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模擬音頻的起源在電話線路。至今很多標準里的一些數(shù)據(jù)，比如600歐姆阻抗等一些參數(shù)還是從電話線路設計中遺留下來的。趁著最近設計一個語音矩陣的項目，總結了下網(wǎng)上一些關于音頻方面的知識。
首先明確幾個DIY發(fā)燒友們老是提到的概念。之所以提這個，是因為項目里用到的音頻是跟其他設備集成的。對于其他設備其電路特性無從可知，只能從指標入手。還有就是傳統(tǒng)電話線路遺傳下來的在音響領域DIY設備時通常提到的平衡與非平衡傳輸?shù)膯栴}。最后會從音頻線路阻抗匹配的角度入手，介紹一些常見的Line In/Out;Mic in/Out之間的關系，以及常見的DIY燒友關心的耳機的一些指標，以及用什么樣的功放才能驅動的問題。
我們知道衡量聲音的最主要的一個參數(shù)聲音的響度。初中物理就學過，單位是dB。等等。。。如果我沒記錯，上過大學的我記得db這個單位好像是放大倍數(shù)的意思，好像是個比值？而且好像基數(shù)有的時候是10倍，有的時候是20倍。既然是個比值，這個聲音的響度是怎么回事，是誰跟誰比??？讓我們回顧一下，大學書里面的db。如果沒記錯，這個概念主要出現(xiàn)在兩個地方，一個地方是模電里放大電路那塊，電壓放大那塊，包括信號與系統(tǒng)里面信號的幅度響應那塊，也是電壓，這塊的公式是：
dB = 20 * log （U1 / U2）；
另一個地方就是功放那塊，功率放大那塊，這塊的公式是：
dB = 10 * log （P1/ P2）。
發(fā)現(xiàn)規(guī)律了嗎？凡是跟功率有關系的都是20，跟壓強有關系的都是10倍基數(shù)。其實這兩個公式是統(tǒng)一的，因為歐姆定律告訴我們，P=U2/R，利用這個式子上面2個公式就統(tǒng)一了。這樣說并不是很難理解，難理解的是我們在看一些datasheet時，一遇到很多參數(shù)單位都是db時，就容易忽略這個問題，老是犯嘀咕。
既然這樣，那我們的聲音的dB又是什么呢？我們知道聲音的響度其實是個功率概念。但是要記得，這個聲音多么響是客觀的，但是人距離聲源的距離對人耳朵來說感受是不一樣的，也就是說準確的將，響度是單位空間截面積上的功率。從能量的角度，響度 = 能量 / （時間*面積）=功率 / 面積。還有一個概念，大家肯定聽過叫聲壓。聲壓跟響度之間的關系類似于激勵跟響應的關系。準確地講，聲強（I）與聲壓（P）的關系為：
I=（P^2）/（ρv） （此時P為有效值，若P為幅值，則 I=（P^2）/（2ρv） ）其中ρ-介質密度，v-聲速。
由于介質密度跟聲速都是常數(shù)，因此聲壓跟聲強其實跟功率和電壓的關系類似。那么這里響應的用聲壓（P）表示聲音強度時：
dB = 20 * log （U1 / U2）；
用聲強表示時則為：
dB = 10 * log （I1 / I2）
等等，我記得我們說聲音，都是這么說的，你說話的分貝數(shù)太高了，一個戰(zhàn)斗機飛過接近130dB的聲音。dB不是一個相對的放大倍數(shù)嗎？通常情況下，當人們說到“分貝”的時候，卻指的是壓強。畢竟是聲波的壓力壓迫我們的耳鼓膜來讓我們分辨出聲音究竟有多“響”的。所以，我們通常所談到的分貝應該是dBSPL（Sound Pressure Levels）。我們說的dB正是以聲壓作為單位時，是跟誰相比放大的呢？這個數(shù)就是0.00002 Pa，即我們平時說的
dB=20 * log （P1 / 0.00002Pa）
