录音工程中的阻抗研究

陈　波

（河南人民广播电台，河南　郑州　450002）

录音工程中的阻抗研究

陈波

（河南人民广播电台，河南郑州450002）

在读调音台、话筒、前置放大器等其他的音频设备的技术规范时，都会发现一个术语—阻抗。输入阻抗、输出阻抗、阻抗匹配、特性阻抗在技术规范中都是很普遍的术语，但是它们到底是什么意思，还有它们为什么相关呢？在这篇文章中，笔者将会着重探讨这个问题，解释阻抗的意义，而不需要太多的数学和公式。

音频信号；欧姆；阻抗匹配

实际的阻抗值在一定程度上取决于信号电压的频率。在音频输入输出电路中，阻抗主要的功能是使连接更简单—阻抗在音频频率的范围内不会改变太多。然而，无线电频率的阻抗一般跟音频频率不同，这是为了避免无线电干扰。

1　阻抗对电路的影响

任何产生电压的设备都有输出阻抗—它的内部电路的阻抗值能够从外面“看见”（即，通过测量输出值）。同样的，任何有电压输入的设备都有输入阻抗—它的阻抗值能够被任何连接到它的输入设备“看见”（即，通过测量输入值）。输出的电压值通过负载阻抗，因而信号电压从电源到达负载。然而，输入输出阻抗也会影响通过电路的电流。在需要从电源到负载转移最大功率值的情况时，电源的输出阻抗和负载的输入阻抗必须相同；也可以说是匹配或者平衡的阻抗。（严格说来，输入阻抗应该是电源阻抗的变化）。如果电源和负载在物理上的距离很长（跟信号频率的波长相比），那么连接电缆也包括了电源阻抗和负载阻抗。

2　理想匹配电路的阻抗模型

电压施加在输出和输入阻抗上（假定电缆的影响是可以忽略的）早在匹配系统的设备的设计中，已经考虑到了这个问题。

现在我们来看看电源和负载的阻抗不相匹配时会发生什么情况。基本上，一些能量的传输会从负载反馈回电源（或者在连接电路的阻抗不匹配的情况下）—这不是好情况。理论上，这种反馈以回声的形式出现，或者使某些频率的信号衰减。电信工业在一百多年前发现了阻抗匹配的实践结果。音频信号通过电缆线，它的波长从在20Hz的15000km到20KHz的15km。（信号频率上升，波长下降），所以以前的电话电缆携带不同城市的人们的语音信号，城市的距离跟信号的波长比起来是很有意义的长度。既然不同城镇之间的电缆距离可以跟音频信号的波长相比，很重要的一点是，发送和接收电话交换设备的阻抗与电缆的特性阻抗是完全匹配的。如果阻抗不是很好的匹配的话，反馈发生（听起来是回声和声染色），只有一点电源能量传输到负载上，从两个电话听筒内只能听到微弱的信号。这些现象在当今时代已经很少了，因为电信系统都是数字化了—基本的问题还是一样，但是技术的发展可以使它避免。为了处理阻抗匹配的问题，电信工业在阻抗的连接上已经标准化了，使音频信号以最小的反馈传输。它就是600Ω。实际上，电话电缆的特性阻抗大约为140Ω，所以匹配变压器在世界各地都在使用，使它跟标准600Ω相匹配。

3　录音室的匹配阻抗系统

3.1电压匹配&桥接输入

广播工业和随后的录音工业在电信工业的技术发展下快速发展—电信测量系统的一个主要例子VU表如今也在录音工业中广泛使用。这种借来的技术产生的结果是早期的广播业和录音室也采用600Ω标准—磁带录音机，控制台输入等等。然而，匹配阻抗的概念在录音中却不太适合。有如下这些原因。首先，人们对功率的传输不是很感兴趣—是信号的电压波动带来了想要的信息—而且录音室电缆不会长达15km。由于这些原因，在技术层面上，不需要阻抗匹配。其次，在录音室中，经常要将输出信号连接到几个设备的输入（比如，调音台的输出连接到几个磁带录音机的输入接口）。如果采用阻抗匹配的系统的话，会有些问题存在。

想象下，调音台在600Ω输出阻抗下输出0dBm时信号，连接到600Ω输入阻抗的磁带录音机。磁带录音机输入表显示0dBm。然而，插上第二个录音机时，它的600Ω输入阻抗跟第一个录音机的阻抗相结合，产生了一个大约为300Ω的合成输入阻抗（在此，不深层次地讨论物理特性，因为两个输入是平行的接入电源线）。产生的结果是磁带录音机的信号电平下降，因为相同的信号电流被两个负载所共享了，因而在每一个输入阻抗上生成了一半的电压。电压的二等分等于在信号电平上下降了6dB，同时，磁带录音机仪表显示输入电平为-6dBm而不是0dBm。

