錄音工程中的阻抗研究

陳　波

（河南人民廣播電臺，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，河南鄭州450002）

在讀調音臺、話筒、前置放大器等其他的音頻設備的技術規范時，都會發現一個術語—阻抗。輸入阻抗、輸出阻抗、阻抗匹配、特性阻抗在技術規范中都是很普遍的術語，但是它們到底是什么意思，還有它們為什么相關呢？在這篇文章中，筆者將會著重探討這個問題，解釋阻抗的意義，而不需要太多的數學和公式。

音頻信號；歐姆；阻抗匹配

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

1　阻抗對電路的影響

任何產生電壓的設備都有輸出阻抗—它的內部電路的阻抗值能夠從外面“看見”（即，通過測量輸出值）。同樣的，任何有電壓輸入的設備都有輸入阻抗—它的阻抗值能夠被任何連接到它的輸入設備“看見”（即，通過測量輸入值）。輸出的電壓值通過負載阻抗，因而信號電壓從電源到達負載。然而，輸入輸出阻抗也會影響通過電路的電流。在需要從電源到負載轉移最大功率值的情況時，電源的輸出阻抗和負載的輸入阻抗必須相同；也可以說是匹配或者平衡的阻抗。（嚴格說來，輸入阻抗應該是電源阻抗的變化）。如果電源和負載在物理上的距離很長（跟信號頻率的波長相比），那么連接電纜也包括了電源阻抗和負載阻抗。

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）早在匹配系統的設備的設計中，已經考慮到了這個問題。

現在我們來看看電源和負載的阻抗不相匹配時會發生什么情況。基本上，一些能量的傳輸會從負載反饋回電源（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，或者使某些頻率的信號衰減。電信工業在一百多年前發現了阻抗匹配的實踐結果。音頻信號通過電纜線，它的波長從在20Hz的15000km到20KHz的15km。（信號頻率上升，波長下降），所以以前的電話電纜攜帶不同城市的人們的語音信號，城市的距離跟信號的波長比起來是很有意義的長度。既然不同城鎮之間的電纜距離可以跟音頻信號的波長相比，很重要的一點是，發送和接收電話交換設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，反饋發生（聽起來是回聲和聲染色），只有一點電源能量傳輸到負載上，從兩個電話聽筒內只能聽到微弱的信號。這些現象在當今時代已經很少了，因為電信系統都是數字化了—基本的問題還是一樣，但是技術的發展可以使它避免。為了處理阻抗匹配的問題，電信工業在阻抗的連接上已經標準化了，使音頻信號以最小的反饋傳輸。它就是600Ω。實際上，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，使它跟標準600Ω相匹配。

3　錄音室的匹配阻抗系統

3.1電壓匹配&橋接輸入

廣播工業和隨后的錄音工業在電信工業的技術發展下快速發展—電信測量系統的一個主要例子VU表如今也在錄音工業中廣泛使用。這種借來的技術產生的結果是早期的廣播業和錄音室也采用600Ω標準—磁帶錄音機，控制臺輸入等等。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，人們對功率的傳輸不是很感興趣—是信號的電壓波動帶來了想要的信息—而且錄音室電纜不會長達15km。由于這些原因，在技術層面上，不需要阻抗匹配。其次，在錄音室中，經常要將輸出信號連接到幾個設備的輸入（比如，調音臺的輸出連接到幾個磁帶錄音機的輸入接口）。如果采用阻抗匹配的系統的話，會有些問題存在。

想象下，調音臺在600Ω輸出阻抗下輸出0dBm時信號，連接到600Ω輸入阻抗的磁帶錄音機。磁帶錄音機輸入表顯示0dBm。然而，插上第二個錄音機時，它的600Ω輸入阻抗跟第一個錄音機的阻抗相結合，產生了一個大約為300Ω的合成輸入阻抗（在此，不深層次地討論物理特性，因為兩個輸入是平行的接入電源線）。產生的結果是磁帶錄音機的信號電平下降，因為相同的信號電流被兩個負載所共享了，因而在每一個輸入阻抗上生成了一半的電壓。電壓的二等分等于在信號電平上下降了6dB，同時，磁帶錄音機儀表顯示輸入電平為-6dBm而不是0dBm。

