音響系統連接

原始文章

作者：Rane技術團隊

RaneNote 110 編寫於1985年

最後修訂日期：2015年11月

主題： 

• 地迴路的成因與預防 Cause and prevention of ground loops

• 平衡與非平衡連接的接口 Interfacing balanced and unbalanced

• 正確的引腳連接與布線 Proper pin connections and wiring

• 機箱接地與信號接地 Chassis ground vs. signal ground

• 接地升降開關 Ground lift switches

簡介

這篇最初寫於1985年的說明，至今仍是我們最有用的參考資料之一。其受歡迎的原因在於，連接音頻設備時常會遭遇各種奇怪的噪聲、嗡嗡聲、嘯叫聲等問題，這些問題不僅讓人頭疼，還可能帶來經濟、物理和心理上的壓力。隨著技術進步，電子設備及其配線理應得到不斷改進。雖然自1985年以來音響業界有許多進步，但布線卻未見顯著改善。然而，音響工程學會（AES）終於發布了專業音頻設備連接的標準文件。該文件名為AES48，標題為《AES48-2005：音頻設備中含有有源電路的連接器屏蔽的接地和EMC實踐標準》。

Rane的政策是「適應而非支配」。然而，本文包含了一些針對外部布線的建議，最好僅由受過訓練的技術人員實施。安全規範要求工廠提供的所有原始接地方式保持完整，以確保操作安全。無法保證對偶發或間接損害承擔責任。（換句話說，不要隨意修改電纜或嘗試自製接地方式，除非你完全理解如何連接輸出和輸入。）

地迴路

幾乎所有的噪聲問題都可直接追溯到地迴路、接地或缺少接地。理解地迴路噪聲的成因，才能有效消除它。每個聲音系統元件內部會產生自己的地，通常稱為「音頻信號地 signal ground」。設備間的連接線纜可以通過導線將兩個裝置的信號地在某一點連接在一起。當這些設備的地同時在另一點（例如插頭的第三線或通過機架的金屬機箱）連接時，就會形成一個「迴路」回路，讓電流從一個裝置流出到另一個裝置再返回，形成地迴路。

並非電流本身會產生嗡嗡聲，而是當電流通過裝置的音頻信號地時才會產生嗡嗡聲。即使在沒有地迴路的情況下，每條連接線纜中總會有少量的噪聲電流（即，這些電流不可能完全消除）。如果您的系統使用完全平衡的連接，這些噪聲電流是無害的，因為平衡連接具有優異的噪聲拒斥能力。然而，不少平衡音頻設備的內部接地設計不完善，導致無法抵抗線纜中的噪聲電流，因此有時平衡連接的名聲不佳。

平衡連接的另一個壞名聲來自於誤解，以為將非平衡設備連接到「優越」的平衡設備會改進效果。然而，平衡和非平衡連接並不相容。完全非平衡系統（如家庭音響）也會存在地迴路噪聲電流，但通常不會大到影響音頻。然而，在混合使用平衡和非平衡設備時，問題則會加劇，因為兩者不相容。本文後續將展示幾種推薦的連接方案。

產生這些噪聲電流的推動電位（或電壓）出現在系統中兩個或多個裝置的獨立地之間。由於迴路的阻抗很低，即使電壓不高，電流也很大，這就是歐姆定律發揮作用的地方。我們不建議測量這些阻抗，因為其通常微乎其微，不易測量。

最理想的正確方式

AES48標準推薦的方法是使用平衡線纜，並將線纜的屏蔽層在線纜進入機箱處兩端連接至金屬機箱。

平衡線路需要三條獨立的導線，其中兩條為信號（+ 和 -）導線，另一條為屏蔽線（見圖 1a）。屏蔽線用於保護敏感的音頻線路免受干擾。只有使用平衡線路連接，才能保證（是的，保證）無噪音的效果。請務必使用雙絞線電纜。此外，將屏蔽線在兩端接地到機殼也可以確保對射頻干擾（RFI）和其他噪聲（如霓虹燈、燈光調光器）的最佳保護。

Neil Muncy 是一位電聲顧問，擁有多年成功系統設計的經驗，目前擔任 AES 標準委員會（SC-05-05）的主席，負責這一領域的研究。他經常在全球巡迴演講，傳授如何成功連接專業音響設備的信息。他指出，無法從多個不同廠商購買專業音響設備、購買標準現成的電纜組件，回家後連接好一切，便能實現無噪音的即插即用，這是荒謬的。儘管無噪音連接的科學和規則已知且有據可依已有超過 60 年的歷史，但事實卻常常並非如此（參見參考文獻以獲取完整信息）。

這一切歸結於使用平衡線路、只使用平衡線路，且僅使用平衡線路。這正是平衡線路被開發出來的原因。此外，應將屏蔽線在進入機殼時與機殼接地，並在電纜的兩端這樣做（關於「兩端」的細節稍後會說明）。

