淺談一下平衡輸出對於耳機系統的優劣與必要性
此文於2013/7/10更新並補充資訊
平衡傳輸的基本精神關於平衡傳輸的原理上Google下關鍵字應該可以找到一堆資料
以類比音訊傳輸中的平衡輸出,輸入來說
普通的音響系統直接輸出的訊號中,單一聲道中含有SIGNAL和GND,也就是訊號本身和接地
而平衡系統的輸出下,訊號變成兩條,一個是原始訊號HOT,另一個經由反向器合成的反向訊號COLD
這樣做的理由是為了防止長距離傳輸下的雜訊干擾
正訊號HOT和反向訊號COLD傳輸過程中都有可能被電波等雜訊干擾,假設干擾HOT和COLD的雜訊為一致的情況下
到了非平衡接收端的時候, 只要再用一次反向器把COLD訊號轉回正向訊號, 並用加法器把兩者相加理論上即可抵消雜訊
平衡系統的主要訴求是在線路業務用長距離傳輸下,還能夠保有一定的抗雜訊抗干擾能力
例如演唱會,舞台表演的麥克風,音響系統等.常常到了接收端後還是會轉回單端訊號再處理
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假設DAC原始輸出的訊號為1KHz 1Vrms SIN波,雜訊為10KHz 0.1Vrms SIN
DAC平衡輸出時,假設系統本身並無產生雜訊,則此時HOT端為1KHz 1V SIN, COLD端為1KHz 1V COS
到達輸入系統時
HOT端為1KHz 1V SIN + (NOISE)10KHz 0.1Vrms SIN
COLD端為1KHz 1V COS + (NOISE)10KHz 0.1Vrms SIN
(雜訊為外界干擾產生)
為什麼雜訊部分一樣, 因為雜訊並沒有經由反向器而是經由線材吸收電波或是任何外在影響產生
接著輸入單端系統處理時,把COLD訊號再反向一次
此時
HOT端為1KHz 1V SIN + (NOISE)10KHz 0.1Vrms SIN
COLD端(再度反向)為1KHz 1V SIN + (NOISE)10KHz 0.1Vrms COS
最後將兩訊號以類比加法器(Mixer)相加,得到訊號為
1KHz 2V SIN + (NOISE)None
原本10KHz 0.1Vrms SIN的雜訊因為與同相位的COS相加剛好抵銷為0,這就是平衡傳輸下消除同向背景雜訊的原始精神
平衡傳輸的用意,是在長距離(例如Live會場)或是相對惡劣的傳輸環境上還能夠保證一定等級的傳輸水準
耳機系統中的平衡傳輸平衡輸出驅動耳機的方式耳機單體只有兩個接點,一為訊號輸入, 二為接地
平衡輸出下接入耳機採用差動輸出(橋接輸出), Hot接入訊號輸入端,反向的Cold接入接地端當成假想接地(相對接地)
例如原始訊號為1V 1KHz SIN波, 則Hot訊號輸入耳機訊號輸入端為1V 1KHz SIN, 假想接地則為Cold所提供的1V 1KHz COS且電流流回Cold端的放大電路
此時流經單體的等校電位為2V 1KHz SIN波
以下圖為例
差動輸出下,原本恆為0V的地(GND)會隨著訊號隨時變動,能夠得到等效兩倍的電位差
平衡傳輸在耳機系統中的用途平衡傳輸在耳機系統中主要有三個地方有用到(或是宣稱用到)
1. Digital Player -> DAC (AES/EBU)
2. DAC -> AMP (ANALOG XLR)
3. AMP -> Headphone (ANALOG XLR)
中間
1.的意義甚小,如果你的Network Player跟DAC的擺設距離有一點遠的話,
2.的意義甚小, 除非你的DAC和AMP擺的非常遠且類比線材屏蔽很差
3.平衡訊號以差動出力(橋接)方式推動耳機, 能夠得到同樣電路設計下單端系統2倍的驅動電壓和4倍的驅動功率, 但實質的效果和帶來的變因是我所質疑的
1的部分為數位傳輸, 只要AES/EBU之SPDIF訊號的BMC編碼方波訊號不因外界雜訊影響到無法判別的情況下, 與普通光纖與同軸傳輸並無結果上的差別.