解決這個問題的方法就是把匹配阻抗的概念完全忘掉，然后跳上另一個概念—電壓匹配。這個想法對于工程師來說是設備擁有了最低的輸出阻抗，而相對很高的輸入阻抗—它們的差別至少差10倍，或者更多?，F代設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大的輸入阻抗，總輸出電壓應該流過輸出阻抗。在這里高阻抗輸入我們叫作橋接輸入，它有這樣的好處，一些設備能夠并行地連接到這設備上，而無需降低阻抗到一定程度—流過每個輸入的電壓還是很高，電源不需要產生高的電流（低阻抗通常稱為負載電路的輸出，因為它需要產生很高的電流）?；剡^頭來看看前面的例子，控制臺輸出連接兩個磁帶錄音機。假設每個機器的輸入阻抗為30kΩ；并行連接的兩個機器只會降低合成輸入阻抗到15kΩ，它相比于控制臺的輸出阻抗150Ω還是很高。因此，輸入電壓實質上沒有受到影響—計算出來，事實上是0.04dB的損失。甚至連接第三個設備到控制臺，阻抗降低到10kΩ—電壓電平降低了0.05dB。因為橋接輸入使得錄音室的工作變得簡單，電壓匹配的概念在全球的音頻設備中廣泛使用。

傳聲器發展的早期，高品質的設備都是采用鋁帶傳聲器和動圈傳聲器，大部分的傳聲器和前置放大器系統都設計成阻抗匹配的接口—典型的是300Ω，雖然其他的標準也存在。后來，隨著電容傳聲器的轉換和前置放大器的內部阻抗的產生，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計成阻抗匹配，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備，是很少關注到的。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的低些，是個好主意，因為當電流流過電阻時，電阻會產生噪聲；電阻值越高，噪聲越大。既然傳聲器傳出來的信號電平是很微弱的，一般來說需要很大的增益，這樣同時也放大了噪聲。這就是為什么提供等效輸入噪聲（EIN）測量的時候，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。按照規格說明測量一個50Ω的電源阻抗的輸入級時，好的EIN值能夠達到。然而，采用一個實際的傳聲器（200Ω）時，噪聲級是不可實現的。

4　錄音室的匹配阻抗系統優勢

正確的音頻信號電平測量需要掌握接口配置和阻抗匹配、電壓匹配的知識。通常，外部儀表被設計成高輸入阻抗。這樣它們能夠直接連接到音頻電路，而不會影響電平的大小。采用電壓匹配，一切就不用擔心了—能方便地將儀表插到任何一個音頻電路中。然而，在匹配阻抗的情況下，把一個高阻抗的儀表直接連接到設備的輸出會產生錯誤的結果。這是因為設備的輸出被設計成用來驅動600Ω的—其他的只會讓電平值混亂。測量儀表配備了600Ω開關，就是為了這個原因。雖然諸如像BBC這樣的老派電視臺早就不使用600Ω阻抗匹配了，但是還是要考慮這方面的問題，因為它對音視頻同樣適用。視頻接口通常采用75Ω匹配阻抗連接。換句話說，輸出阻抗為75Ω，輸入也有75Ω，而且同軸電纜的特性阻抗為75Ω。很多視頻設備在輸入接口上有個75Ω開關，而那只是為了滿足設備的靈活性要求，不是否定平衡阻抗。在一個平衡阻抗系統中，假如電源、負載和電纜滿足了75Ω阻抗的要求，那就沒有問題了。然而，將多個設備連接到單個輸出接口，這嚴格來說不叫做阻抗匹配系統。解決這個問題的一個方法是，將負載設備的輸入并行連接，（只有最后的一個為75Ω阻抗，其他的阻抗都很高），這樣前級好像只在驅動一個負載，這樣阻抗又匹配了。匹配阻抗的概念應用到S/PDIF數字音頻接口上。再次，75Ω接口也用于75Ω同軸電纜。不要試圖使用以前的網線，因為特性阻抗的不匹配會產生信號的衰減，這樣就造成了接口的不可靠。大部分的S/PDIF接口是基于一對一的，所以電源和負載的阻抗都為75Ω，而且我們希望電纜也是。然而，時鐘信號常常連接到多個負載，所以很多廠商采用跟視頻設備廠商一樣的方法。換句話說，字時鐘輸入設計成高阻抗。只有設備鏈的最后一個設備的阻抗為75Ω。在字時鐘輸入時，注意下數字設備是不是只有固定的75Ω阻抗。需要換上信號分配放大器來實現一對一時鐘饋送，以保持阻抗的匹配。AES-EBU數字音頻接口也是跟阻抗匹配系統相連，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接口標準規定，它用于一對一系統，當一個輸出連接到多個輸入時需要使用信號分配放大器。原來的AES-EBU規范允許一個設備連接4個設備，但是這樣有個潛在的問題，如果一個接收設備斷開連接了，電纜上的信號回到分配點，這樣就會極大地影響原來的數據傳輸。

［1］周更杰.錄音報道節目的噪聲抑制與音頻修復實踐［J］. 電聲技術，2016（4）：62-65.

［2］崔穎.淺談數字采訪機錄音技巧與后期音頻處理［J］. 電子世界，2016（5）：162-163.

［3］余秋花.淺議數字音頻信號傳輸中的阻抗匹配［J］.科技創新導報，2010（10）：94-95.

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：廣播制播平臺相關技術以及新媒體技術。