由於標準的 XLR 電纜兩端的屏蔽線都接到插頭的腳 1（而外殼並未接地，且不需要接地），這意味著使用 3-pin XLR 型接頭的設備必須將腳 1 接到機殼（通常稱為機殼接地）—而不是常見的音頻信號地。

不使用信號地是與一般專業音頻做法最顯著的不同。不是說它的正確性有爭議，沒有，這就是正確的做法。那麼為什麼音響設備並非都這樣設計呢？嗯，有一些設備是這樣的，從 1993 年開始，有越來越多的設備這樣設計。那時，Rane 開始生產部分產品，其平衡輸入和輸出將腳 1 接到機殼上。那麼為什麼不是所有設備都這樣做呢？因為現實情況複雜，一些事情很難改變，並且始終會有在正確接地規範出現之前生產的舊設備存在。

非平衡設備則是另一個問題：它無處不在，容易獲得且價格便宜。各種消費級設備上的 RCA 和 1/4" TS（插頭—袖子）接頭、控制台上的效果回路和插入點、信號處理設備、半專業的數位和類比錄音機、電腦卡、混音控制台等都屬於此類。

這份備忘錄的其餘部分提供了成功連接非平衡設備的技巧。當非平衡設備與全平衡設備「盲目」連接時，會產生噪音和不良操作，需要額外措施來解決問題。

次佳的正確做法 連接平衡和非平衡設備的最快、最安靜和最穩妥的方法是將所有非平衡連接進行變壓器隔離。見圖 2。

許多製造商提供幾種工具來解決這個問題，包括 Rane（見 BB22、BB44 和 LT22）。請與您的音頻經銷商聯繫，了解可用的選項。

這些適配器的目標是允許使用標準電纜。使用這些變壓器隔離盒時，無需修改電纜組件。幾乎任何兩台音頻設備都可以成功接口，而不會有不必要的嗡嗡聲或噪音風險。

另一種創建必要隔離的方法是使用DI。DI最初用於將電吉他的高阻抗、高電平輸出轉換為錄音控制台的低阻抗、低電平輸入，允許演奏者“直接”插入控制台。現在，這個術語通常用來描述任何用來將非平衡線路轉換為平衡線路的設備。

最後的最佳做法

如果變壓器隔離無法使用，特殊的電纜組件則是最後的選擇。這裡的關鍵是防止屏蔽電流流入那些接地設計不當而在音頻路徑中產生地迴路（嗡嗡聲）的設備（即大多數音頻設備）。

理論上，將屏蔽的兩端都連接是最佳的設備互連方式 —— 儘管這假設所連接的設備內部接地設計是正確的。由於大多數設備的內部接地不正確，因此通常不會實踐兩端連接屏蔽的做法，因為這樣通常會造成嘈雜的互連。

解決這些嘈雜的嗡嗡聲和雜音問題的常見解決方案是斷開一端的屏蔽，儘管市場上並不會提供預設屏蔽端被斷開的現成電纜。最佳的做法是斷開接收端的屏蔽。如果斷開一端的屏蔽，嘈雜的嗡嗡聲電流就會停止流動 —— 但僅在低頻時有效。僅在發送端連接屏蔽可以最大程度減少高頻（射頻）干擾，因為它防止屏蔽作為天線對下一個輸入進行干擾。許多人通過提供一個小型電容器（0.1 或 0.01 微法拉陶瓷圓片）從抬升端的屏蔽到機殼，來減少這種射頻干擾的潛力（這被稱為“混合屏蔽終端”，其中發送端與機殼連接，接收端則是電容耦合的。例如，Neutrik 的 EMC-XLR）。事實上，許多現代安裝人員仍然堅持使用這種僅限一端屏蔽的做法，並且一貫成功，這表明這種方法以及其他解決射頻問題的可接受方法確實存在，儘管數字和無線技術的使用日益增加，將大大增加未來射頻問題的可能性。

如果您確實將嗡嗡聲問題隔離到某個特定設備，可能儘管文件顯示設備內部有適當的機殼接地，但疑似設備內部的接地實際上並不正確。這時，特殊的測試電纜組件會非常有用。這些組件允許您在進入點將屏蔽連接到機殼接地，或者將其連接到引腳1，或者抬升一端的屏蔽。在您隔離的設備上，如果有多個輸入和輸出，問題會變得更複雜。對於具有多個電纜的可疑設備，嘗試對每個連接進行不同的配置，看看是否需要在多個點上使用特殊的電纜組件。

