蕭尼克的Audio Sharing

　　在講這篇前，建議大家花點時間了解一下什麼是單端輸出（single-ended）與差動輸出（differential），這個跟單聲道（mono）與雙聲道（stereo）不同，請先別搞混了。本質上，喇叭是個差動元件，看我們怎麼接，如下圖，左圖為一般揚聲器接法，右圖為耳機的接法。最後不管怎樣，都不能讓喇叭上有直流偏壓（DC），請參考Audio電路設計（三）。

 　　接地，又稱Grounding。這個題目在音訊，乃至於各種系統，尤其是EMC而言，是個可深可淺的議題。電子工程師通過各種法規認證的時候，常見的解法就是＂下地＂、＂接地就好了＂、＂用地包起來就解了＂，諸如此類、此起彼落的詞語或者幹話。真的是這樣，但有時候不是這樣，俗話說的好＂接地接的好、生活沒煩惱；接地沒接好、要飯要到老＂。不過話說回來，畢竟＂地＂這種東西，該用探棒量呢？或是電流勾錶？也許示波器本身就受影響了怎麼量？

　　那麼，先來為＂地＂下些可能的定義。地就是位準，就是迴流路徑。

　　剛好小編前陣子家中正在裝潢佈插座，上網查了一下，發現許多發燒友推薦音響系統使用專迴（專用迴路），如下例簡圖，微波爐即為專用迴路。

    今天，我們來看一下何謂PCM，何謂I2S。

    尤記得當步入職場，第一次遇到數位音訊格式是在T牌的audio codec IC上面，那時候還不知道什麼叫做codec，以為是通訊上面講的coder\decoder，後來才比較清楚這是audio業界的行話，泛指音訊可以在IC裡做交換、轉換，我們就稱它為codec。扯遠了，PCM(Pulse Code Modulation)是一種ADC編碼方式，利用"Pulse"(脈衝，其實就是sample點)，將類比訊號轉成數位碼(code)的調變技術。PCM在電話系統裡，還隱含了u-law與a-law，目的是為了在最常用的音量大小區間有比較小的量化誤差(Quatization Error，是ADC產生失真的地方之一)。那麼，PCM與I2S(Inter-IC Sound，唸做I Square S)是什麼關係呢？

    在audio interface裡，常見的傳輸格式有PCM、I2S、SPDIF這些。而傳送資料的格式也可以拿來傳輸音訊，像是UART、SDIO等等，它們應用在需要交待音檔資訊的時候，像Bluetooth在播音樂的時候，還會額外跟你說專輯資訊等等。PCM與I2S差別主要在於標註聲道的bit長相不同，請見下圖：

        曾經有硬體電子工程師主管問我，speaker power要怎麼量。當時很自然的回他：就是電壓平方除以喇叭阻抗(4 ohm之類的)。可能是之前跟他說過喇叭並不是只有單一阻抗，而是有AC阻抗，每個頻率點阻值都不同，所以他想了老半天說：我覺得用P=I*V量應該是最準確的，既然交流阻抗那麼麻煩，直接用喇叭兩端電壓差與經過電流計算就可以了吧。

        後來量得輸出瓦數很小，他繼續推斷：這麼小的瓦數輸出不可能把喇叭燒壞。這是另一個故事了，只是在計算喇叭功率這件事成為了心中的小疑惑。

        上一篇我們講到DSP的入門，也就是 ADC\DAC，也有講到數位訊號的音量最大是0dBFS。本篇延續話題，講的是音量控制，適合所有聆聽好聲音的大家。

        進入到重點之前，SNR這個詞是我們必須要懂的。Signal-to-Noise Ratio，訊噪比。雖然人的聽覺有遮蔽效應(masking，有時域與頻域，我們留在心理聲學篇章再來詳述)，音樂下來的時候，些許噪音可能不是這麼重要，但基本上SNR是越高越好。音量控制就是在音響系統上將SNR極大化的一種方法。

　　這個篇章稍微往軟體走一步，我們來談談 DSP (Digital Signal Processing)，數位訊號處理在整個音訊架構扮演怎麼樣的角色。DSP在整個電聲領域的位置是在軟體與硬體之間，通常在DSP處理音訊有一些好處：較省電、較快速。下圖是簡單的比較表，可供開發人員參考。

