门电路构成放大和整形,我认为是多余的,并且是有对音质有害的。如果真需要加一个这样的电路,我认为还是用高速比较器如LMV7219构成放大整形电路可能会有更好的效果。

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