錄音工程中的阻抗研究

陳　波

（河南人民廣播電臺(tái)，河南　鄭州　450002）

錄音工程中的阻抗研究

陳波

（河南人民廣播電臺(tái)，河南鄭州450002）

在讀調(diào)音臺(tái)、話筒、前置放大器等其他的音頻設(shè)備的技術(shù)規(guī)范時(shí)，都會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)術(shù)語(yǔ)—阻抗。輸入阻抗、輸出阻抗、阻抗匹配、特性阻抗在技術(shù)規(guī)范中都是很普遍的術(shù)語(yǔ)，但是它們到底是什么意思，還有它們?yōu)槭裁聪嚓P(guān)呢？在這篇文章中，筆者將會(huì)著重探討這個(gè)問(wèn)題，解釋阻抗的意義，而不需要太多的數(shù)學(xué)和公式。

音頻信號(hào)；歐姆；阻抗匹配

實(shí)際的阻抗值在一定程度上取決于信號(hào)電壓的頻率。在音頻輸入輸出電路中，阻抗主要的功能是使連接更簡(jiǎn)單—阻抗在音頻頻率的范圍內(nèi)不會(huì)改變太多。然而，無(wú)線電頻率的阻抗一般跟音頻頻率不同，這是為了避免無(wú)線電干擾。

1　阻抗對(duì)電路的影響

任何產(chǎn)生電壓的設(shè)備都有輸出阻抗—它的內(nèi)部電路的阻抗值能夠從外面“看見(jiàn)”（即，通過(guò)測(cè)量輸出值）。同樣的，任何有電壓輸入的設(shè)備都有輸入阻抗—它的阻抗值能夠被任何連接到它的輸入設(shè)備“看見(jiàn)”（即，通過(guò)測(cè)量輸入值）。輸出的電壓值通過(guò)負(fù)載阻抗，因而信號(hào)電壓從電源到達(dá)負(fù)載。然而，輸入輸出阻抗也會(huì)影響通過(guò)電路的電流。在需要從電源到負(fù)載轉(zhuǎn)移最大功率值的情況時(shí)，電源的輸出阻抗和負(fù)載的輸入阻抗必須相同；也可以說(shuō)是匹配或者平衡的阻抗。（嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，輸入阻抗應(yīng)該是電源阻抗的變化）。如果電源和負(fù)載在物理上的距離很長(zhǎng)（跟信號(hào)頻率的波長(zhǎng)相比），那么連接電纜也包括了電源阻抗和負(fù)載阻抗。

2　理想匹配電路的阻抗模型

電壓施加在輸出和輸入阻抗上（假定電纜的影響是可以忽略的）早在匹配系統(tǒng)的設(shè)備的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)考慮到了這個(gè)問(wèn)題。

現(xiàn)在我們來(lái)看看電源和負(fù)載的阻抗不相匹配時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。基本上，一些能量的傳輸會(huì)從負(fù)載反饋回電源（或者在連接電路的阻抗不匹配的情況下）—這不是好情況。理論上，這種反饋以回聲的形式出現(xiàn)，或者使某些頻率的信號(hào)衰減。電信工業(yè)在一百多年前發(fā)現(xiàn)了阻抗匹配的實(shí)踐結(jié)果。音頻信號(hào)通過(guò)電纜線，它的波長(zhǎng)從在20Hz的15000km到20KHz的15km。（信號(hào)頻率上升，波長(zhǎng)下降），所以以前的電話電纜攜帶不同城市的人們的語(yǔ)音信號(hào)，城市的距離跟信號(hào)的波長(zhǎng)比起來(lái)是很有意義的長(zhǎng)度。既然不同城鎮(zhèn)之間的電纜距離可以跟音頻信號(hào)的波長(zhǎng)相比，很重要的一點(diǎn)是，發(fā)送和接收電話交換設(shè)備的阻抗與電纜的特性阻抗是完全匹配的。如果阻抗不是很好的匹配的話，反饋發(fā)生（聽起來(lái)是回聲和聲染色），只有一點(diǎn)電源能量傳輸?shù)截?fù)載上，從兩個(gè)電話聽筒內(nèi)只能聽到微弱的信號(hào)。這些現(xiàn)象在當(dāng)今時(shí)代已經(jīng)很少了，因?yàn)殡娦畔到y(tǒng)都是數(shù)字化了—基本的問(wèn)題還是一樣，但是技術(shù)的發(fā)展可以使它避免。為了處理阻抗匹配的問(wèn)題，電信工業(yè)在阻抗的連接上已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，使音頻信號(hào)以最小的反饋傳輸。它就是600Ω。實(shí)際上，電話電纜的特性阻抗大約為140Ω，所以匹配變壓器在世界各地都在使用，使它跟標(biāo)準(zhǔn)600Ω相匹配。