　　動圈式喇叭（Dynamic Speaker），是現今揚聲器的主流，我猜應該佔了９０％以上這麼高吧。本篇的讀者必須具備有國小電磁鐵的概念，與國高中電磁公式的記憶，不過沒關係，就一個公式而已，淺顯易懂。

　　下圖是從網路上找到最清楚的爆炸圖（Exploded Drawing），重點在於喇叭裡面有一個永久磁鐵（請勿將任何對磁場敏感物品如手錶等等靠近喇叭哦！）與線圈（Coil）。線圈垂直放置於永久磁場中，當正負端接上於擴大機，有了電流，就會產生電流磁效應讓線圈往上或下移動，此時因為振膜（Diaphragm）與線圈是黏合在一起的，故線圈的移動造就了振膜的移動，振膜的往復運動就形成了聲音。這樣子的過程，由電，磁，轉成機械能產生了聲音，就是喇叭學名電聲換能器的由來。

　　繼上一篇，我們這次來說說crosstalk（中文好像叫串音，這翻譯有點奇怪就是）。

　　Crosstalk是不同聲道間互相干擾的意思，白話可以想成左聲道會聽到右聲道的聲音。有了這樣的問題，不管amplifier有多好，失真有多低，輸出功率可以多大，用了萬元以上的耳機，音場都會很狹窄。最嚴重的情況就是只剩mono（單聲道），這樣子我們用耳機聽起來所有的聲音都只會在正中央。

　　Crosstalk的問題在電路上與耳機端都會有，都是一樣的問題：Common impedance。其測試方式是使用stereo音源檔，內容是只有一聲道有聲音，一般我們會選用10kHz 0dBFS來當訊號，另一聲道則是純粹的靜音。使用AudioPrecision的話只要在Analyzer的部份選擇crosstalk就好了（細部操作請自行處理，或來信詢問），可以測得電路端的Crosstalk，如果沒有AudioPrecision的話可以用電表或示波器看看兩聲道的比值，但如此的話就無法很精確因為電表跟示波器容易受到干擾，而且這兩種儀器無法區分哪些是被couple過去，哪些是noise。喇叭端的Corsstalk就是使用麥克風去錄看看左右聲道的大小聲。

　　寫到第三篇了，算是電路設計的最後一篇了，這邊想開始介紹一些跟聲音相關的電路設計。

　　承上一篇，amplifier往後推就是喇叭了，喇叭有哪些特性來龍去脈我們改天提，今天先講個基本的：揚聲器是由許多機械結構組成，可以當成電阻電感電容的集合，而且最佳使用方法是不能施加DC在上面，否則將造成振膜有了偏壓，進而影響最佳作動範圍。一般我們講的幾歐姆等等，都是DC阻抗（AC阻抗我們改天提）。下圖說明的是第一種，喇叭單端接訊號（single-ended），一端接地。這個代表性應用就是耳機。不過這樣的用法比較不好，有其限制。最大的限制就是傳統放大器輸出若有DC在，必須要加一個DC block電容濾除。如上一篇所說的，這時就會有個HPF效應出現，對頻率響應有極大的影響，好比說喇叭阻抗為30歐姆，這時電容要加大到260uF才能讓fc落在20Hz以內。而現今的手持消費產品往往沒有額外空間放這樣大的電容。（若要接４歐姆喇叭，則要加到2000uF！）

　　上一篇講到每個ＩＣ或負載基本上就是阻抗，要好好思考怎麼用對的Amplifier去搭配。本篇，帶你進入進階版，電容的用法。

　　如果讀者有學過電子學，請注意Vcc-端在課本上為了講解方便，一律都是掛上個負電壓源，但在現實生活中往往不是這樣，除非是我們後來提到的特殊IC。下圖是現實生活中我們常用到的IC電路，實際上就是在Vcc-端直接下地，而Vin-端除了differential input（差動）外，也可視為下地。那麼，這顆OP的工作電壓為了有最大的Dynamic range（動態範圍），一般都會設計在1/2*Vcc。（1/2*Vcc會出現在Vin+與Vout）