我們能忍受的最強的聲壓大約是20帕，你試試用分貝表示一下看看？應該如下：20 * log （20 Pa / .00002 Pa） = 120 dB。怎樣，還記得物理課說過的吧？超過120分貝的聲音，我們就無法忍受了，這個值就是這么算的。明白了這個問題，請試著回答以下幾個問題：
1.20dB和60dB究竟差多少？（不要回答我60-20=40（dB），我抽你呀！你告訴我40dB究竟是多響，難道用手指在峰值表上測量距離嗎？）
2.72dB和66dB的聲音合在一起有多響？（停！看你的口型我就知道——138dB，對不對？拜托~這可相當于一架噴氣式戰(zhàn)斗機從你身邊一米處遠的距離飛過?。reyounuts？而我說的兩個數(shù)值相當于一個鼓手和一個吉他手在一起演奏而已，你認為一個樂隊演出就像空軍基地里飛戰(zhàn)斗機那么吵么？）
3.經(jīng)常聽人說一些設備的各種指標，-10dBV和+4dBu，這個很熟悉吧？他們說，+4dBu的設備屬于“專業(yè)級”，-10dBV屬于“民用級”，你知道這是為什么嗎？
4. 為什么有些文章說數(shù)字設備不會超過0dB，而模擬設備就可以超過呢？
5. 16bit數(shù)字音頻的動態(tài)范圍是多少？24bit呢？如果讓你說出21bit的，你能說出來嗎？
6. 100瓦的吉他音箱能比50瓦的吉他音箱響多少？
什么，還有這么多概念！不急，這些就都簡單了。
dBu， dBv， dBV，dBm， dBVU， dBFS這些東東的意思到底指什么呢。不過有了以上的基礎，你明白這些小東西只是時間的問題，讓我們先從原理開始：
我們已經(jīng)明白了分貝的含義，應當特別注意的是：分貝表示的是兩個相同類型的數(shù)據(jù)之間的比（類型要相同，這一點很重要，你不能拿瓦特和伏特直接進行比較）。在這兩個數(shù)據(jù)里，其中的一個我們把它叫做“參照數(shù)”，我們即是通過把測量到的數(shù)值和參照數(shù)代入公式進行計算來得到相應的分貝值的。比如之前我們已經(jīng)使用過聲壓作為測量單位，那是我們選取的參照數(shù)是0.00002帕斯卡。我們最后得到的分貝值，我們稱之為“dBSPL”。也就是說，dB后面不同的字母指示的就是我們用什么作為測量單位來得到這個分貝值的。用聲壓，那么就是SPL（SoundPressure Levels）。這樣解釋應該非常明確吧？如果你看懂了，那么我就來一個一個地解釋其他和dB有關的單位。
dBm 和 dBVU
我們已經(jīng)討論過用功率測量得到分貝值的方法，那時我們說的是聲音的功率，單位是瓦特。不過我們知道，除了聲音之外，還有很多現(xiàn)象可以產生功率的，比如說電。
很久以前，在發(fā)光二極管和液晶顯示屏尚未誕生的“古代”，工程師們依賴一種叫做VU表的設備來完成他們的工作。VU表看起來就像一個駕駛室里的速度表，用一個指針以順時針方向指示通過此題的電流增量。VU是“VolumeUnit”的簡寫，意即：音量計量單位。
VU表的問題是每一個VU表都不一樣！直到上世紀30年代末，一群工程師們坐在一起決定統(tǒng)一一下VU表的計量規(guī)范，這個問題才得以解決。他們確定的標準是：當電流的功率為1毫瓦（1mW），VU表指示0dB。換句話說：0dBm =0dBVU。dB后面的m就代表毫瓦。dBm也是以功率為單位測量的，參照數(shù)是1mW。
dBm = 10 * log （功率 / 1mW）
這樣，我們就可以很容易得用dBm來表示電流功率的變化了。還記得么？當測量值和參照物相等的時候，dB值總是為0嗎？所以了：
10 * log （1mW / 1mW） = 10 * log （1） = 0 dBm
