浅析音频系统原理及应用实践

陆鹏飞 江卫芳

（景德镇广播电视台技术中心，江西 景德镇 333000）

现代电视系统大致地说由视频和音频两大部分组成，从所占带宽方面来说音频占比不到10%，但有一句广告语说得好：没声音再好的戏也出不来。可见声音的重要性。本人在广电行业工作多年，遇到和解决过此类问题多次，下面就结合本人的实践工作谈谈对这方面的认识。

一、音频信号的基本单位及含义

要了解音频必须要先了解声音的基本单位：分贝（dB），在音频领域，我们经常可以看到单位有dBdBVdBudBFS,这么多的单位它们之间有何不同？让我们来一个一个看：

（一）dB基本单位，1924年，AT&T公司与欧洲“长距离电话国际委员会”决定统一电话音频传输中的损耗标准，标准只规定功率比例对应的指数，为方便计算，指数以10 为底，计算公式为：

其中P 为末端功率，P0 为原始功率，例如：原始功率为10W，经过放大后达到1000W，那么Lp=20，放大了20 分贝，注意分贝只是衡量比例大小的参数，是相对值。

（二）dBVV 是电压单位，由于音量和电压对等的关系，所以dBV 能很直观的反应出音量，标准规定1V=0 dBV，如果某设备输出的电压是4V，那么换算出来就是12 dBV

（三）dBu 这里就得先认识一个古老的设备：VU 表

VU 表是用来测量音量，防止音量超标的，它测量的是功率，起初VU表的0 代表0dBm：

由于当时电话行业的阻抗为600 欧姆，根据欧姆定律可以换算出0VU表对应的电压是：

于是：0dBu=0.775v

后来考虑到VU 表本身对电路的影响，修正为0VU=+4dBu ≈1.23V。

（四）dBFS 它出现得比较晚，是音频数字化后才有的单位，它表示的是能够数字化转换的动态范围，它和上述模拟音频单位的最大不同是它有最大值（0dBFS）但却没有最小值，我国广播电视行业关于数字音频设备满度电平的规定为：0dBFS 对应模拟信号的+24dBu，因模拟信号采用+4dBu 作为0VU，0VU 就对应于-20dBFS，那么超过0dBFS 会怎么样？-------直接削波！

二、模拟音频信号的传输方式

除了上述音频单位之外还有一个很重要的理论点就是音频的传输类型-----非平衡与平衡。

声波转变成电信号后，如果直接传送就是非平衡信号，如果把原始信号复制并反相（相位差为180 度），然后同时传送反相的信号和原始信号，就叫做平衡信号。

非平衡信号传输只需两个端子，即：信号端和接地端，采用同轴电缆传输，目的是抗干扰，常见的接口有RCA，BNC,TS 等。由于非平衡方式仅采用了电缆屏蔽层抗干扰，无法抑制共模干扰，所以连接线一般不能超过20 米。

三、数字化音频

在模拟系统中，声音的变化反应在电路中是信息变化规律直接反映在模拟信号的幅度、频率和相位的变化上，这种方式优点十分明显，那就是电路简单，电路中大多数是线性放大电路，而且没有延时问题，还具有精确的分辨率，在理想情况下，它具有无穷大的分辨率。它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。所以模拟音频信号的听感优异。但缺点也同样明显，放大电路功耗大，调试困难、易失真，抗干扰能力差等等。

随着电子工业的快速发展，特别是大规模集成电路的应用，数字音频技术应运而生，数字化音频是将前端拾取的模拟音频信号进行采样、保持、量化、编码等数字化处理，其中对音质影响较大的环节是采样和量化，采样可以简单地理解成从时间轴上对信号进行分割，采样环节的采样频率越高，那么输出的信号就越接近原始信号，目前无线电广播的采样率为22KHZ,音频CD 及电脑声卡一般采样44.1KHZ,数字电视高清数字电视则采样48KHZ 和96KZH 或更高。

量化则是从纵轴的信号幅度上对信号进行分割，并对电压信号幅度上连续取值的每一个样本转换为离散值表示。其量化过后的样本是用二进制表示的，此时可以理解为已经完成了模拟信号到二进制的转换。通常的精度有8bit，16bit，24bit，32bit 等，数位越高当然质量越好。

数字音频信号的抗材料本身干扰和环境干扰的能力比模拟信号强，即使因干扰信号的值超过阂值范围而出现了误码，只要采用一定的编码技术，也很容易将出错的信号检测出来并加以纠正因此，与模拟信号相比，数字信号在传输过程中具有更高的抗干扰能力，更远的传输距离，且失真幅度小,更重要的是其在多代复制后，不会有失真的问题。

四、常用音频接口类型及定义

（一）卡农接口（XLR）

卡农常见于各类专业设备中，在音频领域的实际应用中常用来连接麦克风以及设备间的信号传输，由于它有三个端子，所以一般作为平衡信号的传输。其中1针脚为接地端，2为信号正极（热端），3为信号负极（冷端）。当其作为麦克风接口时，接口信号电平一般是－60dBu 当其作为线路LINE连接时，接口信号电平一般为+4dBu.

