出处：Audio Engineering Society
作者： Stephen H. Lampen & David A. DeSmidt
编译：易科国际 金爷爷
摘要
在模拟音频信号电缆和数字音频信号电缆之间的一个主要区别是线缆的阻抗。
1.为什么线缆阻抗对于数字音频信号传输来说非常重要，而对模拟音频信号传输的重要性相对较低？
2.当线缆阻抗发生变化或阻抗不匹配时会对数字音频信号传输产生什么影响？
3.能不能使用超五类或六类电脑线缆传输数字音频信号？
4. 能不能使用同轴线缆传输数字音频信号？
▲▲▲本文将会针对这些问题进行讨论，并且会对数字音频线缆的设计限制进行描述。
很多固定安装音频系统都在进行模拟系统转向数字系统的过程。这个变化要求音频行业的从业者对模拟设备和数字设备、模拟信号电缆和数字信号电缆之间的区别有一个正确的了解。有一部分人认为模拟信号电缆可以被应用于数字音频系统，事实上这种猜测只在信号传输距离很短的时候成立。
使用模拟信号电缆传输数字音频信号
图 1至3中显示了使用模拟信号电缆传输48kHz采样率的AES数字音频信号时的情况。在这些示例当中，所有线缆的规格均为22 AWG。此外，我们可以看到阻抗在模拟音频信号传输和数字音频信号传输当中都会对信号传输质量产生影响。
图1--50ft
图2--100ft
图3--300ft
我们使用的第一款线缆是Belden 8451，这是一款用于模拟音频信号传输的线缆。在频率较低的部分，线缆的阻抗随频率变化而变化；而对频率较高的信号来说，例如AES数字音频信号，8451的阻抗大约是40Ω。
我们使用的另一款线缆是Belden 1696A，这是一款用于数字音频信号传输的线缆，对于数字音频信号的阻抗是110Ω。这两款线缆之间的电容率差异则更加明显，8451为34 pF/ft，而1696A为13 pF/ft。
从示例当中我们可以看到，随着传输距离的增加，模拟音频线缆传输数字比特流的能力严重下降。当传输距离打到300 ft时，模拟音频线缆的信号质量已经下降至不可用的程度，甚至数字音频线缆也出现了信号质量劣化的现象。
信号宽带
模拟信号和数字信号之间最主要的差别是信号的频率或“带宽”。一般来说，模拟信号占用的带宽为20Hz至20kHz，而数字信号的带宽根据采样率决定。
数字音频信号的采样率可以高达192kHz。AES格式的数字音频信号带宽由128倍采样率决定，或者说带宽占用上限是24.756MHz。由此可见，数字信号所需的带宽远高于模拟信号。下表列出了不同采样率的AES数字信号所需的带宽。
采样率 |
带宽 |
32 kHz |
4.096 MHz |
38 kHz |
4.864 MHz |
44.1 kHz |
5.6448 MHz |
48 kHz |
6.144 MHz |
96 kHz |
12.288 MHz |
192 kHz |
24.576 MHz |
【表 一】
当信号带宽达到25 MHz时，很多在传输模拟信号时不会产生明显影响的参数开始变得非常重要了。其中，最重要的一个参数是阻抗。实际上，Figure 1至3当中两种线缆的性能表现差异主要原因在于阻抗不匹配，并由此产生信号反射，也被称为“回波损耗”。
波长
音频信号在线缆中传输的特性可以用任意特定频率的波长来进行特征描述。当信号电缆的长度超过音频信号1/4波长时，信号电缆的阻抗就非常重要了。下表列出了多个模拟和数字信号在各频率的波长和1/4波长。
频率 |
波长 |
1/4波长 |
20 Hz |
9,320 miles |
2,330 miles |
1000 Hz |
186.3 miles |
46.58 miles |
10 kHz |
18.64 miles |
4.66 miles |
20 kHz |
9.32 miles |
2.33 miles |
50 kHz |
3.73 miles |
4920 ft |
100 kHz |
9840 ft |
2460 ft |
500 kHz |
1968 ft |
492 ft |
1 MHz |
984 ft |
246 ft |
4 MHz |
246 ft |
61.5 ft |
5 MHz |
196.8 ft |
49.2 ft |
6 MHz |
164 ft |
41 ft |
12 MHz |
82 ft |
21 ft |
25 MHz |
39 ft |
9.84 ft |
【表 二】
1个20 kHz的信号1/4波长超过2 miles，通常情况下我们不会使用这么长的模拟音频线缆来传输信号。而1个25 MHz的信号1/4波长小于10 ft，很多情况下数字音频线缆的长度都会大于这个数值。
我们可以得出的结论是，阻抗对于模拟音频线缆来说并不十分重要，而对于数字音频线缆来说则非常重要。因此，了解数字音频信号传输所需的阻抗并与之匹配就非常重要了。
▼▼▼如同图4中所示，线缆的阻抗对于模拟音频信号来说不是一个恒定值。从图中我们可以看到，在低于1 MHz的频段阻抗开始提升。因此，对低于1 MHz的任何频率来说，信号电缆对于该特定频率都有一个相应阻抗数值，但这个数值会随着频率的变化而改变。
图4
理想阻抗
阻抗为150Ω时，双绞信号电缆的信号损失最小。但阻抗为150Ω的双绞信号电缆的物理尺寸会变得非常大，很难或不可能与大部分信号连接器配合使用（例如XLR）。110Ω阻抗标准是AES委员会在权衡各方面因素之后做出的选择，依据这个阻抗标准制造的信号电缆尽管会有轻微的信号损失，但线缆的物理尺寸更具实用性。
