数字音频电缆VS模拟音频电缆

学而 18天前 17

数字音频电缆Vs模拟音频电缆[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]作者:南京龙北科技有限公司 周斌

【前言】
媒体全面数字化的今天,黑胶唱片竟能逆潮流而动重新焕发青春,说明了模拟音频依然具有强大的存在价值。众多HIFI音乐爱好者依然更加偏爱传统的模拟音频设备和线材,当然情怀是一回事,科学是一回事,代表新技术的数字音频电缆能对HIFI模拟音频有所帮助吗?发烧友们犹疑的特性阻抗等对原始自然的模拟音频信号再现会产生什么不好的影响吗?
【关键词】
1.特性阻抗 2.回波损耗 3.电缆电容负载 4.阻抗失配 5.HIFI模拟音频 6.透明化传输 7.电缆保护
模拟音频信号带宽20Hz-20kHz,是典型的低频信号。一个典型的模拟音频系统使用低阻-高阻的传输匹配方式,接收端输入阻抗要求是信号源输出阻抗的5-20倍,按照欧姆定律,信号源输出电压的83%-95%将被接收端有效接收,其余被信号源内阻和音频电缆直流电阻分压,这是容易理解的。和数字系统和高频系统不同,这种匹配方式由于信号频率极低,不会出现信号反射和驻波,模拟信号在接收端和信号源端是完全的线性关系。
数字或高频传输系统中,由于信号频率高达数兆Hz或以上,电缆的各类分布参数开始有效,特性阻抗中容抗和感抗显性增加并和频率正相关。低阻-高阻匹配方式已经完全不能适用,而必须是源端、传输电缆、连接器和接收端阻抗连续且等值,无论是50欧、75欧,或者110欧等其他阻抗系统,都要求必须等值。
高频和数字系统中,阻抗不等值被称为阻抗失配,阻抗失配带来的结果是信号传输过程中,遇到阻抗失配点时会往回走,这被称为回波。回波和正向信号波形产生不可预知的叠加,从而改变原始信号的真实波形,这个结果用回波损耗RL进行评估,RL超过一定上限意味着传输结果的恶化。
  对数字信号来说,高电平代表数字1,但可能因为波形反相叠加后幅度低于低电平门限,从而被解码判断为0,误码产生了,反之亦然,低电平有可能被判断为高电平。因此,数字系统和高频系统阻抗匹配极为重要,在长距离传输时由于电缆导致的信号幅度衰减,轻微的回波可能就会影响到这种判别。
数字信号对电缆提出了第二个高的要求是电缆自身的分布电容。电缆的分布电容是有害的,两个导体在空间平行分布的时候就天然成了电容,可以想见在现实电缆生产工艺条件下,分布电容不可避免。系统上,信号源通过电缆进行传输,电缆的电容成了输出端实际上的负载,并且这个电容负载还和传输电缆的长度成正比。
过大的电容负载带来三个方面的危害:
1.使信号输出电路稳定性变差,极端情况下,由于容性负载对信号带来的相位移动,极端严重的情况下,使得一个负反馈电路中,反馈信号的相位反转180°,负反馈变成正反馈,电路出现自激而变得无法正常工作;
2.容性负载带来了输出电路大电流供应能力要求,按照信号传递的要求,电容必须跟随信号极性变化完成充放电才能正确完成信号的完整传输,充放电要求信号源端提供足够的电流供应能力,这种情况下,信号源设备的输出芯片必须是大电流输出的运放或其他输出电路形式,典型值需要达到±50mA以上;
3.限制了高速信号通过的能力。电容充放电速度必须跟得上信号波形的变化速度。这主要看电容充电的上升时间和电容放电的下降时间,阻值一定时电容值越大,上升时间和下降时间越大,如果跟不上信号的快速变化,实际上意味着某些信号的细节丢失,对数字信号来说,过大的上升和下降时间,意味着陡峭的方波变成了弧形缓变,一旦在解码读取的时间点,一个高电平由于缓慢上升未达到高电平判别门限,则被判别为低电平,这是误码产生的另一个机制。
下表对比较了几种经典音频电缆的电容值,和电缆长度成正比,一个重要参考数据是,通用运放芯片如NE5534的容性负载上限一般是100pF,专用电缆驱动芯片如DRV134的容性负载可以达到1uF(1uF=106pF)。另外我们“别有用心”列出了导体绝缘材料的不同,这里面隐藏了电缆性能的另一个密码,可以引发一个“导体Vs绝缘材料”的技术讨论。
