数字传声器技术(二)

　　【神州音响网讯】3 数字传声器系统的ADC

　　目前主流的ΣΔ- ADC可以在24 bit处理字长的条件下转换115 - 120 dB动态范围的音频信号，因此，使用模拟传声器系统时，一只ADC就可以完成模数转换的任务。

　　数字传声器系统要达到记录130 dB动态范围的声音信号，就必须解决ADC技术上的难题，即使用多只ADC进行完美的模数转换。这也是数字传声器系统的核心技术之一。

　　图5 增益分级ADC技术

　　图5是传统的增益分级(Gain - Staging)技术，同一个信号被分配到两条信号通路上，上面的一条信号通路包含了一个放大倍数已经设定好的放大器(比如24 dB)和一个ADC。下面的一条信号通路不做放大，增益是0 dB，同样有一个放大器和一个ADC。数字输出端输出的是两条通路中二选一的信号。当信号微弱时，DSP输出第一个通路的信号，当上面的ADC输出的信号过载时，DSP会自动侦测到并且立即切换到第二个没有放大的通路，输出信号自然就不会过载了。

　　在输出第一个通路的信号之前，DSP会先对已转换的数据进行处理，将其衰减24 dB，这样一是保持了信号原有的幅度，二是减小了第一个ADC的噪声。这种方式要求通路间的切换必须十分精确，才能保证输出的信号没有瑕疵。如果两个ADC工作在不同的电平下，在它们之间进行直接的切换很可能导致毛刺或噪声调制( Noise Modulation)。如图6所示。

　　图6 使用增益分级技术ADC的信号波形(截图)

　　Neumann公司发明了一种技术，可以在保留传声器膜片信号130 dB动态范围的前提下，几近完美地进行模数转换。

　　图7 Neumann的ADC技术

　　如图7所示，这种技术同样是使用一个设定好增益值的放大器(比如24 dB)。原始音频信号同样分成两个通路，一个通过模拟相加电路送给放大器，另外一个送给非线性的类似于负反馈的判断网络，放大器的输出送给第一个ADC，同时也送给这个非线性网络。非线性网络输出的信号送给第二个ADC，同时送到放大器前面的模拟相加电路。非线性网络的特性是不允许低电平信号通过，这个电平大约比第一个ADC过载的电平低6- 10 dB，并且在IN1和IN2同时工作的时候才有信号输出。信号直接输人IN1，在非线性网络中一同参与处理。在低电平的时候IN1是断路的，非线性网络没有输出，因此第二个ADC也没有信号输入。当电平超过了非线性网络的门限时，IN1开始工作，这时非线性网络会产生一个中间信号，一方面通过模拟相加器，反相相加到放大器通路，使送到第一个ADC的信号的增量变小，另一方面将中间信号送到第二个ADC使之开始工作。这时第一个ADC的输入信号是由线性的放大器输出信号和非线性网络的非线性信号共同决定的。相当于一个经过了压缩的信号。当声音信号继续增强，类似于负反馈的作用继续增强，第一个ADC的输入信号会被压缩的更大，类似于限制器的效果，因此第一个ADC不会出现过载的情况。

　　第二个ADC会将非线性网络输出的中间信号进行模数转换，然后送到DSP中。DSP会把第一个ADC的数字信号进行衰减处理(和增益分级的DSP处理类似)，然后与第二个ADC输出的信号相加。由于第一个ADC信号被压缩的部分正是第二个ADC所输出的信号，因此相加后就顺利地恢复出了原来的信号。

　　非线性网络由于是模拟电路所以延时非常小，DSP处理也是完全独立的，并且算法相对简单，引入的延时很小。

　　当第二个ADC没有输入信号的同时也就没有噪声输出，相当于通过DSP实现了一个隐形噪声门。这就意味着在切换的时候没有噪声形成，对输出信号没有任何的影响，如图8所示。

　　图8 使用Neumann ADC技术的信号波形(截图)

　　4 信号传输

　　数字传声器输出数字音频信号(AES42格式)。它是由AES3格式的音频数据流和反向传输的10 V数字幻像电压以及一系列控制信号组成的。与模拟音频信号相比，数字信号在传输过程中没有噪声累积，不受外界多变的电磁环境干扰，随着传输距离的加长，导线的电阻也会使信号衰减，造成数字“抖动”。数字音频信号能比模拟音频信号传输更远的距离。

　　5 远程控制

　　数字传声器系统的AES42标准提供给了一个遥控数字传声器的平台。以Neumann的第一个数字传声器D -01为例。通过Neumann RCS软件和RS485协议，可以在15种指向性中间进行切换，设置预衰减，设置数字增益，加人数字低切滤波器、压缩器包括嘶声降噪器( De - Esser)、限制器，为信号做反相等等。这些大都是通过集成在传声器中的DSP实现的。甚至可以通过软件，来控制传声器上的指示灯的开关和颜色。

　　6 同步

　　在数字传声器系统中，由于模数转换被提前到了传声器中进行，凡是数字的处理必然要涉及到字时钟( word clock)的问题，因此，必须要把整个系统同步到一起。数字传声器的同步遵循AES42的标准。AES42标准包含了两个同步模式。

　　模式1(Mode -1)：在模式1下工作的传声器使用的是由自己内部产生的时钟信号(一般是一个固定频率)。如果使用多只工作在模式1下的数字传声器的话，则需要在信号接收的设备中进行采样频率转换，使所有接收的信号处于一个采样频率下。

　　模式2(Mode -2)：AES42同时也提供了另外一种同步方式，即模式2。这种方式的关键技术是采用了一个压控晶振( Voltage - Controlled Crystal Oscillator，VCXO)。VCXO和数模转换器(DAC)是集成在传声器内的。经过主时钟与传声器内部时钟的相频比较，由在主机(比如调音台或音频接口)内部锁相环系统产生的控制电压通过AES42的格式来驱动VCXO，从而产生不同的采样频率。当使用多只传声器录制同期多轨节目时，推荐使用这种同步方式。

　　7 小结

　　通过对数字传声器系统技术的各方面分析，不难看出，该系统相比与模拟传声器系统，在动态范围，本底噪声，信号传输与控制等方面具有一定的优势。同时，由于在整个信号链路的最前端就进行了模数转换，使得声染色的问题也大为改善，从技术角度上讲，达到了声音最真实的还原。