當VU表的指針指向+3dBm的時候，功率增加了一倍，怎么算的？這樣：
10 * log （2mW / 1mW） = 10 * log （2） = 3 dBm ----我說過了，至少你要準備一個科學計算器，對數(shù)是不好心算的。
那要是指向-6dBm呢？
10 * log （0.25mW / 1mW） = 10 * log （0.25） = -6 dBm
dBu（也叫做dBv）和dBV
再回憶一下高中物理吧。功率（P）還可以用電壓（V）和電阻（R）之間的關系來表示：
P = V^ / R ---- 電阻的單位是歐姆（Ω）
剛才討論dBm的時候，參照數(shù)是1mW。這個標準是在上個世紀三十年代設立的。在那個時候，所有音頻設備的輸入阻抗都是600歐姆，磁帶錄音機，調音臺，前置功率放大器……只要有插頭，那么從火線到接地之間的電阻就是600歐姆。
那么，當電阻為600歐姆的時候，需要多大的電壓才能產生1mW的功率呢？用剛才的公式計算一下：
P = V^ / R
0.001 W = V^ / 600 Ω［/B］
V2 = 0.001 W * 600 Ω
V = sqrt （0.001 W * 600 Ω） ----sqrt是開平方，我不知道怎么打這個符號。
V = 0.775 V
答案是0.775伏特。那么，當所有的設備的輸入阻抗還是600歐姆的那個年代，計算dBu時所用到的參照數(shù)就是0.775V，也就是說，dBu就是以電壓為測量單位是計算出的分貝值。不過我們又注意到，剛才的公式里電壓是平方數(shù)的哦。根據(jù)前面的經(jīng)驗，我們知道怎么處理這個問題：
dBu = 20 * log （被測電壓 / 0.775 V）
如果你很仔細的話，大概你會覺得奇怪：為什么是dBu而不是dBv呢？其實呀，很早以前人們是直接用dBv來表示的，只不過后來人們發(fā)現(xiàn)dBv和dBV太容易讓人混淆了，于是就用小寫字母“u”來代替小寫字母“v”了。如果你還能看到dBv，那么它的意思就是我們今天講到的dBu——除非寫dBv的人搞不清楚他到底想說什么！
很長一段時間以來，人們所用到的音頻設備都是輸入阻抗為600歐姆的，到了今天我們才會遇見一些更高阻抗的設備，比如說10000Ω。電阻越高，電路耗費的功率就越低。（根據(jù)上面的公式，我們知道功率和電阻成反比）還記得dBu使用的參照數(shù)是0.775V吧？很多工程師認為這個數(shù)字實在是太麻煩了，但因為那時候所有的設備都是固定的輸入阻抗，因此使用0.775V作為參照數(shù)也就順理成章了。設備不改進，這個參照數(shù)也就不能變，但是為了使用方便，一個新的參照數(shù)還是很快發(fā)展了出來——順帶產生了新的分貝單位dBV。這個參照數(shù)是1V：
dBV = 20 * log （被測電壓 / 1V）
其實dBV和dBu非常相似，只是參照數(shù)不同罷了。
現(xiàn)在順便說說所謂“專業(yè)級”和“用戶級”設備之間的差別。你可能早就知道了，專業(yè)級設備是+4dBu而用戶級設備是-10dBV，當然這其實是很荒謬的，哈哈。我們剛才已經(jīng)看到了dBu和dBV都是通過比較電壓來計算分貝值的，除了參照數(shù)不同，它們沒有任何區(qū)別。所謂專業(yè)級，是指這些設備的使用者多是一些“大叔”（因為標準早嘛，使用的人當然大多數(shù)“資格”也都比較老）。事實上，僅憑這兩個參數(shù)就斷定設備的“級別”未免太過武斷了，在任何場合這兩種規(guī)格的設備都可以很好地完成工作要求。我覺得吧，在這方面我們應當多多發(fā)揮人的主觀能動性。