纵观接口风云，笑看线路人生

2018-07-12倪俊杰

中国信息技术教育 2018年11期

倪俊杰

编者按：如果给你一个下午的时间，让你把家里各种各样的线统计一下，你一定会感叹：“天哪，我家怎么会有那么多的线！”是的，如果你刚好是一位怀旧的人，你曾经不舍得扔掉的各种“线”，现在已经成了你的负担，相信很多人已经有了这样的烦恼。因此，我们将用两期的时间，为大家梳理生活中常见的线以及相应接口，一起与读者聊聊它们的故事。

装修房子的时候，设计师画好了装修图纸之后，首先进场的是水电工。他们通过敲敲打打为你的房子埋下各种各样的管线，如水管、煤气管、电线、网线、数字电视线等，还要预留很多的口子，如插座口、网线口、灯罩口、地漏口、水管口等。这些管线和口子将在今后的生活中发挥至关重要的作用，你每天都离不开它们。装修如此，我们的生活亦是如此。走在大街上，随处可见各式各样的接口和管线。信息化时代，任何一样电子设备都离不开接口和管线，没有它们，设备将无法运转。生活中的线路实在太多，本期我们将以充电线、数据线、音频线、视频线这四种较为常见且实用的线为例，向大家介绍它们的发展历程。

手机充电线的发展史

生活中要充电的设备很多，大的有电视机、空调、电冰箱、洗衣机等，小的有手机、电脑、电灯、电扇、剃须刀、电动玩具等。几乎每一种设备都需要一根充电线，没有充电线设备就基本进入了半瘫痪状态了。一般来说，充电线肯定有两个接头，一个是电源插头，另一个是设备接头。

电源插头一般可分为2芯电源插头、3芯电源插头和多芯電源插头。2芯电源插头有两个插片或者是两个插针;3芯电源插头就是插头有3个插片或者是3个插针，这样的结构比2芯电源插头复杂些，插针的大小和直径等都有严格的标准和要求;多芯电源插头就更复杂了，按照客户的要求，使用在哪个具体的设备上都要根据现实情况去考虑。

充电线的另一头是设备接头，其复杂性就更高了。几乎每一种设备或品牌，都有自己独特的设备接头，简直数不胜数。以手机的充电线为例，我们来了解一下其发展史。

1.早期手机的充电器

在生活中最早的出现的就是大哥大了。大哥大充电器跟大哥大一样，都是比较笨重的，携带起来也很不方便。再后来就出现了万能充，万能充相对于大哥大来说已经轻便了很多，但它必须把电池拆下来才能充电，而且电池拆多了铜接触头免不了有磨损，会减少电池的使用寿命，而且万能充电器的充电速度其实是挺慢的。

2.中生代的产物

曾经的砖头机——诺基亚横行的时期，就有了mini USB充电接头和诺基亚的圆形充电接头，这之后充电器的外形就基本固定了，但充电器内部的电路和充电线接头却一直在变化。比如前几年非常常见的充电线（一头Type-A，另一头Micro Type-B）已经快要被Type-C和苹果的Lightning线（后文会详细介绍）取代了，充电速度也大大提高，不到一小时就能将手机电池充满。

3.无线充电技术

科技发展很快，很多曾经在电影里出现的镜头已经成为现实，如无线充电器。无线充电器的原理是通过使用线圈之间产生的磁场，神奇地传输电能，电感耦合技术将会成为连接充电基站和设备的桥梁。英国一家公司发明了一种新型无线充电器，它看上去就像一块塑料鼠标垫，将手机等放在垫上就能充电，并能同时给多个设备充电。虽然无线充电器目前还没有普及，但它的出现无疑又给手机充电领域带来一次新的革命。

USB数据线的发展史

数据线（Data Cable）的作用是连接移动设备和电脑，达到数据传递的目的。通俗点说，数据线就是连接电脑与移动设备用来传送视频、铃声、图片等数据文件的通路工具。但是随着数据线技术的不断升级，其功能已经不局限于传输数据，它的多种功能包括充电等都在完善。

1.USB1.0/2.0/3.0的含义[1]

USB是通用串行总线的英文缩写，是Intel公司开发的总线架构，这使得在计算机上添加串行设备非常容易。在接近20年的时间里，USB承担着伟大的任务，帮人类不停地传输数据和电量，并且其速度也在不断提升。随着时代发展，USB接口标准经历了第一代USB1.0、第二代USB2.0和第三代USB3.0。每一代USB接口针对不同的设备又细分出来具体的型号，如USB Type A/B/C/Mini/Micro等。

