【內容摘要】 本文詳細闡述了幾種數字接口的發展過程及其各自特性和原理，力求簡單通俗的讓大家對數字接口有充分的了解和掌握。
【關鍵詞】 數字接口 傳輸 連接
近年來，隨著數字音頻技術的發展，數字音頻設備的應用越來越廣泛，除了早期的CD機外，數字調音臺、MD錄音機、數字音頻工作站等數字音頻設備大量涌現。數字音頻設備具有的高性能指標自動化多功能的優點，使之應用十分廣泛，發展十分迅速。
數字設備在進行信號處理時有不同的方法和格式，其輸出的信號格式也不相同，因此存在著不同的數字接口，用戶在使用設備時必須搞清楚這些接口，信號才能正確的互相傳輸。
數字音頻信號的優點之一在于其傳輸過程中可以多次被完整地克隆，并且不會有人耳可以覺察到的音質損失。在模擬領域中，當信號在模擬磁帶錄音機之間進行傳輸時，在傳輸過程中由于種種原因，在每次拷貝之后都會引起信號信噪比的降低（即便在最理想的情況下也會有3dB~4dB的SNR損失）；頻響失真的提高以及由于設備傳動系統所引起的抖晃率的增加。在實際工作中必須使用標準的數字信號傳輸接口或電纜，具體闡述如下。
一. SDIF-2接口
SDIF（Sony Digital Interface Format索尼數字接口格式）是較早開發的一種音頻接口格式，系統在早期被稱為SDIF，但由于較高格式SDIF-2的開發而被舍棄，目前稱之為SDIF-2。由SONY公司開發的SDIF-2主要用于CD母盤處理設備之間（例如SONY PCM-1630，以及它的前身PCM-1600或PCM-1610）數字信號數據的傳輸。系統采用兩個電纜隨一個同步信號傳輸電纜來傳輸立體聲信號，因此在PCM-1630的連接面板上共有6個使用同軸電纜的BNC接口，分別為2個數據輸入，2個數據輸出，1個時鐘信號輸入和1個時鐘信號輸出。另外，目前較新的產品還可以通過一個8針式接口的電纜（通常被稱為復合數字接口）來傳輸所有這些數據。在SDIF格式下，信號以32bit信號包，串行模式進行傳輸，并且在32bit中，只有29個比特用來傳輸數據信息，而剩余的3個比特則用來表達同步信息。在29個數據信息比特中，前20個比特均用于傳輸數字音頻信號，但在接口只傳輸16-bit信號的情況下，剩余的4個比特則表示為0。除了音頻數據之外，第26和27比特主要用來通知信號接收設備是否原錄音信號帶有加重處理（加重處理主要是進一步提升在量化噪聲之上的高頻信號，以補償防混疊濾波器對高頻信號的衰減），第28比特為拷貝保護比特，第29比特用來標明同步數據塊的起始點，從第30到32比特承載同步信息。
二. AESEBU接口
就像很多其他公司建立自己的數字信號接口標準一樣，AES也規定了自己的標準傳輸接口，被稱為AES3，同時被歐洲廣播聯盟（EBU）所接受，所以被統稱為AESEBU數字接口。和SDIF-2系統一樣，在AESEBU標準中，音頻數據和子碼數據同時以串行的模式進行傳輸，但不同的是，AESEBU系統使用一個平衡電纜（XLR三針卡儂接口）來傳輸兩路立體聲信號，接口標準接近于IEC-958模式1標準。不同于SDIF-2接口（其使用長度受到很大的限制），AESEBU格式的電纜可以在沒有均衡補償的情況下，其使用長度可以達到106m（350英尺）。由于AESEBU信號使用FM聲道編碼以及自時鐘控制，所以不需要單獨的時鐘信號連接電纜。在數據傳輸中，每個屬幀包括32bit信息，其中包括24bit量化的音頻數據、8比特量化的子碼區域、聲道定義（左或右）、聲道狀態、同步信息以及用戶數據碼。
三. MADI接口