也就是说，信号电缆、音频设备的输入端和输出端都需要与110Ω这个阻抗标准匹配。如果使用了错误的信号电缆，那么阻抗不匹配会导致“回波损耗”，出现信号被反射回信号源输出端的现象。
在长距离传输时，即使是微小的阻抗变化也会降低信号强度。在使用模拟信号电缆时（阻抗通常为30-40Ω），信号的损耗程度（如图1、2和3中所示）会对信号传输距离产生严重的限制。
阻抗不匹配和回波损耗
下表列出了不同阻抗情况下的信号损耗程度。需要注意的是，“回波损耗”表示返回信号和反射信号的比值，负值越大表示线缆传输性能越好。
线缆阻抗 |
回波损耗 |
信号质量 |
30Ω |
-5 dB |
68% |
40Ω |
-7 dB |
80% |
50Ω |
-9 dB |
87% |
70Ω |
-13 dB |
95% |
75Ω |
-15 dB |
97% |
88Ω |
-19 dB |
99% |
95Ω |
-23 dB |
99.5% |
100Ω |
-26 dB |
99.8% |
120Ω |
-26 dB |
99.8% |
124Ω |
-25 dB |
99.7% |
132Ω |
-19 dB |
99% |
150Ω |
-16 dB |
97.5% |
【表 三】
表中列出的信号传输特性同样适用于音频设备的输入和输出阻抗。实际上，110Ω阻抗（±20%）已经作为AES标准出现在音频设备的性能参数表当中，并且也已经成为数字音频信号电缆的实际应用标准。
±20%的容差允许音频设备和信号电缆的实际阻抗在88Ω和132Ω之间浮动。因此，这两个数值也被加入到上面的阻抗匹配列表当中。此外，表3中还包括其他类型的数据信号电缆的阻抗数值，例如100Ω（Cat5/5e/6）、120Ω（RS-485）、95Ω和124Ω（屏蔽双线馈线）、150Ω（IBM Type 1/Type 2）。由于有些人会不使用阻抗匹配变压器或平衡变压器而直接将75Ω同轴线缆直接连接至110Ω输出端，因此表中也列出了75Ω阻抗时的信号传输质量。
业界曾经对是否收紧线缆和音频设备的阻抗容差进行过讨论。目前的情况是，大多数高品质的数字音频线缆的阻抗容差大约是±10%；而其他一些品质较低的数字音频线缆的阻抗容差即使满足±20%的标准要求，仍然很难在市场中生存。
网络电缆和数字音频
有一些线缆具备出色的阻抗容差能力，例如Cat 5、Cat 5e和Cat 6数据电缆。这些采用的线缆配对技术能够非常有效的保持信号电缆的阻抗特性。
在很多数字音频系统中，这些数据电缆也被用于传输数字音频信号。尽管它们的设计初衷是用于传输数据，并且通常是非屏蔽双绞线缆（UTP），这些信号电缆仍然被经常用于传输数字音频信号。
使用这些信号电缆的主要问题在于，AES明确要求在传输数字音频信号是需要使用屏蔽双绞电缆。标准的带屏蔽Cat 5电缆采用单一屏蔽设计，这个架构不能满足AES要求每一对信号电缆都必须拥有独立屏蔽层的要求。
在AES数字音频信号标准中并未针对串扰这项指标提出明确要求，在数字音频信号传输系统中的实际标准是-30 dB，远低于模拟音频信号传输所需的-90 dB。标准的Cat 5电缆在25 MHz频段的串扰指标高于-40 dB，而Cat 6电缆的串扰指标超过-50 dB。
AES标准中对“共模抑制比”（CMRR）提出的性能指标为30 dB。尽管CMRR指标通常与硬件设备相关，但信号电缆也是硬件设备中的一个组成部分。任何Cat电缆都能够轻松满足30 dB这一指标，当然所有带屏蔽的数字信号传输电缆也能够满足这项指标要求。
同轴电缆和数字音频
对系统设计师和工程师来说，传输数字音频信号的另一个选择是同轴电缆。关于同轴电缆应用的性能指标包含在AES3-id标准中。
75Ω视频信号电缆的阻抗容差性能比任何双绞信号电缆都要好，标准视频信号电缆的阻抗容差为±5Ω，高分辨率视频信号电缆的阻抗容差为不低于±3Ω。最好的双绞信号电缆的阻抗容差为±7Ω，同轴电缆在阻抗容差方面的优势非常明显。
由于具备出色的阻抗容差性能，同轴电缆能够实现更远距离的数字音频信号传输。使用75Ω同轴电缆需要系统中的所有设备都具备同轴输入和输出端口，或使用Figure 5所示的双绞电缆 – 同轴电缆转换器。使用转换器不但会增加系统造价，也可能成为影响信号质量和传输稳定性的因素。
图5
此外，同轴电缆的尺寸通常比双绞线电缆大，价格也较高。但从性能方面来说，同轴电缆的阻抗稳定性是最好的。
数字音频信号的分配
“拆分”数字音频信号会造成明显的阻抗不匹配，并且会造成信号损耗。下表列出了使用无源分配器时产生的阻抗不匹配情况。
2-Output |
3-Output |
4-Output |
-9.5 dB |
-6 dB |
-44 dB |
90% match |
75% match |
65% match |
【表 四】
表中列出的数据适用于同轴电缆和双绞线电缆传输。我们需要的是能够保持阻抗特性不变的信号分配器。图6所示为双绞线AES信号分配器，图7所示为同轴电缆AES信号分配器。
图6
图7
结论
数字音频系统的设计师和工程师在构建系统时在信号电缆方面有多种选择，信号电缆的选择可以参考阻抗和阻抗的稳定性进行。回波损耗等诸多测量数据可以在设计师选择合适的信号传输电缆时提供有效的帮助。
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