上面的分析说明了,数字电缆有着更高的技术要求:频率相关的准确而稳定的特性阻抗、尽可能小的电容以及高频损耗,尽管模拟电缆并无这些要求,但我们回过头看波形完整性时,可以得出一个重要结论:
数字电缆可以优先用于模拟信号传输并且能获得模拟电缆无法提供的优越性能。更高的传输速率、更低的电缆电容、更稳定的电缆结构,数字音频电缆比起模拟音频电缆而言,信号传输都将变得更加“透明”,这也正是HIFI高保真音频的原始追求。BELDEN官方技术文档中、美国JENSEN音频变压器官方的文档中,其实对此都有明确说明。
现实工作中,我们只碰到一种例外情况,某日本品牌的数字音频电缆用于模拟话筒信号传输时,任何意外的电缆机械振动都产生了和话筒信号幅度相当的mV级振动噪声,这是不可接受的,日方技术人员在现场检测后给出的结论是这款数字音频电缆的线间间隙过大,带来了线间电容的不稳定,电缆的振动使得电容发生改变产生了电容话筒效应,解释合理,但这个产品缺陷的特例,不应作为拒绝数字电缆优先用于模拟信号传输的理由。我们以此反观欧美很多音频电缆工艺,终于可以看明白很多可贵细节及其对总体性能的重要性。
数字音视频电缆的特性阻抗从心理层面上对音乐爱好者产生困扰,这是长期而广泛存在的现象。
前面说到模拟音频系统的电压匹配模式,电缆的特性阻抗在20-20kHz的音频频率范围内是不显见的(电容相关的容抗值极小到可以忽略不计),而传统的模拟音频电缆在数兆Hz频段应用下也会表现出40-70Ω的特性阻抗,了解这一点非常重要。既然数字电缆的特性阻抗对模拟系统不起作用,因此不必担心数字电缆对模拟音频系统有任何不良改变,相反我们可以更关注数字电缆的高速率和低电容给模拟信号带来的积极意义。
数字音频系统的特性阻抗要求是不能忽略的。包括电缆组件的连接器同样需要等值匹配,这些都满足的情况下,在实际应用中我们最后需要关注阻抗漂移问题或现象,并尽量加以避免,这样我们就获得一个完整的数字传输系统了。
电缆的特性阻抗是个物理参数,由各导体直径、导体之间的间距等物理参数决定,并和工作频率相关,在不同频率下,特性阻抗是个变量。和直流电阻不同,特性阻抗和电缆长度无关,更简单说,电缆的受力变形改变了导体间距或形状,在特定频段内的特性阻抗将随之改变,被称为阻抗漂移。
在一个原本阻抗匹配的传输系统中,这种漂移使得阻抗失配,对应的回波开始出现或加重、误码开始出现、传输的有效性下降、极限可传输距离打折,在一个长距离数字信号传输系统中,或者要求极高的主观音质评价系统中,阻抗漂移带来的后果是不可接受的。
避免阻抗漂移,BELDEN给出10点建议。
1.请勿踩踏电缆。
2.请勿将设备放置于在电缆上。
3.不要扭结电缆。
4.布线时应缓慢而稳定地拉拽电缆。
5.不要超过电缆的最大允许拉力。
6.不要超过电缆的最小弯曲半径:电缆直径的10倍。
7.不要把电缆绑得太紧。如果你不能移动任何电缆,说明电缆绑扎过紧了。
8.不要在相同的距离放置电缆扎带或J钩。这可能导致在给定波长下的形变,从而导致回波损耗。在随机距离放置电缆系带。
9.电缆应由电缆托盘、J形钩等支撑,以消除电缆的重力。电缆水平下陷应小于8英寸。
10.如果电缆被拉进导管,应使用与电缆护套材料兼容的抗摩擦润滑剂以减小拉力和摩擦力。
至此,我们讨论了数字电缆的技术特点和电气性能,自然得出优选的结论,但考虑数字电缆出于提升和保证高频特性及稳定性的需要,电缆的手感总体会偏硬,部分同轴电缆的硬度甚至造成布线困难,而柔性设计的数字电缆价格会非常昂贵,传统模拟电缆柔软舒适的手感优点还是非常特出,价格相对便宜,依然有着广泛的需求。
最后再次强调,无论数字电缆还是模拟电缆,尽一切可能保持电缆的原始物理形状!我们也应该放下内心对数字电缆的芥蒂,借助数字电缆的高性能,让我们的传输环节更加透明化,更好地欣赏音乐本身。
欢迎继续关注BINGE音频技术公众号!您也可以根据自己的兴趣或疑问给我们约稿,我们会尽可能在公众号给以用心论述,谢谢您的支持!

