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）。

　　在EMC或一般訊號裡，也有相對應說法，叫做差模（differential-mode）與共模（common-mode）。原則上差模就是訊號或雜訊迴路都在負載上，而共模就是訊號雜訊會經過接地迴流。如下圖：

　　當音響系統在組合時，最佳當然是選用數位方法，例如HDMI、光纖（SPDIF）、同軸電纜（SPDIF）。便宜或者轉接方便的就使用類比方式，大多數的類比接頭是RCA或是3.5mm jack，然而受限於體積與價格（當然還有開發年代，例如傳統的電視遊樂器，就是由L、R、Video這三個RCA組成），接頭數都不夠，大概就是單端L、R、GND，擴大機設計比較好一些的，可能會是差動L+、L-、R+、R-。差動接法有什麼好處呢？如果我們傳輸的導線受到干擾，對於接收端來說，因為是兩邊訊號同時有一樣的雜訊，差值完全不受影響，但對於單端接收來說，干擾就是干擾，雜訊一影響就影響了，完全沒有解決的辦法。

　　不過我們經常（為了方便）使用的接法是手機或電腦，利用3.5mm jack輸出給主動式喇叭，甚至許多主動式小喇叭都先俱備了3.5mm jack輸入端子，讓我們可以很快速地使用，如下圖。也不是說這樣的接頭不好，只是因為接點少，高音質喇叭不會這樣設計。

　　這樣的接法在前級與後級的接地完全一樣的時候沒有問題，問題就在於（１）兩者地沒有接好，例如3.5mm jack沒有插到底，或者（２）某一裝置的地不是零準位了，例如手機或筆電正在充電。遇到問題（１）請先自我排除，再來討論問題（２）。這邊我有兩個想法，不過兩個想法都導致一樣的解決方案，大家也許可以提出來一起討論討論。

 　　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。

　　除了功率大（電流大）如烤箱、微波爐之類要加熱的電器因為安全需要而必須配置專用迴路外，你會把音響跟其他電器也裝在同一迴路上嗎？說到這邊，大家隱約知道，同一迴路上的電器可能會彼此干擾。手機在充電，正在看電視，有人在吹頭髮，可能正在使用微波爐熱宵夜，而你的音響正播放最喜歡的歌曲。何謂互相干擾？打個比方電腦系統CPU 1GHz的速度，代表著處理器每秒執行1G＂次＂的運算，而此動作將會以每秒1G＂次＂消耗功率，消耗功率的同時代表會讓輸出（或輸入）的電流（或電壓）產生漣波（ripple），所以CPU 1GHz就有了1GHz的雜訊產生。這些ripple將經由傳導（conduction）、輻射（radiation）向外傳遞。以淺白的文字來說，像是使用吹風機時，有時候室內電燈會閃一下，這就是同一迴路上忽然有一電器抽載大電流造成電壓降，影響到其他電器。如下圖當插座２使用吹風機時，消耗10 安培：

　　接地的重要觀念是，導線永遠都有小阻抗。

    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：

    在PCM介面上，LRCK或稱WS(word select)的訊號是用一個bit呈現，而I2S則簡化成全部HIGH或LOW。I2S這樣的做法更為簡單，直接指明了LRCK就是sampling rate，但也限制使用這種介面就只能傳送雙聲道。而PCM在多聲道的傳輸，好比5.1聲道，就是採用TDM(Time Division Multiplexing)的方法, 照時間順序將聲道放進去，換句話說，在接收端也要知道各個聲道是按什麼順序排列，才不會將聲道錯置。

    剛接觸I2S的同學需要注意的是，標準(不知道為什麼)I2S的MSB是落後1 bit LRCK出現的。變種的I2S有很多，像是Left-justified(MSB靠左對齊，不delay 1 bit)，Right-justified(LSB靠右對齊)，或是MSB delay any bit的作法。而在閱讀datasheet的時候要注意，有些限制BCLK=64xLRCK，也就是左右聲道各32bit，但內容(content、payload... )可以允許16bit、24bit、32bit。有時候不見得會寫這麼清楚，就要詢問各家工程師了。

        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。

        前陣子看到某客戶對喇叭廠的測試規範，又激起我的好奇心，上網查了speaker nominal impedance定義（真的不好找），與自己歸納的一些結論分享給大家。

        上圖簡單示意了喇叭阻抗對頻率圖，其額定阻抗定義為過共振頻率後最低的阻抗，以上圖來說剛好是４歐姆。有人說用三用電錶量到的就是喇叭阻抗這點並不完全正確，會差一點點。

        為什麼前述主管使用P=I*V會量到較小功率呢？以1kHz為例，上圖阻抗為5歐姆，則輸入1V的情況下會有200mA流過，也就得到0.2W的功率，並非是慣用的P=V^2/R=0.25W。那麼，到底誰是對的誰是錯的？