MADI（Multichannel Audio Digital Interface 多聲道音頻數字接口）又被稱為AES10（被稱為AES10-1991和ANSI S4.43-1991標準）。和其他兩聲道數據傳輸系統不同，MADI格式主要實現了數字多軌錄音機和數字多軌調音臺，以及和其他多軌數字錄音系統之間的多軌形式的連接。MADI格式采用一個使用距離最長可達50m的同軸電纜（BNC連接頭）和一個承載時間碼數據的同步電纜同時傳輸56個聲道信息數據。相對于AESEBU系統中，采樣頻率控制傳輸聲道的數率的模式，MADI系統的數率被固定在100MBS，同時56個聲道必須使用相同的采樣頻率。MADI系統從聲道0開始到聲道55，按串行模式傳輸56個聲道數據。MADI的聲道格式是以AES-3格式的屬幀格式開發的，但與AES-3不同的是前4個比特的安排，所以在MADI屬幀的32bit的排列順序為4個模式識別比特，20個音頻信息比特，然后是V，U，C，P比特。其中頭4個比特分別負責提供幀同步信息，識別聲道處于開啟還是關閉狀態，對立體聲信號進行左右聲道判斷以及指明數據塊的起點。
四. SPDIF接口：SPDIF(SonyPhilips Digital Interface Format索尼菲利浦數字接口格式)
由AESEBU格式發展而來，同時與AESEBU享有很多共同的特性，但主要用于民用設備連接的SPDIF格式中的聲道狀態數據塊的安排和專業AESEBU有很大的不同，其串行比特被安排為24個8bit字節（共192比特），其中只有前4個字節（0~3）被定義，而后面從字節4到字節23共20個字節則處于保留狀態。其中在字節0中的比特0被設定為0，代表系統用于民用領域；比特1代表承載數據是否為音頻信號（0代表音頻信號，1代表非音頻信號）；比特2代表拷貝保護狀態（0代表拷貝收到保護，1代表拷貝不受保護）；比特3代表前加重的使用情況；同時如果比特1顯示為音頻數據的話，比特4和5將代表兩個聲道的音頻信號，比特6和7用來設定字節1~3的模式（一般設定為模式00）。在字節1中的0~6比特負責定義索引編碼來識別設備所傳輸的數據的類型，在模式00狀態下，這些比特將用來通過定義不同的屬幀結構來定義不同的數字設備和不同的信號傳輸格式，其中包括CD、MD、DAT以及采樣轉換器等等。而在第一個字節中的第7個比特（數據塊中第15個比特）則用來識別所傳輸的數據是原始數據還是拷貝數據，也就是說用來定義SCMS即串行復制管理系統的狀態。當錄音機上的SPDIF輸入接口接收到專業AES3信號數據中的拷貝保護指令的話，系統將拒絕錄入數據流。字節2用來表示音源的代號及聲道號碼，而字節3則用來表示采樣頻率和時鐘精度。SPDIF格式屬于IEC-958模式I標準，并且因為作為民用格式來說并不要求使用低阻抗平衡電纜，所以SPDIF采用絕對值振幅為0.5V、阻抗為75、最大使用長度為10m的同軸電纜（或被稱為Cinch接頭），一些民用設備在連接距離低于15m的情況下使用Toslink接頭，塑料光纖電纜（玻璃光纖可以用于1000m以上的距離）。 [Page]
五. 光纖接口
在數字設備之間使用光纖電纜進行連接，改變了上百年來銅線在音頻領域中的主宰地位。光纖信號傳輸原理近似于海軍使用的燈語，模擬或數字電信號通過信號傳輸器被轉換為光信號，并以恒定的開或關得形式（分別代表數字信號中的1和0）在光線電纜中傳輸，光信號源通常為發光二極管（LED）或激光二極管（LD），并通過透鏡聚焦將信號送入電纜。其中LED的信號發射面積較大，但信號質量不如LD，只能在較短的距離內使用，而盡管LD具有較小的信號發射面積，同時可以和光線電纜連接輸出較大的信號功率但無法在較大范圍的操作溫度下使用，同時造價昂貴。光信號通過光纖電纜后在信號接收端通過PIN光敏二極管或具有自身增益功能的APD雪崩光敏二極管將光信號轉換回電信號。光纖電纜具備有利于音頻信號傳輸的種種優點，例如完全沒有電磁干擾、較低的信號衰減、高帶寬、很少的信號傳輸延時以及低比特錯誤率等等，并且重量輕體積小，同時由于光纖屬于非金屬材料，所以不會有接地回路的問題產生。具有1Gbs信號傳輸率的光纖電纜非常普遍，一些實驗光纖系統甚至可以在較長的距離內達到30Gbs的傳輸能力。盡管光纖電纜在連接很多電氣系統的時候，需要信號中繼器來提升信號值，彌補信號傳輸損失，但氟化物光纖則可以在使用中繼器之前，將信號高質量的傳輸上千米。氟化物光線是由氟化物玻璃做成的光纖，這種光纖原料又簡稱ZBLAN。光纖尺寸微米測量，典型的光纖直徑在10m～200m之間。