最新回复 (40)
  • tszhiying 18天前
    引用 2
    貌似很科学,学习了
  • neverwinter 18天前
    引用 3
    难得有个技术贴,支持一下
  • 两厢爱好者 18天前
    引用 4
    学习支持
  • 湖中骑士 18天前
    引用 5
    之前翻译过一篇日本mogami对信号线材的设计理念和看法,有机会搬到大家谈来讨论一下吧,他们的rca旗舰线线间电容不低,虽然也是特征阻抗50ohm可以做数字线的。
  • 姚鹏 18天前
    引用 6
    学习了
  • firsttide 18天前
    引用 7
    看文中分析,似乎应补充一条建议:数据线宜短不宜长
  • 0909tao 18天前
    引用 8
    那根据上述条件,是不是高品质的7类或8类网线可以抽出对绞线来,做信号线。最贵的8类线也就十几块钱一米,还可以抽四对出来。
  • 音乐之贼 17天前
    引用 9
    https://positive-feedback.com/audio-discourse/why-usb-cables-can-make-a-difference/  外网某论坛
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 10
    firsttide 发表于 2020-9-13 10:52
    看文中分析,似乎应补充一条建议:数据线宜短不宜长
    对的,文中说到电容和电缆长度成正比,电缆越短电容越小,对波形完整性越有利,可以再点明一下更好。
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 11
    0909tao 发表于 2020-9-13 11:44
    那根据上述条件,是不是高品质的7类或8类网线可以抽出对绞线来,做信号线。最贵的8类线也就十几块钱一米, ...
    是可以的,高性能网线线对绞合紧密而稳定,电容值较小,BELDEN的高端网线用粘连线对,特性阻抗非常稳定,电缆弯曲不会导致线对开绞,网线特性阻抗100欧±10欧,在AES/EBU特性阻抗允许误差范围内,用于数字平衡音频完全可以,用于模拟音频也是可以获得专业性能的,发烧友不一定能完全接收。但个人值得尝试。
  • 0909tao 17天前
    引用 12
    BINGE-ZH 发表于 2020-9-13 13:09
    是可以的,高性能网线线对绞合紧密而稳定,电容值较小,BELDEN的高端网线用粘连线对,特性阻抗非常稳定, ...
    有机会diy的时候试试,做机内线应该不错。
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 13
    0909tao 发表于 2020-9-13 17:36
    有机会diy的时候试试,做机内线应该不错。
    建议保持外护套,不是单独拉出其中一对,保持线对稳定不开绞,最好网线带屏蔽
  • 0909tao 17天前
    引用 14
    感谢大佬指导
  • agnostic 17天前
    引用 15
    多少传输距离会产生可闻影响很重要,家庭环境毫无意义
  • flying3d 17天前
    引用 16
    网线绞合的越紧密,理论上线间电容会更大,更加紧响信号传输
  • 楼主 学而 17天前
    引用 17
    南京龙北科技有限公司的周斌先生(大家坛ID:BINGE-ZU)是我的朋友,他大学毕业后入职省级电视台从事专业音频、录音和卫星转播车工作已二十多年,是广电专业音频高级工程师。当我在微信上看到他发给我的这篇关于音频方面图文并茂,营养丰富的纯技术文章,作为老坛友,我觉得不能独享,有必要在此分享,以供坛友们参考。顺祝南京龙北科技有限公司兴旺发达!期盼BINGE-ZU发布更多的专业技术帖惠及我们坛友。谢谢!