USB1.0：USB规格第一次是于1995年，由Intel、IBM等七家公司组成的USBIF（USB Implement Forum）共同提出的，USBIF于1996年1月正式提出USB1.0规格，频宽为1.5Mbps。因为当时支持USB的周边装置比较少，主板商不太把USB Port直接设计在主板上。

USB2.0：USB2.0技术规范是由Compaq等公司共同制定发布的，规范把外设数据传输速度提高到了480Mbps，是USB1.1设备的40倍。2000年制定的USB2.0标准是相对比较稳定的，理论传输速度为480Mbps。

USB3.0：USB3.0是最新的USB规范，该规范由英特尔等公司发起，最大传输带宽高达5.0Gbps（640MB/s），USB3.0引入了全双工数据传输。5根线路中2根用来发送数据，另2根用来接收数据，还有1根是地线。也就是说，USB3.0可以同步全速地进行读写操作。

最初的USB标准并不具备电力供应能力，这对于外界驱动器来说，显然不够。因而USB3.0就应运而生，它的供应值可达4.5W（0.9A/5V）。而在USB3.1标准下的USB Type-C接口的供电能力可以达到最高20V/5A，也就是100W，不仅可以满足手机充电的要求，还能够满足平板设备和计算机的充电需求;在这种供电能力下，可以免去电功率较高的外部设备需要另接电源的麻烦。[2]

2.不同型号的USB接口

从运转速度来看，USB确实是越来越好、越来越快。USB每一代的速度要求，都衍生出了不同的接口，如我们最常见的是下面这个插计算机的，就叫做USB Type-A。主要用来连接计算机和充电头，该标准一般适用于PC中，是应用最广泛的接口标准，里面有4个金属触点。它必须从某个特定的方向才能将接头（公口）插入接头（母口），但由于USB公口的两面外形非常接近，这个插入的过程经常出错，该设计也一直被人们诟病。

现在插各种安卓手机的是Micro USB Type-B接口。在USB2.0时代，Micro USB接口出现了。当前大部分安卓手机中采用的是Micro USB接口（即USB Micro-B），里面有5个金属触点，这种接口至今仍被广泛地应用在各种移动便携式设备上。同样，Type-B接口也是有方向要求的，要是插錯了很容易损坏设备。

如何解决接头方向的问题呢？苹果公司就做出了榜样。在2015年的时候，苹果公司发布了Lightning高速多功能I/O接口，并且在iPhone 5之后就使用了。当然，长久以来苹果公司一直在传输规格上独树一帜，从过去的30pin传输线到现在的Lightning，一直坚持使用自家的传输规格。传统的USB接口只有充电和传输数据两个功能，而Lightning线还支持投影、视频输出等功能。更重要的是Lightning接口两侧都有8Pin触点，不分正反面，不用再担心插反的问题。而且，它的尺寸比原来的30Pin接口小了80%，这意味着设备上需要预留给这个接头的空间也至少会小80%。

除了苹果的Lightning，还会有什么接口值得期待呢？别着急，重磅要登场了，那就是同样支持正反插的USB Type-C。说来也奇怪，最早使用该接口的也是苹果公司。苹果在MacBook上使用的是单一数据接口而且是除去电源接口的唯一接口。这个接口名称是在USB3.1时代之后出现的，该接口的亮点在于更加纤薄的设计、更快的传输速度（最高10Gbps）以及更强悍的电力传输（最高100W）。Type-C接口最大的特点是支持双面插入，主要面向更轻薄、更纤细的设备。接口插座端的尺寸约为8.3mm×2.5mm;支持从正反两面均可插入的“正反插”功能，可承受1万次反复插拔;Type-C占用更少的电路板空间，这对硬件设计师来说是个好消息，这样就可以为电子设备的其他功能预留出更宝贵的空间。

除了Type-A和Type-C，移动硬盘上用的是USB Type-B接口。该接口还可以连接打印机、显示器等设备。一般来说，电脑上的USB接口均为标准USB Type-A，而外部设备则多采用Type-B。

除了以上USB数据线外，还有Micro USB Type-A接口、Mini USB Type-A、Mini USB Type-B等接口，这些接口一般用于数码相机、数码摄像机、测量仪器等移动设备。