解决这个问题的方法就是把匹配阻抗的概念完全忘掉，然后跳上另一个概念—电压匹配。这个想法对于工程师来说是设备拥有了最低的输出阻抗，而相对很高的输入阻抗—它们的差别至少差10倍，或者更多。现代设备一般采用输出阻抗为150Ω或更少，输入阻抗至少10kΩ或更多。这样有着极小的输出阻抗和相对大的输入阻抗，总输出电压应该流过输出阻抗。在这里高阻抗输入我们叫作桥接输入，它有这样的好处，一些设备能够并行地连接到这设备上，而无需降低阻抗到一定程度—流过每个输入的电压还是很高，电源不需要产生高的电流（低阻抗通常称为负载电路的输出，因为它需要产生很高的电流）。回过头来看看前面的例子，控制台输出连接两个磁带录音机。假设每个机器的输入阻抗为30kΩ；并行连接的两个机器只会降低合成输入阻抗到15kΩ，它相比于控制台的输出阻抗150Ω还是很高。因此，输入电压实质上没有受到影响—计算出来，事实上是0.04dB的损失。甚至连接第三个设备到控制台，阻抗降低到10kΩ—电压电平降低了0.05dB。因为桥接输入使得录音室的工作变得简单，电压匹配的概念在全球的音频设备中广泛使用。

传声器发展的早期，高品质的设备都是采用铝带传声器和动圈传声器，大部分的传声器和前置放大器系统都设计成阻抗匹配的接口—典型的是300Ω，虽然其他的标准也存在。后来，随着电容传声器的转换和前置放大器的内部阻抗的产生，电压匹配的概念在所有的传声器类型上被广泛采用。还有一些传声器前置放大器设计成阻抗匹配，那是为了跟老式的铝带传声器配合使用。然而，还有其他的特殊的设备，是很少关注到的。代表性的，大部分传声器的输出阻抗为150～200Ω，大部分的前置放大器的输入阻抗在1.5kΩ和3kΩ之间。使传声器功放的输入阻抗相对的低些，是个好主意，因为当电流流过电阻时，电阻会产生噪声；电阻值越高，噪声越大。既然传声器传出来的信号电平是很微弱的，一般来说需要很大的增益，这样同时也放大了噪声。这就是为什么提供等效输入噪声（EIN）测量的时候，传声器前置放大器需要涉及电源阻抗；电源阻抗越低，噪声越大。按照规格说明测量一个50Ω的电源阻抗的输入级时，好的EIN值能够达到。然而，采用一个实际的传声器（200Ω）时，噪声级是不可实现的。

4　录音室的匹配阻抗系统优势

正确的音频信号电平测量需要掌握接口配置和阻抗匹配、电压匹配的知识。通常，外部仪表被设计成高输入阻抗。这样它们能够直接连接到音频电路，而不会影响电平的大小。采用电压匹配，一切就不用担心了—能方便地将仪表插到任何一个音频电路中。然而，在匹配阻抗的情况下，把一个高阻抗的仪表直接连接到设备的输出会产生错误的结果。这是因为设备的输出被设计成用来驱动600Ω的—其他的只会让电平值混乱。测量仪表配备了600Ω开关，就是为了这个原因。虽然诸如像BBC这样的老派电视台早就不使用600Ω阻抗匹配了，但是还是要考虑这方面的问题，因为它对音视频同样适用。视频接口通常采用75Ω匹配阻抗连接。换句话说，输出阻抗为75Ω，输入也有75Ω，而且同轴电缆的特性阻抗为75Ω。很多视频设备在输入接口上有个75Ω开关，而那只是为了满足设备的灵活性要求，不是否定平衡阻抗。在一个平衡阻抗系统中，假如电源、负载和电缆满足了75Ω阻抗的要求，那就没有问题了。然而，将多个设备连接到单个输出接口，这严格来说不叫做阻抗匹配系统。解决这个问题的一个方法是，将负载设备的输入并行连接，（只有最后的一个为75Ω阻抗，其他的阻抗都很高），这样前级好像只在驱动一个负载，这样阻抗又匹配了。匹配阻抗的概念应用到S/PDIF数字音频接口上。再次，75Ω接口也用于75Ω同轴电缆。不要试图使用以前的网线，因为特性阻抗的不匹配会产生信号的衰减，这样就造成了接口的不可靠。大部分的S/PDIF接口是基于一对一的，所以电源和负载的阻抗都为75Ω，而且我们希望电缆也是。然而，时钟信号常常连接到多个负载，所以很多厂商采用跟视频设备厂商一样的方法。换句话说，字时钟输入设计成高阻抗。只有设备链的最后一个设备的阻抗为75Ω。在字时钟输入时，注意下数字设备是不是只有固定的75Ω阻抗。需要换上信号分配放大器来实现一对一时钟馈送，以保持阻抗的匹配。AES-EBU数字音频接口也是跟阻抗匹配系统相连，不同的是采用110Ω阻抗。再次的，使用特性阻抗为110Ω的电缆是明智的。虽然AESEBU接口是具有平衡特性的。AES-EBU接口标准规定，它用于一对一系统，当一个输出连接到多个输入时需要使用信号分配放大器。原来的AES-EBU规范允许一个设备连接4个设备，但是这样有个潜在的问题，如果一个接收设备断开连接了，电缆上的信号回到分配点，这样就会极大地影响原来的数据传输。

［1］周更杰.录音报道节目的噪声抑制与音频修复实践［J］. 电声技术，2016（4）：62-65.

［2］崔颖.浅谈数字采访机录音技巧与后期音频处理［J］. 电子世界，2016（5）：162-163.

［3］余秋花.浅议数字音频信号传输中的阻抗匹配［J］.科技创新导报，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

陈波（1979— ），男，河南郑州，本科，工程师；研究方向：广播制播平台相关技术以及新媒体技术。