設備之間的硬性差別我們心中有數(shù)就可以了，但如何使用我們掌握的知識讓你手中的設備發(fā)揮最大的潛能才是我們應該追求的境界。設備不好是個錢的問題，有了好設備做不好音樂那就是人的問題了，錢的問題可以解決，人的問題不好解決呀！在我們海峽對面有個小島，上面的人雖然不多，但是搞音樂的卻不少，我們承認他們的音樂發(fā)展得不錯，但并代表他們搞音樂的人水平就都很高，在他們那里有個鳥論壇，上面就有些鳥人大言不慚的就“專業(yè)”和“用戶”設備的差別大放狗——那個什么氣！讓我這個海峽另外一邊的菜鳥（順便說一句，那里有很多人都認為海峽這邊的人比他們差的遠了）都有些看不下去了……本是同根生啊~但誰讓現(xiàn)在是這么個形勢呢？為了讓海峽這邊的同志不要也像他們一樣看起來“專業(yè)”，其實很“操蛋”，所以我才寫下這一段話——應該說，促成我寫這篇文章，有很大的原因也是為了這個！
好了好了，話題扯遠了，我們來看看+4dBu和-10dBV到底有什么區(qū)別吧：
+ 4 dBu = 20 * log （被測電壓 / 0.775 V）
被測電壓 = 1.228 V
- 10 dBV = 20 * log （被測電壓 / 1 V）
被測電壓 = 0.3162 V
20 * log （1.228 V / 0.3162 V） = 11.79 dB
如果你有這兩種設備，你可以做一個檢測：連接-10dBV的輸出到+4dBu的輸入，然后讀一下+4dBU的VU表，是不是11.79dBVU？
dBFS
最后我們來看看和我們聯(lián)系最密切的dBFS。dBFS的全稱是“Decibels FullScale”（全分貝刻度）——是一種為數(shù)字音頻設備創(chuàng)立的分貝值表示方法。
這個家伙和其他幾個弟兄不太一樣了，它的參照數(shù)不是最小的一個，也不是中間的某一個，而是最大的一個！也就是說“0dBFS”是數(shù)字設備能夠到達的最高響度水平。此外所有的值都會小于這個數(shù)值——都是負數(shù)。這就是為什么我們在電腦上看到的峰值表的最高刻度都是“0”，并且指針永遠不會讀出更高的數(shù)字。
但是，為什么會這樣呢？要解釋這個問題，我們要簡單說一下數(shù)字音頻的存儲原理。我們用16bit的數(shù)字音頻為例：“16bit”的意思是，采樣信號以16位二進制數(shù)字來存儲。二進制數(shù)字就兩個：“0”和“1”。所以，最大的值就是11111111 1111 1111（二進制，換算成十進制是65536），因此，計算dBFS的公式就是：
dBFS = 20 * log （采樣信號 / 1111 1111 11111111）
這樣就很容易解釋為什么不能超過“0”了，因為dBFS的參照數(shù)是最大值，所以：
20 * log （1111 1111 1111 1111 / 1111 1111 1111 1111） = 0dBFS
那么最小的呢？除了0之外，16位二進制最小的數(shù)字是：0000 0000 0000 0001，那么：
20 * log （0000 0000 0000 0001 / 1111 1111 1111 1111） = -96dBFS
知道為什么你看見的峰值表都是從0 dB到-96dB了吧？接下來，你可以自己算出24bit，32bit數(shù)字音頻的動態(tài)范圍了，我告訴你一個，24bit數(shù)字音頻的動態(tài)范圍是144dB。還是你自己試試吧？（別忘了要先把二進制轉換成十進制，我可不會用二進制算對數(shù)！^^）
工商網(wǎng)監(jiān)
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