从目前来看，USB Type-C无疑是大家的新宠，而且，随着苹果、华为等各大厂商开始重用USB Type-C接口，USB Type-C的重要性已经不言而喻，或许在不久的将来，USB Type-C也会取代USB Type-A接口。为此，我们首先要感谢USBIF，尤其是它的创新的精神和勇气，其次要感谢苹果公司，它历来不是行业的追随者。或许在USB Type-A仍旧横行的世界里，苹果将接口全面替换USB Type-C的做法有些任性，但若为了更为轻薄的体积、更高的传输速率，的确也无可厚非。

音频线的发展史

音频线就是音响设备之间连接的信号线。音频线一般要求不能受噪音信号干扰，传输尽量无衰减，传输过程对信号不能产生大的频率失真和相位失真。

介绍音频线就必须说明屏蔽线。对音频信号而言，频率只有几十kHz，那么几米长的传输线都可以等效为长度为“零”，最主要的性能要求是屏蔽电磁干扰，防止在线路上感应到电磁噪声。在一条芯线的外围，连续用细铜线缠绕或套上金属编织网作为屏蔽层（屏蔽层与信号设备的地线相连），这种信号线就是“屏蔽线”。屏蔽线并不要求芯线与屏蔽层是同轴关系，核心要点是芯线被屏蔽层完全“封闭”。市面上有些伪劣音频线并没有使用“屏蔽线”，其实就是两根线封装在一起，这种线对电磁干扰完全没有屏蔽作用。

音频线在生活中也非常常见，接口类型也有不少。

1.TRS接口[3]

TRS的含义是Tip（signal）、Ring（signal）、Sleeve（ground），分别代表了这种接头的三个触点，我们看到的就是被两段绝缘材料隔离开的三段金属柱。TRS接头就是一个圆孔，其内部与接口对应，也有三个触点，彼此之间也被绝缘材料隔开。TRS接头通常有三种尺寸，即1/4"（6.3mm）、1/8"（3.5mm）、3/32"（2.5mm），最常见的是3.5mm尺寸的接头。3.5mm接头和6.3mm接头也被人称为“小三芯”和“大三芯”。6.3mm的“大三芯”插头可用来传输平衡信号或非平衡立体声信号，也就是说它和我们后面要讲的XLR平衡接头一样，能够传输平衡信号，但因制作这样的平衡线成本比较高，所以一般只用在高档专业音频设备上。

2.RCA接口

RCA接口得名于美国无线电公司的英文缩写（Radio Corporation of America），在我们日常生活中非常常见，音箱、电视、功放、DVD机等设备上基本都有。RCA接口采用同轴传输信号的方式，中轴用来传输信号，外沿一圈的接触层用来接地。每一根RCA线缆负责传输一个声道的音频信号，因此，可以根据对声道的实际需要，使用与之相匹配的RCA线缆。

3.XLR接口

XLR接口又被称为“卡农口”，这是因为James H. Cannon创立的Cannon Electric公司是它最初的生产商。通常见到的XLR接头是3脚的，当然也有2脚、4脚、5脚、6脚的，如在一些高档耳机线上，我们也会看到四芯XLR平衡接头。XLR接头与“大三芯”TRS接头一样，可以用来传输音频平衡信号。

4.BNC接口

BNC是Bayonet Nut Connector（刺刀螺母连接器）的简称，用于连接细同轴电缆。与RCA接口相比，增加了锁紧设计，而且有两个同心导体，导体和屏蔽层共用同一轴心，线的阻抗是75Ω。

以上介绍了一些比较常见的音频接口类型，随着科技的不断进步，不断有新的音频标准和协议制定出来，如AES/EBU接口、S/PDIF接口、光纤接口、I2S、CobraNet、EtherSound、Dante、AVB等。

视频线的发展史

视频线是由视频电缆和连接头两部分组成。视频电缆是特征阻抗为75Ω的同轴屏蔽电缆，常见的规格按线径分为-3和-5两种，按芯线分为单芯线和多芯线两种，连接头的常见的规格按电缆端连接方式分为压接头和焊接头两种。

视频信号比音频信号的频率范围（即带宽）要大很多，传输用的信号线长度在半米以上就可能对信号质量产生明显的影响。症状一般是三种：图像清晰度下降变模糊、颜色异常、噪点。其中电磁干扰可以用屏蔽线解决，但频率和相位失真就只能靠同轴电缆了。视频信号比音频信号的频率范围（即带宽）要大很多，传输用的信号线长度在半米以上就可能对信号质量产生明显的影响。