光纖電纜從里到外共有三層，即由玻璃或塑料材料制成，負責傳輸光信號的纖芯層，負責將光信號反射回光纖纖芯的被覆層以及最外層的緩沖屏蔽層。其中由玻璃或者塑料材料制成的被覆層是非常有效的反射層（但其對光的折射指數應低于纖芯），當在纖芯中傳輸的光束遇到被覆層后，如果光束和被覆層內壁所形成的角度小于臨界角度，將被部分反射回纖芯，同時部分光束一折射的形式進入被覆層，而如果大于臨界角度的話光束將被全部反射回纖芯層，被稱為完全內部反射。因此，如果由纖芯傳導的光束的入射角均大于臨界角度的話，信號質量僅受到光吸收和接口損失的影響。臨界角度取決于纖芯和被覆層的折射指數。由于光信號進入纖芯角度的不同，造成不同光束到達接收端的時間也不同，從而產生“拖尾效應”并因此限制了系統所能傳輸的最大頻率。簡單地說，光束在電纜中的數量越少，所能傳輸的帶寬就越大，并且數量多少可以通過纖芯層的直徑來控制。光纖根據光束被傳輸路徑的數量（一個或多個）大致可以被分為單一模式光纖和多重模式光纖。其中單一模式光纖使用較小的纖芯（大約3.5×10-4英寸或9m直徑）來傳輸波長為1300nm~1550nm的紅外線激光。多重模式光纖具有較大的纖芯（大約2.5×10-3英寸或62.5m直徑），
由發光二極管（LEDs）來傳輸波長在850nm~1300nm之間的紅外線光。一些由塑料制成的光纖電纜使用更大的纖芯直徑（0.04英寸或1mm）來傳輸波長為650nm的可視紅光。盡管在光纖電纜中的被覆層可以對光實行完全的反射，使信號可以在較長距離內進行傳輸，但信號的損失卻通常發生在纖芯層自身，其主要決定于纖芯層所使用材料的純度和所傳輸光的波長。光信號的損失通常以固定波長的激光在固定電纜長度上（1km），用dB形式表示的光功率的損失，例如在多重模式光纖中，所傳輸的光信號的波長為850nm所代表的信號損失為60%km~70%km=4dBkm，而1300nm=50%km~60%km=2.5dBkm。目前有一些質量較高的纖芯表現出較低的信號質量損失，在傳輸波長為1550nm的光信號時，其損失度一般可以低于10%km，在表0.5dBkm。如果使用塑料作為纖芯材料的話，其信號損失程度為1000dBkm，因此玻璃通常被認為是上等纖芯材料。光纖電纜通常適合使用在可見光和近似于紅外線波長的范圍，并以此將信號損失降到最小。在上述中提到的三種波長的激光，即850nm、1300nm和1550nm是目前使用最多的激光，分別代表的帶寬為35300GHz、230000GHz以及194000GHz，其中1300nm激光主要負責信號數據的長距離傳輸；850nm激光則用于短距離數據傳輸比如局域網（LANs-Local area networks）；1500nm激光由于通常用于波長復用器，因此其設備可以承載850nm或1300nm的激光。單一模式系統通常使用在1310nm~1500nm波長范圍內，而800nm~900nm波長范圍內是多重模式系統的優選操作范圍，并且一般來說塑料光纖所使用的理想激光波長為650nm。根據上述可知，光纖電纜所傳輸的波長越大，信號衰減度就越小。一般在800nm~900nm范圍內的衰減度為3dBkm~5dBkm，在1150nm~1350nm范圍內的衰減度0.5dBkm~1.5dBkm，而1550nm激光波長的衰減度則低于0.5dBkm。
六. IEEE1394火線接口
IEEE1394火線接口是美國電氣及電子工程師協會委托的一個技術工作小組所設計開發的一種新的數據總線傳輸協議。以蘋果電腦的火線協議為基礎，IEEE1394~1395高質量串行總線標準為背板總線和串行數據總線在結構和控制上均作了明確的定義，以求在數據傳輸上實現價格低廉、用途廣泛，以及高速等特點。IEEE1394電纜總線是一種通用且平臺相對獨立的數字接口，可在數字設備之間進行連接實現高速數據傳輸，例如PC、打印機、掃描儀、數碼攝像機，以及其他用于多媒體的音視頻設備。
