【摘要】音频设备互连看似简单,实则不然。搭建音频系统要接口电平含义,本文从概念入手,系统地说明了专业设备于民用设备接口电平的区别,说明了平衡传输的优点。
一. 分贝后缀的含义
在电声专业中,经常使用“分贝”来表示电平,用字母dB表示。分贝本身只是一个比值,并不含量纲,如3dB比5dB小2dB,5dB比-5dB大10dB。但是,当给dB加上后缀就不同了,如dBV,dBm,dBu,dB FS等。
dBV是开路负载电压概念,多见于话筒厂商使用,0dBV表示源电压有效值为1000mV。近年来,dBV也成了民用消费类电子产品表示电平的方法。民用消费类电子产品的音频接口电平为-10dBV,其电压有效值为316mV。有些廉价的所谓专业设备也有使用dBV的情况,这些设备接口一般采用非平衡输入输出电路,接口形式大多为RCA(俗称“莲花座”)。
dBm是过去专业电声设备沿用了几十年的电平表示方法。由于那时受电子技术的限制,电声设备之间采用“配接”法,他遵守的是功率匹配原理,即输出接口的源阻抗等于输入接口的负载阻抗,负载阻抗的数值统一定为600Ω。因为只有阻抗匹配,使备才能获得最大能量,图1显示的是典型的配接框图。接口电平以1Mw单频正弦波信号消耗在600Ω电阻上产生的电压降为源电压,定为0dBm,即0dBm=775mV(有效值)。这类设备输入输出端均采用平衡式接法,以减少电磁干扰。接口形式大多为XLR(俗称卡侬座)。应该说,只要出现dBm就意味着设备采用配接法。现在,除信号长距离传输等特殊场和外,这种接口形式已不多见了。
dBμ是现在专业电声设备的电平表示方法。电声设备之间采用“跨接”法,他遵守电压匹配的原理,采用接近于零的源阻抗和接近无限大的负载阻抗,在这种理想化的开路负载条件下,源不会使负载损耗任何可测量的功率,而且开路负载的源电压不会受负载的影响。为了与过去的设备和标准兼容,输出接口的源阻抗应小于120Ω,出于应用的目的,dBμ的概念要求源阻抗小于等于50Ω,而输入接口的负载阻抗应该大于等于10kΩ。由于采用电压匹配,使得一个设备带多个设备成为可能,也使得系统的频率响应和瞬态响应的到了改善。图2是典型的跨接框图。dBμ就是这种接口电平常用的表示方法。dBμ沿用了dBm源电压值,即0dBμ=775mV(有效值),而对输入输出阻抗不作规定。根据dBμ的要求,现在的输出电路多采用专业运算放大器来实现。这类设备输入输出端也采用平衡式接法,接口形式也为XLR。
dB FS表示的是数字音频信号的相对峰值电平,FS(Full Scale)意为“满度”。0dB FS为数字音频信号最高峰值的绝对值,与16比特线性编码PCM信号对应的最高正峰值为7FFF(16进制),最高负值电平为8000(16进制)。dB FS只表示信号幅度,与接口没有关系。
二. 参考电平与校准
专业电声设备模拟信号接口的参考电平也称为校准电平,目前,世界上大部分国家使用的专业电声设备和系统的互联参考电平为+4dB怠?参考电平使用的标准测量信号是1kHz,电压有效值为1228mV的单频正弦波信号,即:
参考电平=20log1228/775≈+4dB怠?正弦波的峰值电压是有效电压的1.414倍,则:
+4dBμ的峰值电压=1228mV×1.414=1737mV。
参考电平的有效值电压可以用毫伏表测得,峰值电压可以通过峰值电平表或示波器测得。
很多设备,如调音台等都有电平表,也叫VU(Volume Unit)表。VU表按人的听觉特性以对数形式标注刻度,读数范围为-20至+3VU。由于VU表采用平均值检波器检波,而参考电平又是用有效值计量,所以,VU表指示的是信号电平有效值相对于参考电平差的近似值,也就是说,采用有效值1.228V,1kHz单频正弦波标准测量信号(+4dB担┬W际保琕U表应指示0VU,也称0dB,只有这时,VU表的指示才是准确的,偏离0VU,VU表将产生小于1dB的误差。我们广电行业要求以0dB校准就是基于这个道理。
也有的设备采用峰值节目表,也叫PPM(Peak Program Meter)表。现在,德国工业标准DIN45406已成为事实上的国际标准,参照这个标准校准时,采用1kHz标准测量信号,当设备指示0VU时,调整PPM表指示在 -8dB。也就是说,0VU=0dB=+4dB?1228mV(有效值)=1737mV(峰值)=-8dB(PPM表刻度)。
电声设备数字信号接口与声音信号电平不存在互连参考电平的问题,但是,在设备内部进行A/D,D/A转换时需要一个转换电平标准,目前,这个标准数字码还没有一个国际标准,常见的是SMPTE(美国电影电视工程师学会)和EBU(欧洲广播联盟)推荐的两个方案。
SMPTE推荐的转换基准是这样规定的:对于16比特PCM声音信号,频率为1kHz的模拟正弦波信号的正、负峰值使A/D转换器分别产生0CCD、F333数字码时的幅度为参考电平。0CCD、F333对应的十进制数为3277。0dB FS为数字音频信号最高峰值的绝对值,与16比特线性编码PCM信号对应的最高正、负峰值为7FFF、8000,十进制数为32767。20log3277/32767≈-20dB FS。也就是说,SMPTE推荐的参考电平为-20dB FS。
EBU推荐的转换基准规定与SMPTE类似:对于16比特PCM声音信号,频率为1kHz的模拟正弦波信号的正、负峰值使A/D转换器分别产生0FFF、F000数字码时的幅度为参考电平。0FFF、F000对应的十进制数为4095,20log4095/32767≈-18dB FS。Sony、松下等公司生产的录像机就是按EBU推荐的转换基准校准的。
为了便于掌握和比较参考电平及动态范围,将用1kHz标准信号校准时的相关参数列于表1。