  • stormywolf 17天前
    引用 18
    难得见到有人认真发帖谈正经技术。真是不容易。
    前面列的几点都很好,但还差一条很重要而且最容易感知的:电缆的屏蔽。
    这个比回波对可闻声的影响大太多了。
  • 早春二月 17天前
    引用 19
    难得见到有人认真发帖谈正经技术。真是不容易
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 20
    stormywolf 发表于 2020-9-13 19:31
    难得见到有人认真发帖谈正经技术。真是不容易。
    前面列的几点都很好,但还差一条很重 ...
    说的是,本文着重解释很多发烧友对数字音频电缆用于传输模拟音频的疑惑,屏蔽对信号传输极其重要,这个要求对数字信号和模拟信号传输要求其实差别不大,数字音频因为存在高频屏蔽的需要,一般除了编织网屏蔽外,还要家一层铝箔屏蔽高频电磁波,后面的帖子可能会对不同屏蔽方式做点对比介绍,谢谢您的关注!
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 21
    学而 发表于 2020-9-13 18:47
    南京龙北科技有限公司的周斌先生(大家坛ID:BINGE-ZU)是我的朋友,他大学毕业后入职省级电视台从事专业音 ...
    谢谢郑老师推荐我的文章,以及引导我来到论坛,过去通过我的线材淘宝店接触了非常多的退烧友,聊了很多音频专业技术,加上女儿建议我把这些经验通过公众号分享出去,或许能增加我们的技术粉,觉得不错,欣然答应她力争月更,郑老师是老前辈,对技术追求的热情令我感动,他对此抱有期待对我也是很大的推动,谢谢您!
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 22
    flying3d 发表于 2020-9-13 18:34
    网线绞合的越紧密,理论上线间电容会更大,更加紧响信号传输
    对的,理论上电容值和导体间距成反比,这里说的紧密是指工艺要求,导体确定了,绝缘材料和厚度确定的情况下,理论电容最大值就确定了,文中提到,相比电容值大小,电容的不稳定危害更大并有实例举证,我们演播室遇到并参与了问题分析,所以感受颇深,电容的不稳定来自线间自由间隙,这是电缆工艺细节,您可以留意一下好的线材都是包裹严密,不留自由间隙的,芯线很难随意抽动。
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 23
    早春二月 发表于 2020-9-13 19:48
    难得见到有人认真发帖谈正经技术。真是不容易
    楼主是位老前辈,我自己严格来说不算发烧友,但接触不少,大家喜欢的话,我很乐意把自己有限经验在这里分享
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 24
    agnostic 发表于 2020-9-13 18:29
    多少传输距离会产生可闻影响很重要,家庭环境毫无意义
    是的,我们专业系统常常涉及夸系统长距离传输,这种场合价值明显,家用还是可以各取所需,这里只是做个概念讨论
  • 引用 25
    BINGE-ZH 发表于 2020-9-13 20:26
    是的,我们专业系统常常涉及夸系统长距离传输,这种场合价值明显,家用还是可以各取所需,这里只是做个概 ...
    我昨天用号称7类的数字电缆自己编织了两条音箱线。解析力好,高频亮,但不耐听。
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 26
    笑看風起雲湧 发表于 2020-9-14 08:29
    我昨天用号称7类的数字电缆自己编织了两条音箱线。解析力好,高频亮,但不耐听。
    嗨,实验结果还是正面的,但做音箱线肯定不合适,网线太细了,喇叭阻抗太小,线阻和负载相比不是可以忽略的关系。解析力提高声音变亮,说明高频响应改善,不耐听可能和心理惯性有关,客观上也可能和高频响应提高后电路上高频失真尤其是奇次谐波成分增加有关
  • 引用 27
    BINGE-ZH 发表于 2020-9-14 09:35
    嗨,实验结果还是正面的,但做音箱线肯定不合适,网线太细了,喇叭阻抗太小,线阻和负载相比不是可以忽略 ...