當然,同樣線材與條件下,數位平衡傳輸(AES/EBU)理論上可以達到更小的BER(Bit Error Rate), 不過是否有意義要取決於本身線材的優劣與傳輸端接收端的穩定性
以USB 2.0容許的最高BER為例, 192KHz/24Bit的資料傳輸下約為2個小時出現一次error bit(若為44.1KHz/16Bit則更長), 若以CAT7網路線為例則是全速傳輸(1000MBps)下約12小時會出現一次Error Bit
短距離的數位訊號傳輸穩定度很高, 家用音響系統的數位傳輸採用AES/EBU平衡傳輸方式與同軸, 光纖等標準SPDIF訊號應無任何明顯差別
2的部分要分為接收端為平衡系統,或是可以接受平衡訊號的單端(非平衡)系統
可接受平衡訊號的單端(非平衡)系統來說若是DAC平衡輸出->AMP平衡輸入->AMP單端輸出(普通三極耳機孔)至少要多經過幾道程序
輸出反向 -> 輸入反向 -> 訊號相加(雜訊正反相抵)
在音響系統中我們都知道多一道處理多一隻鬼
這中間每一道程序對於音質的失真,都與通過一次OPAMP相同. 等於是只為了連接DAC和AMP無緣無故多了三道失真,
而且DAC和AMP的擺設距離常常只有不到一公尺,良好隔離包覆的類比訊號線材實在難以收到什麼外在雜訊(良好線材具有>110dB的雜訊隔離能力)的情況下,
我實在是想不出來硬要用所謂的平衡傳輸有什麼意義
當然單端(非平衡)系統可以只取用平衡輸入的Hot訊號,而直接捨去Cold訊號. 不過這樣做就不能稱作為真正的平衡輸入,因為並沒有環境雜訊抑制的能力
接受平衡訊號輸入,並支援平衡訊號輸出的擴大機(或是耳擴)此類耳擴內部共有4組獨立放大電路,分別為L+ L- R+ R-, 耳擴獨立放大後直接以差動輸出(橋接輸出)驅動耳機
理論上完美的平衡系統中, Hot訊號與Cold訊號完全相位相反, Hot訊號減去Cold訊號可以得到電壓振福為兩倍的原始訊號
但是這裡會碰到一個非常大的影響因素, 類比元件的劣化與相位的準確度
對於單端(非平衡系統中), 輸出訊號流入耳機(喇叭),將電能轉換為熱能與動能(聲能)後電流回歸接地(GND 0V)
由於地衡為0V,所以只需考慮到訊號放大本身的品質因素
但就像之前提到的,平衡輸出的地是隨著訊號隨時變動的,只有在Hot Cold訊號完全相反的時候才能夠成為理想的虛擬接地
但是類比元件多少會有誤差, 我們可以探討一下放大電路中各種元件得誤差會造成什麼樣的後果
1.電阻的誤差 = 影響到最終輸出電壓,輸出阻抗,或是OPAMP的放大比率 => 導致平衡輸出的波形變形
2.電容的誤差 = 電容的誤差會導致相位偏移(因為電容充放電曲線容易有誤差), 最種產生類似Jitter的訊號變形, 是我認為平衡系統最大的風險
3.OPAMP(運算放大器)的誤差 = OPAMP每顆的表現也不盡相同, 若Hot和Cold端OPAMP產生了不一致的失真, 則這個失真會疊加
以市面上購買到的音響用電容電阻而言,最低多為1%誤差的元件
尤其以電容最為嚴重, 電容經年使用後會有漏液導致電容量減少的問題, 電容量會直接影響到輸出相位
之前我提到,平衡訊號Hot和Cold必須相位完全相反, 若不相反則會發生如下的結果
這個結果相當嚴重吧, 等於是類比系統的失真而產生的Jitter, 並且不能靠類似DAC的倍頻演算來減輕
平衡系統為了要取得家用系統中幾乎無意義的抗雜訊能力以及兩倍的輸出電壓(非平衡系統中改變OPAMP的電阻配置比率即可達到)