IEEE1394電纜包括有兩個相互獨立的屏蔽絞和線對來實現對信號的雙向傳輸及接收，兩個供電導線（8V～40V，1.5A）和一個屏蔽線。相對于上述6條導線，或者說是6針火線接口格式來說，Sony公司開發了沒有供電連接的4導線模式，被稱為4針火線接口格式，并主要用于民用音視頻設備的連接，該4針火線接口格式被定義為1394.1，有時也被稱為i.link。在不使用中繼器的情況下，兩個設備之間的火線電纜長度可達4.5m，被稱為一個躍距，躍距數量多可達16個，因此在使用標準電纜的情況下可以將設備之間的距離拓展到72m。IEEE1394在信號傳輸上定義了三個層面、即物理層面、鏈接層面和執行層面，其中物理層面定義了IEEE1394總線所要求的傳輸信號，而鏈接層面負責將來自物理層面的原始數據格式化為可識別的IEEE1394包，最后的執行層面將該IEEE1394包付諸應用。IEEE1394電纜標準同時還定義了三種數率，分別為98.304Mbs、196.608Mbs、393.216Mbs，并通常按其近似數值100Mbs、200Mbs、400Mbs被稱為S100，S200以及S400（目前提議的1394b格式的數率為800Mbs～3.2Gbs）。在IEEE1394的特性中包含了“音頻及音樂數據傳輸協議”即AM協議（Audio and Music Data Transmission Protocol）。AM協議又被稱為IEC61883-1FDIS標準，該協議主要定義了如何使用等時包將實時數字音頻信號通過IEEE1394進行傳輸，其中的數據類型包括IEC-958及原始音頻采樣，MIDI文件。AM協議以及未來的多聲道模式將為DVD-A的9.6Mbs數據流提供足夠的傳輸帶寬。并且運用拷貝保護技術來防止高質量DVD-A信號受到盜版侵害。通常來講，在很多領域中，傳輸數據的保密性非常重要，因此IEEE1394作為雙向傳輸電纜同樣用于DTCP（Digital Transmission Content Protection 數字傳輸內容保護）系統，來保障在家庭環境中傳輸數字數據的安全性。DTCP可以在允許為以一定目的進行合法信息拷貝的同時，保護未經拷貝授權的數字信息內容。DTCP在每個數字鏈接上使用加密處理，使每個在連接鏈上的設備必須服從已著床的拷貝控制信息，即CCI（Copy Control Information）。在CCI中，DTCP規定了一系列拷貝使用模式，其中包括“拒絕拷貝”（不允許任何拷貝）、“拷貝一次”（只允許做第一代拷貝）、“拷貝限制”（防止進行拷貝的拷貝）以及“自由拷貝”（無拷貝限制）。DTCP技術目前被廣泛用于HDTV接收器、數字電視機頂盒、衛星信號接收器以及其他民用設備。 [Page]
目前，由YAHMHA公司推出的mLAN（Music-Local Area Networks音樂局域網絡）可以通過IEEE1394來傳輸原始音頻信號、MIDI文件以及AES3信號，并可將數字時基抖動降低到20ns，如果和PLL（鎖相環）共同使用，可進一步將這種時基錯誤降到1ns。mLAN特性的一部分被1394貿易協會所采納用來通過IEEE1394火線控制音頻及音樂數據。
IEEE1394屬于非專有的標準，因為很多標準組織以及公司參與了標準的建立，例如數字VCR協會選擇了IEEE1394作為他們的標準數字接口、VESA（Video Experts Standards Association 視頻專家標準協會）將IEEE1394用于家庭網絡中、歐洲數字視頻廣播組織也使用IEEE1394作為數字電視接口、微軟在Windows98系統中首次使用IEEE1394等等。
七. USB接口
USB為英文Universal Serial Bus的縮寫，代表通用串行總線。USB技術主要是在Microsoft公司于1994年提出了即插即用方案后，于1996年召開的面向PC機硬件技術工作者會議上時，由Intel、Microsoft、Compaq、IBM、NEC、Northern Telcom等幾家大廠商發起的新型外設接口標準。使得計算機在和其他外掛設備相連時，相對于原先所使用的接口，比如串行或并行接口，或是需要打開主機進行插卡安裝的方式來說，具有方便、快捷的優點，并可以通過串聯的方式連接共127個外接設備（SCSI最多只串接7個設備），比如打印機、掃描儀、鼠標、數碼相機、音箱、調制解調器等等。USB連接頭按信號傳輸方向分為A和B兩種，其中上行口A連接主機而下行口B（10.6mm12.0mm）連接外接設備。