3　錄音室的匹配阻抗系統(tǒng)

3.1電壓匹配&橋接輸入

廣播工業(yè)和隨后的錄音工業(yè)在電信工業(yè)的技術(shù)發(fā)展下快速發(fā)展—電信測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)主要例子VU表如今也在錄音工業(yè)中廣泛使用。這種借來(lái)的技術(shù)產(chǎn)生的結(jié)果是早期的廣播業(yè)和錄音室也采用600Ω標(biāo)準(zhǔn)—磁帶錄音機(jī)，控制臺(tái)輸入等等。然而，匹配阻抗的概念在錄音中卻不太適合。有如下這些原因。首先，人們對(duì)功率的傳輸不是很感興趣—是信號(hào)的電壓波動(dòng)帶來(lái)了想要的信息—而且錄音室電纜不會(huì)長(zhǎng)達(dá)15km。由于這些原因，在技術(shù)層面上，不需要阻抗匹配。其次，在錄音室中，經(jīng)常要將輸出信號(hào)連接到幾個(gè)設(shè)備的輸入（比如，調(diào)音臺(tái)的輸出連接到幾個(gè)磁帶錄音機(jī)的輸入接口）。如果采用阻抗匹配的系統(tǒng)的話，會(huì)有些問(wèn)題存在。

想象下，調(diào)音臺(tái)在600Ω輸出阻抗下輸出0dBm時(shí)信號(hào)，連接到600Ω輸入阻抗的磁帶錄音機(jī)。磁帶錄音機(jī)輸入表顯示0dBm。然而，插上第二個(gè)錄音機(jī)時(shí)，它的600Ω輸入阻抗跟第一個(gè)錄音機(jī)的阻抗相結(jié)合，產(chǎn)生了一個(gè)大約為300Ω的合成輸入阻抗（在此，不深層次地討論物理特性，因?yàn)閮蓚€(gè)輸入是平行的接入電源線）。產(chǎn)生的結(jié)果是磁帶錄音機(jī)的信號(hào)電平下降，因?yàn)橄嗤男盘?hào)電流被兩個(gè)負(fù)載所共享了，因而在每一個(gè)輸入阻抗上生成了一半的電壓。電壓的二等分等于在信號(hào)電平上下降了6dB，同時(shí)，磁帶錄音機(jī)儀表顯示輸入電平為-6dBm而不是0dBm。