圖4：建議的連接線組合

請參閱圖4，根據您的具體連接需求選擇合適的線組配置。首先查找適合的輸出配置（位於左側），然後與頁面上方的正確輸入配置匹配。接下來，參考以下的接線圖。

地面提升（Ground Lifts）

許多設備都配備了地面提升開關。然而，只有少數情況能證明地面提升開關能改善與地面相關的噪音。（地面提升開關對你來說真的有效過嗎？）實際上，地面提升開關的存在大大降低了設備「正確」接地的能力，因此減少了對地面環路嗡嗡聲的免疫力。地面提升開關只是用來應對接地問題的一種臨時解決方法。然而，確實有一點是正確的：一整個正確接地的設備系統，在沒有地面提升開關的情況下，保證（是的，保證）不會有嗡嗡聲問題。問題是，大多數設備並沒有正確接地（無論是內部還是外部，AC 系統方面）。

大多數帶有地面提升開關的設備在出廠時已經是「接地」的，即機殼與音頻信號接地相連。（這應該是最佳狀況，也是地面提升開關的「最安全」位置。）如果您在連接系統後發現過度的嗡嗡聲或雜音，這說明系統接地配置某處不兼容。除了這些特殊的線組可以幫助解決問題外，還有一些方法可以嘗試：

- 嘗試切換帶有提升開關（或鏈接）的設備的接地設定。最好在關閉電源的情況下進行此操作！

- 如果您的系統完全是平衡的，請確保所有機殼都已接入良好的大地接地，以確保安全並減少嗡嗡聲。

- 完全不平衡的系統通常不會接地（除了有線電視，這常常成為地面環路的來源）。如果您擁有混合的平衡和不平衡系統，最好使用隔離變壓器，或者如果無法這樣做，可以嘗試使用這些特殊的線組，並且預期這將需要花費很多時間來解決噪音問題。願原力與你同在。

帶外部電源（例如牆壁插頭或「小型變壓器」）的平衡設備不會通過電源線將機殼接地。請確保這些設備的機殼通過星形洗板可靠地接入大地接地。（Rane 通常會提供這樣的機殼接地點，並配有齒形螺母。）任何配備三腳插頭的設備（如放大器）都可以作為大地接地點。機架鐵條是否能提供此功能取決於螺釘的位置和塗漆情況。

漂浮型、偽平衡和準平衡

在檢查過程中，您可能會遇到一種叫做漂浮不平衡的1/4英寸輸出，有時也稱為偽平衡或準平衡。在這種配置中，輸出階段的套管在設備內部沒有連接，環形接地通常通過一個小電阻連接到音頻信號接地。這樣可以讓插頭和環形顯示為平衡阻抗，儘管輸出電路本身並不平衡。

漂浮不平衡通常能夠驅動平衡或不平衡輸入，具體取決於插入的標準線纜是TS還是TRS。如果出現嗡嗡聲，則需要特殊的線纜。請參見圖11和圖12，並且不要像交叉連接那樣將環形和套管連接在一起。

總結

如果您無法正確操作（即使用完全平衡的接線並將屏蔽接到進線端的機殼，或者將所有不平衡信號與平衡信號進行變壓器隔離），則無法保證完全無嗡嗡聲的連接，也無法確保任何配置都能保證無噪音操作。

如何贏得接線大戰

- 儘可能使用平衡連接，並將屏蔽接地固定在兩端的金屬機殼上。

- 對所有不平衡連接進行變壓器隔離。

- 當不平衡連接無法進行變壓器隔離時，請使用特殊的線組。

- 任何不平衡的電纜長度應保持在10英尺（3米）以內。超過這個長度將會放大不平衡電路的地面環路所帶來的副作用。

- 當一切都無法解決時，數位化一切，使用光纖電纜，並進入全新的問題領域。

參考文獻

- Neil A. Muncy，《Noise Susceptibility in Analog and Digital Signal Processing Systems》，音頻工程協會第97屆會議（1994年11月）。

- Grounding, Shielding, and Interconnections in Analog & Digital Signal Processing Systems: Understanding the Basics；由Neil Muncy和Cal Perkins於1994年11月在音頻工程協會第97屆會議上設計並演講的工作坊。

- 1995年6月的AES期刊，卷43，第6期，音頻工程協會提供，會員價格6美元，非會員價格11美元。

- Phillip Giddings，《Audio System Design and Installation》（SAMS，印第安納州，1990年）。

- Ralph Morrison，《Noise and Other Interfering Signals》（Wiley，紐約，1992年）。

- Henry W. Ott，《Noise Reduction Techniques in Electronic Systems，第二版》（Wiley，紐約，1988年）。

- Cal Perkins，《Measurement Techniques for Debugging Electronic Systems and Their Instrumentation》，第11屆國際AES會議《音頻測試與測量》，波特蘭，OR（1992年5月）。

- Macatee，RaneNote《Grounding and Shielding Audio Devices》，Rane，1994年。

- Philip Giddings，《Grounding and Shielding for Sound and Video》，S&VC，1995年9月20日。

- AES48-2005：AES標準《Grounding and EMC practices -- Shields of connectors in audio equipment containing active circuitry》，音頻工程協會，紐約，2005年。