（二）莲花接口（RCA)

莲花接口广泛应用于各类专业及民用设备中，既可以用于传输音频信号也可以传输视频信号，当作为音频接口时，传输的是非平衡信号，接口的芯线为信号正极（热端），外壳为信号接地，接口信号电平一般为-10dBV。

（三）6.35 大三芯/大二芯接口（TRS/TS）

此种接口常见于调音台或功放等音频设备中，其中大二芯为非平衡接口，前面端部为信号正极，外壳为信号接地，一般用于话筒及音频线路的连接，大三芯一般用于平衡音频信号或立体声耳机的连接。接头分为三节，前面端部为信号正极（热端）或立体声的左声道，中间的环状为信号负极（冷端）或立体声的右声道，外壳为信号接地。

值得注意的是：接口的类型和信号之间没有必然确定的关系，例如：卡农接口可以传输LINE 线路信号，也可以传输麦克风MIC 信号，大三芯接口可以传输平衡的音频线路信号，但作为立体声耳机接口时，它传输的就是两路非平衡信号。

五、不同类型接口的转换连接定义

在实际应用中，不同接口间的线路连接转换十分常见，而这也是最容易出问题的环节，特别是平衡接口和非平衡接口互连，更是线路连接的故障高发地带，下面简单介绍一下这方面的接线方法（见下表）

由于现在的设备输出端基本都采用低阻抗输出模式，所以在进行设备连接时无需再考虑阻抗匹配的问题。

有一种特殊情况就是当设备的输出端采用变压器耦合平衡输出方式（老式设备会采用），而输入端采用非平衡方式时，应该把输出端的冷端（信号负极）和接地端连接在一起。

六、实际应用中常见故障及解决

在了解了音频的基本理论和具体连接应用方法后，对日常遇到的故障现象就能分析其原因，找出解决方法。

下面列举几种常见的问题及解决方法

（一）交流声干扰

这种现象常见于非平衡式传输连接，原因一般是连接线过长；信号线与电源线并行引起干扰；接口的屏蔽端接触不良等等，音频信号线在铺设中应避免长距离与强电线路并行，屏蔽层应与设备的外壳可靠连接。

（二）莲花输出直接连线到卡农输入时，声音偏小

这是由于莲花接口的信号电平一般是-10dBV 而卡农接口的信号电平是+4dBu两者相差约12dB，输入信号幅度远低于卡农接口要求，所以声音偏小，正确的连接方式是通过有源的平衡---非平衡转换放大器来进行连接。

（三）连接到卡农接口的信号过大，严重失真

卡农接口既可以连接平衡式音频线路信号（LINE），也常用来连接话筒(MIC)，在设备中他们通常共用同一个接口，并在信号通道中设置放大器转换开关，使用时应根据所接信号类型正确设置开关，出现上述情况一般是由于信号来源是(LINE),而开关位置错误地设置为MIC 状态，引起内部放大器过载产生失真。

七、实物图例举常见开关设置

本人在日常工作中所遇到的音频连接问题中，尤其以摄像机居多，下面就列举一款常见的摄像机，介绍其音频接口和开关的正确使用方法。

例、索尼PXW-X280 摄录一体机

该机音频部分涉及两处，一处是位于机身右前部的接口，另一处是机身左后部开关设置。如图所示：

A:音频输入接口

B：信号源选择开关

C:信号通道选择开关

D:信号增益选择开关

E:手动增益旋钮

需要外接话筒时，将话筒连接线连接至A，先确认话筒类型，如果是动圈话筒或内置电池类话筒，则将B 置于MIC 处，如果是需要幻象供电话筒，则将B 置于MIC+48V 处，然后将信号通道选择开关C 置于EXT 处。如采用自动音量控制，则将D 置于AUTO 处（此时E 旋钮无效），如需手动控制音量大小，则将D 置于MANU 处，并通过旋钮E 调整音量至适当。

使用内置话筒时，则将C 置于INT 处，此时将通过机身前部的内置话筒拾音。D 和E 设置同上。

连接线路信号时，将B 置于LINE 处，C 置于EXT 处，D 和E 设置同上。

由于市场中机型种类繁多，这里不能一一列举，不同机型或品牌对接口和开关的表述虽然不同，但功能大致一样，只需牢记各种接口输入和输出的信号电平规格，进行连接时要保持一致，并采用正确的线路和标准的工艺，这类“小”问题就能迎刃而解。