    我用很多股编织成的

  • BINGE-ZH 17天前
    引用 28
    哇塞,这个太厉害了
  • 引用 29
    BINGE-ZH 发表于 2020-9-14 10:41
    哇塞,这个太厉害了
    如果嫌不够通透的系统用这种线材有很好的效果,应该不太适合我的钴磁书架音箱,我喜欢听老箱,换了这种线原来的味道整没了。搭配问题,我不是说这种线不行
  • 引用 30
    BINGE-ZH 发表于 2020-9-14 10:41
    哇塞,这个太厉害了
    不过我没有加你提到的屏蔽层,加上有大的改观也难说哦!过两天试试看。
  • joseph.tt 17天前
    引用 31
    0909tao 发表于 2020-9-13 17:36
    有机会diy的时候试试,做机内线应该不错。
    数字音频线,阻抗匹配是根本
    机内音频信号线,多股纯银线加屏蔽,尽可能短
  • joseph.tt 17天前
    引用 32
    笑看風起雲湧 发表于 2020-9-14 10:33
    我用很多股编织成的
    喇叭线?
  • BINGE-ZH 17天前
    引用 33
    笑看風起雲湧 发表于 2020-9-14 10:54
    不过我没有加你提到的屏蔽层,加上有大的改观也难说哦!过两天试试看。
    音箱线加屏蔽是为了降低对外电磁辐射,自身电磁场足够强大了,只有干扰别人的份
  • 引用 34
    joseph.tt 发表于 2020-9-14 11:29
    喇叭线?
    是啊,喇叭线。没事干用七类线自己编织了几米。国外早有人试过,我验证一下罢了。
  • 引用 35
    BINGE-ZH 发表于 2020-9-14 11:32
    音箱线加屏蔽是为了降低对外电磁辐射,自身电磁场足够强大了,只有干扰别人的份
    哈哈,我以前没试过数字信号线当喇叭线,自己纯属瞎搞。起码,从中得到一些乐趣和经验。打算拆了做成功放输入的平衡线再试。
  • BINGE-ZH 16天前
    引用 36
    笑看風起雲湧 发表于 2020-9-14 11:48
    哈哈,我以前没试过数字信号线当喇叭线,自己纯属瞎搞。起码,从中得到一些乐趣和经验。打算拆了做成功放 ...
    同意!起码实验的方向是正确的,不断验证和改进,认识水平和乐趣都会有所收货
  • joseph.tt 16天前
    引用 37
    笑看風起雲湧 发表于 2020-9-14 11:45
    是啊,喇叭线。没事干用七类线自己编织了几米。国外早有人试过,我验证一下罢了。
    听起来,什么感觉?
  • BINGE-ZH 16天前
    引用 38
    笑看風起雲湧 发表于 2020-9-14 11:48
    哈哈,我以前没试过数字信号线当喇叭线,自己纯属瞎搞。起码,从中得到一些乐趣和经验。打算拆了做成功放 ...
    做信号线要用铝箔胶带或铜箔胶带裹紧信号线对,不要留线间自由间隙
  • 引用 39
    joseph.tt 发表于 2020-9-14 12:28
    听起来,什么感觉?
    解析力好,嫌高频过亮。音乐味少了点偏向监听。
  • 引用 40
    BINGE-ZH 发表于 2020-9-14 12:42
    做信号线要用铝箔胶带或铜箔胶带裹紧信号线对,不要留线间自由间隙
    试试看,反正线买回来就是为了折腾。我会试验解码器平衡线输出和数字转盘的aes输出。看看哪一种更合适,线实在太便宜了随便玩呗!
  • BINGE-ZH 16天前
    引用 41
    1uF=106pF,这里6应该是6次方哈,可能是帖子文本不支持上标,特此更正
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