除了上述特點外，單一USB電纜的使用長度可達5m，并在使用USB集線盒（USB插座）的情況下外接設備和主機距離最多可達30m。在阻抗為90ohms的USB電纜中共有四條導線組成，即兩條電源線（+5V和接地）和一對絞合線來對來承載信號數據。通過USB連接的設備可以實現SCSI所無法實現的熱插熱拔，并可以隨主機進入省電模式后進入睡眠狀態。USB設備存在兩種供電方式，即自供電方式和總線供電方式，在USB電纜的四條線中，第一針承載5V電壓供電，第四針代表接地。在總線供電中可以分為兩種，其中低功率設備在總線處所吸取的電流不高于100mA，而高功率設備在總線處所吸取的電流將達到500mA。另外一對線，在第二，第三針上表示為D+和D-為傳輸數據的絞合線對。USB數據使用NRZI編碼（0代表信號變換，1代表信號沒有變換），以同步串行比特流的形式進行傳輸，同時使用比特填充技術（Bit stuffing）來取得足夠快的信號變換速度以確保信號接收端不會失去同步。在USB電纜內，時鐘信號和數據被共同傳輸。USB設計有兩種不同的數據傳輸速度，其中在12Mbitss速度下必須使用屏蔽電纜以取得足夠的抗噪以防止電磁干擾（EMI）能力。另外，USB2.0的最高傳輸數率可達480Mbits。USB接口定義了四種數據傳輸種類，包括控制傳輸、中斷傳輸、同步傳輸以及批量傳輸，同時就USB所具有的兩種傳輸通道類型來說，控制傳輸使用信息通道（Message Pipe）用于命令及狀態操作，而中斷傳輸、同步傳輸以及批量傳輸則使用數據流通道（Stream Pipe），其中鍵盤和鼠標使用中斷傳輸種類，視頻和音頻信號由于以時間概念為基準故爾選用同步傳輸種類，批量傳輸可以在所有帶寬范圍內傳輸非時間基準的數據例如打印機。
在USB總線協議中，通過總線對信息進行傳輸被稱為信息處理，并且主控系統將隨時具備信息處理清單，隨時處于工作準備狀態。這種信息開始于主控系統發送用來代表信息傳輸種類以及方向的信息包（7-bit USB設備地址碼以及終端代碼），該信息包被稱為標記信息包（Token Packet），并使用ACK、NAK以及STALL代表數據傳輸的三種結果，其中ACK代表數據被接受；NAK代表數據被拒絕；STALL代表數據在終端停止。USB所傳輸的信息量使用以幀為單位的時間進行調整，或者說USB將數據帶寬以幀為單位進行劃分，其中每幀的長度由總線時鐘進行控制，每秒1000幀即每幀的長度為1ms，或者說每毫秒代表一個新幀的開始沒并且在每幀的起點有SOF（Start of Frame）信息包被發送到總線，以保證等時設備和總線實現同步。在這里幀是總線在不同外接設備之間進行總線帶寬分配的關鍵。其中在每幀中應至少有10%的時間應使用在控制傳輸種類中，并且這個比例仍可以隨系統軟件而提高，因此在每幀中用于信號傳輸的空間應少于90%。除了上述內容外，在每幀內部分或所有剩余的時間應被數據傳輸通道保留用于等時設備。其實在數據通道建立時，分配在每個通道的信息部分或信息量已被確定，以確保在每毫秒內所傳輸的數據總量的精確性。對于音頻或其他等時設備數據傳輸來說，主控或數據輸出設備必須對數據進行數值為1幀的緩沖處理，并在數據接收端進行緩沖解除處理以恢復信號的實時狀態。例如一個44.1KHz的采樣的音頻信號，在輸出端將按每幀44個采樣點狀態輸出9幀，然后再輸出一個具有45個采樣點的幀。
在2000年4月27日推出的USB2.0版本（又被稱為高速USB）為原USB1.1的升級版本，除了為多媒體及存儲系統提供更大的帶寬之外，其數據傳輸速度可以達到USB1.1的40倍，其支持的三種速度模式分別為每秒1.5、12以及480Mbs，并可以同時支持低帶寬設備例如鼠標、鍵盤以及高帶寬設備例如掃描儀、打印機和其他大容量的存儲設備系統。B&P