解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是把匹配阻抗的概念完全忘掉，然后跳上另一個(gè)概念—電壓匹配。這個(gè)想法對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)是設(shè)備擁有了最低的輸出阻抗，而相對(duì)很高的輸入阻抗—它們的差別至少差10倍，或者更多?，F(xiàn)代設(shè)備一般采用輸出阻抗為150Ω或更少，輸入阻抗至少10kΩ或更多。這樣有著極小的輸出阻抗和相對(duì)大的輸入阻抗，總輸出電壓應(yīng)該流過(guò)輸出阻抗。在這里高阻抗輸入我們叫作橋接輸入，它有這樣的好處，一些設(shè)備能夠并行地連接到這設(shè)備上，而無(wú)需降低阻抗到一定程度—流過(guò)每個(gè)輸入的電壓還是很高，電源不需要產(chǎn)生高的電流（低阻抗通常稱為負(fù)載電路的輸出，因?yàn)樗枰a(chǎn)生很高的電流）。回過(guò)頭來(lái)看看前面的例子，控制臺(tái)輸出連接兩個(gè)磁帶錄音機(jī)。假設(shè)每個(gè)機(jī)器的輸入阻抗為30kΩ；并行連接的兩個(gè)機(jī)器只會(huì)降低合成輸入阻抗到15kΩ，它相比于控制臺(tái)的輸出阻抗150Ω還是很高。因此，輸入電壓實(shí)質(zhì)上沒(méi)有受到影響—計(jì)算出來(lái)，事實(shí)上是0.04dB的損失。甚至連接第三個(gè)設(shè)備到控制臺(tái)，阻抗降低到10kΩ—電壓電平降低了0.05dB。因?yàn)闃蚪虞斎胧沟娩浺羰业墓ぷ髯兊煤?jiǎn)單，電壓匹配的概念在全球的音頻設(shè)備中廣泛使用。

傳聲器發(fā)展的早期，高品質(zhì)的設(shè)備都是采用鋁帶傳聲器和動(dòng)圈傳聲器，大部分的傳聲器和前置放大器系統(tǒng)都設(shè)計(jì)成阻抗匹配的接口—典型的是300Ω，雖然其他的標(biāo)準(zhǔn)也存在。后來(lái)，隨著電容傳聲器的轉(zhuǎn)換和前置放大器的內(nèi)部阻抗的產(chǎn)生，電壓匹配的概念在所有的傳聲器類型上被廣泛采用。還有一些傳聲器前置放大器設(shè)計(jì)成阻抗匹配，那是為了跟老式的鋁帶傳聲器配合使用。然而，還有其他的特殊的設(shè)備，是很少關(guān)注到的。代表性的，大部分傳聲器的輸出阻抗為150～200Ω，大部分的前置放大器的輸入阻抗在1.5kΩ和3kΩ之間。使傳聲器功放的輸入阻抗相對(duì)的低些，是個(gè)好主意，因?yàn)楫?dāng)電流流過(guò)電阻時(shí)，電阻會(huì)產(chǎn)生噪聲；電阻值越高，噪聲越大。既然傳聲器傳出來(lái)的信號(hào)電平是很微弱的，一般來(lái)說(shuō)需要很大的增益，這樣同時(shí)也放大了噪聲。這就是為什么提供等效輸入噪聲（EIN）測(cè)量的時(shí)候，傳聲器前置放大器需要涉及電源阻抗；電源阻抗越低，噪聲越大。按照規(guī)格說(shuō)明測(cè)量一個(gè)50Ω的電源阻抗的輸入級(jí)時(shí)，好的EIN值能夠達(dá)到。然而，采用一個(gè)實(shí)際的傳聲器（200Ω）時(shí)，噪聲級(jí)是不可實(shí)現(xiàn)的。