和音频线一样，生活中视频线的接口类型也有很多种。

1.AV接口

AV接口又称RCARCA，可以算是TV的改进，外观方面有了很大不同。分为3条线，分别为音频接头（红色与白色线组成左右声道）和视频接头（黄色）。在连接方面非常简单，只需将3种颜色的AV线与电视端的3种颜色的接头对应连接即可。AV接口实现了音频和视频的分离传输，避免了因音/视频混合干扰而导致的图像质量下降。由于AV输出仍然是将亮度与色度混合的视频信号，这样的做法必然会对画质造成损失，所以AV接口的画质依然不能让人满意。

总体来说，AV接口实现了音频和视频的分离传输，在成像方面可以避免音频与视频互相干扰而导致的画质下降。AV接口在电视与DVD连接中使用得比较广，是传统电视必备的接口之一。

2.S端子

S端子是AV端子的改革，用分离的线路来传输彩色视频信号中的色度和亮度信号，还原出的图像质量明显要好于复合端子。在信号传输方面不再对色度与亮度混合传输，这样就避免了设备内信号干扰而产生的圖像失真，能够有效地提高画质的清晰程度。S-Video具体英文全称叫Separate Video，为了达到更好的视频效果，人们开始探求一种更快捷、清晰度更高的视频传输方式，这就是当前比较流行的S-Video，Separate Video的意义就是将Video信号分开传送，也就是在AV接口的基础上将色度信号C和亮度信号Y进行分离，再分别以不同的通道进行传输。

3.DVI接口

DVI（Digital Visual Interface）接口，即数字视频接口。DVI接口标准是1999年由Silicon Image、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu（富士通）等公司共同组成的DDWG（Digital Display Working Group，数字显示工作组）推出的接口标准。其只能接收数字信号，接头上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空。不兼容模拟信号。DVI接口是数字传输的视频接口，可将数字信号不加转换地直接传输到显示器中。

4.色差分量接口

色差分量接口把视频信号分离为3个部分，分别是亮度（Y）、三原色信号中的蓝色和红色的色彩差异信号（R-Y，B-Y）。它采用YPbPr和YCbCr两种标识，前者表示逐行扫描色差输出，后者表示隔行扫描色差输出。该接头用3条分离的信号线传输信号，分别用绿、蓝、红色进行区别。使用优质的线材和接头，即使用10米长的线缆，也能传输优质的画面。

5.VGA接口

VGA（Video Graphics Array）是源于电脑显卡上的接口，显卡都带此种接口。VGA就是将模拟信号传输到显示器的接口。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号（水平和垂直信号）。1996年起，为在Windows环境下更好地实现即插即用（PNP）技术，在接头中加入了DDC数据分量。VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔。线缆长度最好不要超过10米，而且要注意接头是否安装牢固，否则可能引起图像中出现虚影。VGA接口的工作原理是将显存内以数字格式存储的图像（帧）信号在RAMDAC里经过模拟调制成模拟高频信号，然后再输出到等离子成像，这样VGA信号就不必像其他视频信号那样还要经过矩阵解码电路的换算。从前面的视频成像原理可知VGA的视频传输过程是最短的，所以VGA接口拥有许多的优点，如无串扰无电路合成分离损耗等。

6.HDMI接口

HDMI接口是高清晰度多媒体接口（High Definition Multimedia）的简称，是最新的高清数字音视频接口。HDMI接口提供了5Gbps的数据传输带宽，可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号。HDMI接口具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视/音频格式。在针脚上和DVI兼容，只是采用了不同的封装。高质量的HDMI线材，即使长达30米，也能保证优质的画质。只有在HDMI通道下，收看高清节目才能达到最佳的效果，它是高清平板电视必须具有的基本接口。HDMI具备了在一条数据线上同时传送影音信号的能力，人们也习惯把HDMI称为高清一线通。由于采用了全数字化的信号传输，HDMI接口不会像射频接口那样出现画质不佳的情况。

本期分享，我們以纵览的方式介绍了四种常见的线和接口。相信大家都能感受到生活中的线和接口实在太多了，也非常复杂。这些线路在帮人类实现了“联通”的同时，也给我们带来了不少烦恼。一方面，线和接口的演变，其本质上也反映了人类社会探索未知世界奋勇创新的精神。由于思考角度和需求的不同，出现形式多样的接口也是情理之中的。另一方面，当今社会越来越对极简技术表示出了青睐，过于复杂的事物和方式都会被“精简”或面临淘汰，比如无线充电技术的出现就会对线路充电带来一定的冲击。因此，在下期分享的时候，我们将围绕如何改进各种线及接口，创新收纳与管理，自主DIY设计等诸多方面与诸君分享，敬请期待。