所付出的代價甚多且變因甚大是我目前的結論
平衡系統的雜訊表現一般非平衡系統內部的雜訊SNR表現以平價機來說有110dB等級實力,中階機以上有120dB等級而且這已經是現今系統的極限
除非線路的配置上能夠保證Hot端和Cold端放大收到一模一樣的微小電磁雜訊,否則機內雜訊不會是平衡系統可以完美消除的對象
我個人認為, 業務用的平衡輸出對於極短距離的耳機系統上的意義甚小, 而造成系統複雜與不確定因素的風險甚大
除非有非平衡驅動不可之理由(ex:功率或是輸出電壓),個人不建議中等感度以上的耳機使用平衡系統
談一下獨立接地這件事情和耳機和音響系統的CrossTalk我們可以知道類比平衡傳輸意義甚小而且帶來的損失甚鉅, 但是耳機系統中左右聲道的獨立接地卻比較有意義
每一個耳機單體都可以視為一個電阻器, 訊號經由電阻器將訊號轉換為聲能後,理論上回到GND(地線)的時候是0V的訊號, 一般耳機只有把左右的聲音訊號分開, 但是GND部分是連接在一起的, 一般3.5mm 6.3mm耳機頭也是這樣設計
但是耳機的等效阻抗是可變的,類比系統中狀況往往也不如理論上完美,L/R兩聲道的GND接在一起確有可能會造成一定程度的互相干擾(CrossTalk), 事實上在我之前量測DAC和撥放器性能時, 左右獨立接地的系統和單一接地的系統的量測結果(RMAA)中, 左右獨立接地系統的CrossTalk確實較為優秀
但如果只是要追求獨立接地這件事情, 實在不需要勞師動眾把平衡系統請出來
如果MD玩家有印象的話, SHARP很早很早以前就曾經推出過四極耳機, 那個就是左右聲道獨立接地
而獨立接地的耳機頭也不需要誇張的使用XLR接頭, 只要使用類似iPhone/Android線控般的四極耳機頭即可
接下來談一下接地這件事情
一個訊號處理系統中, 輸入電源為DC-IN(VCC/VDD),而電源的接地部分為GND
所以地線是電源提供的, 如果系統只有單一電源供應的話無論如何獨立處理只要使用同樣的電源則都逃不了共地的命運(當然可以使用二極體來限制電流方向就是)
完美的獨立接地系統, DAC/AMP都需要有雙電源(兩個隔離變壓線圈或是兩個電池,兩個切換器),或是更極端一點用兩台AMP每一台負責單一聲道(平行單聲道擴大)
平衡系統的小結除非平衡電路中的所有類比元件都能夠完全0誤差, 否則出來的差動輸出精度我覺得很難比單端更完美(因為一個完美0V的地簡單太多了), 更不要說類比元件的劣化, 當然單端系統元件也會劣化, 但是平衡系統下的劣化會以兩倍以上甚至更嚴重(如果跟相位有關,例如電容的劣化)的程度來影響最終輸出.
現今家用音響系統的SNR在120dB已經是極限, 再往上除非在無電波實驗室聆聽才有意義, 而單端(非平衡)系統SNR表現逼近120dB的已經比比皆是(例如在下的HA5000就號稱能有117dB SNR的表現), 花這麼大時間成本增加無所謂的些微(尤其又是極短距離)的抗雜訊能力我實在覺得甚無異議
短距離鄰近配置下的耳機系統中,平衡系統的意義甚小且代價很大
而耳機系統的左右聲道獨立接地有其正面意義
然後這些標榜全平衡的設備一台比一台高價...我是覺得意義真的不大
還希望各位睜大眼睛看破這些音響/耳機界的商業技倆
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以下持續更新
超級後悔的