4　錄音室的匹配阻抗系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

正確的音頻信號(hào)電平測(cè)量需要掌握接口配置和阻抗匹配、電壓匹配的知識(shí)。通常，外部?jī)x表被設(shè)計(jì)成高輸入阻抗。這樣它們能夠直接連接到音頻電路，而不會(huì)影響電平的大小。采用電壓匹配，一切就不用擔(dān)心了—能方便地將儀表插到任何一個(gè)音頻電路中。然而，在匹配阻抗的情況下，把一個(gè)高阻抗的儀表直接連接到設(shè)備的輸出會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。這是因?yàn)樵O(shè)備的輸出被設(shè)計(jì)成用來(lái)驅(qū)動(dòng)600Ω的—其他的只會(huì)讓電平值混亂。測(cè)量?jī)x表配備了600Ω開關(guān)，就是為了這個(gè)原因。雖然諸如像BBC這樣的老派電視臺(tái)早就不使用600Ω阻抗匹配了，但是還是要考慮這方面的問(wèn)題，因?yàn)樗鼘?duì)音視頻同樣適用。視頻接口通常采用75Ω匹配阻抗連接。換句話說(shuō)，輸出阻抗為75Ω，輸入也有75Ω，而且同軸電纜的特性阻抗為75Ω。很多視頻設(shè)備在輸入接口上有個(gè)75Ω開關(guān)，而那只是為了滿足設(shè)備的靈活性要求，不是否定平衡阻抗。在一個(gè)平衡阻抗系統(tǒng)中，假如電源、負(fù)載和電纜滿足了75Ω阻抗的要求，那就沒(méi)有問(wèn)題了。然而，將多個(gè)設(shè)備連接到單個(gè)輸出接口，這嚴(yán)格來(lái)說(shuō)不叫做阻抗匹配系統(tǒng)。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是，將負(fù)載設(shè)備的輸入并行連接，（只有最后的一個(gè)為75Ω阻抗，其他的阻抗都很高），這樣前級(jí)好像只在驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載，這樣阻抗又匹配了。匹配阻抗的概念應(yīng)用到S/PDIF數(shù)字音頻接口上。再次，75Ω接口也用于75Ω同軸電纜。不要試圖使用以前的網(wǎng)線，因?yàn)樘匦宰杩沟牟黄ヅ鋾?huì)產(chǎn)生信號(hào)的衰減，這樣就造成了接口的不可靠。大部分的S/PDIF接口是基于一對(duì)一的，所以電源和負(fù)載的阻抗都為75Ω，而且我們希望電纜也是。然而，時(shí)鐘信號(hào)常常連接到多個(gè)負(fù)載，所以很多廠商采用跟視頻設(shè)備廠商一樣的方法。換句話說(shuō)，字時(shí)鐘輸入設(shè)計(jì)成高阻抗。只有設(shè)備鏈的最后一個(gè)設(shè)備的阻抗為75Ω。在字時(shí)鐘輸入時(shí)，注意下數(shù)字設(shè)備是不是只有固定的75Ω阻抗。需要換上信號(hào)分配放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)一對(duì)一時(shí)鐘饋送，以保持阻抗的匹配。AES-EBU數(shù)字音頻接口也是跟阻抗匹配系統(tǒng)相連，不同的是采用110Ω阻抗。再次的，使用特性阻抗為110Ω的電纜是明智的。雖然AESEBU接口是具有平衡特性的。AES-EBU接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，它用于一對(duì)一系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)輸出連接到多個(gè)輸入時(shí)需要使用信號(hào)分配放大器。原來(lái)的AES-EBU規(guī)范允許一個(gè)設(shè)備連接4個(gè)設(shè)備，但是這樣有個(gè)潛在的問(wèn)題，如果一個(gè)接收設(shè)備斷開連接了，電纜上的信號(hào)回到分配點(diǎn)，這樣就會(huì)極大地影響原來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸。

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Research on impedance in sound recording engineering

Chen Bo
（Henan People's Broadcasting Station， Zhengzhou 450002， China）

In reading technical specifcations of the sound console， microphone， preamplifer and other audio equipment， where a term—impedance， is usually found. The input impedance， output impedance， impedance matching， characteristic impedance are common terms in the technical specifcation， but what do they mean， and why are they related in each other？ In this article， the author will emphatically discuss this problem and explain the signifcance of impedance， without the need for mathematics and so many formulas.

audio signal； Ohm； impedance matching

陳波（1979— ），男，河南鄭州，本科，工程師；研究方向：廣播制播平臺(tái)相關(guān)技術(shù)以及新媒體技術(shù)。