        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。

        下圖舉例來講藍芽喇叭放音的流程(紅色箭頭)：

        手機播放音樂，由播放程式(軟體)讀取音檔，開啟音訊串流，音訊往底層硬體走。這時會判斷使用者要用耳機輸出或藍芽輸出，若藍芽輸出，則音訊串流將送至藍芽晶片進行傳輸作業。因為藍芽為低功耗短距離傳輸協定，所以傳輸速度無法很快，因此大多藍芽音樂傳輸會將音訊串流壓縮成A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)，送到接收端的藍芽晶片進行解碼(decode)。目前好一點的藍芽音訊傳輸是APT-X，不管在時序延遲與音訊優化上都比A2DP要強許多。接收端將解碼後的音訊串流再經過DAC將音訊轉成類比訊號輸出。

        重點在於，音量是在哪裡控制？下圖來解析數位音量與類比音量的差異。下圖紅色為噪音(noise)，藍色為聲音(signal)，請注意在數位的世界中，撇除量化誤差、演算法或編解碼問題，是不會有noise的，也就是說噪音都在類比世界中出現。圖一左與圖一中是類比放大的波形，可以看到不管噪音或聲音都同時被放大了。在正常情況下SNR是能夠維持一樣的。但如果將訊號拿掉(換歌空檔)就會聽到大聲的底噪了(圖一右)

　　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。

軟體

DSP

編譯方式

簡單

　　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。

圖一。喇叭爆炸圖（取自Ｔ客邦）

圖二。喇叭剖面圖

　　接下來我們來說說怎樣的喇叭特性是一個好的喇叭。一樣我們看到下圖是線圈通電與磁場切割的示意圖。

　　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。

　　上圖就是crosstalk的由來，可以看到左聲道輸出1V給Rload, 其電流迴路是沿著common impedance回去放大器，但這樣的迴路會造成不必要的電壓在兩個聲道中間，就是上圖的1mV，而這1mV就會在另一聲道出現，有別於高頻訊號可以從空氣中couple到其他地方（精確來說還是靠著電容等等效應），audio訊號主要是靠著conductive（接觸導電式的）去做干擾。遇到這樣的問題，通常是要在電路Layout的時候將放大器靠近輸出端子側，盡量讓共模阻抗減少，如果為了ESD防護，則該選用DCR較小的bead。

　　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！）

　　可能聰明的你已經想到，我們可以改用沒有DC bias的放大器！沒錯，就是正解～現在各家大廠已經開發出ground center的耳機放大器，使用的方法是在IC內部另建一個Negtive Charge Pump以產生負壓接在Vcc-上，讓ＯＰ本身的工作電壓可以落在０Ｖ，如此一來的話輸出就可以有個＂趨近０Ｖ＂的訊號（一般都會定義在ｘmV以內，沒有標明的一樣請勿使用！），而不用再多放一個DC block電容來干擾頻率響應。如下圖：一般這樣的IC只能使用在小瓦數的產品上，因為負電壓的產生沒辦法耐太大的電流，因此無法提供大功率。

　　第二種就是不讓喇叭單端接地，而是放大器提供兩個反向訊號給喇叭的兩端，如下圖。這種設計有個天生的優點，能把common mode noise（共模雜訊）消除。因為喇叭本身（其實每個電子零件都是）就是個差動元件，是看兩端的相對電壓（電位差），所以若是兩端都有＂一樣的＂ＤＣ或雜訊，喇叭將對其視而不見，簡單的公式就是(V+)-(V-)。比方說(V+)=DC+AC+Noise，(V-)=DC+(-AC)+Noise，喇叭將看到的就會是2AC，還可以帶來6dB的增益！而在電路ｌａｙｏｕｔ上要注意的就是兩條走線必須並排走，要受干擾就一起受干擾吧！

　　Audio系統串聯架構先簡單說到這邊，下篇我們只說個簡單的概念，跟Layout有關的Crosstalk。

　　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）

　　把各個IC的工作電壓考慮進來後，前級推後級這種串聯架構中間就必須加個電容來把兩邊不同的DC準位隔開。如下圖。DC block電容的選法除了耐電壓要高於訊號外，如果放在會發熱的元件附近，如Speaker amplifier，一定要選用X7R或C0G以上可以耐到125度C，否則電容損壞，前後級的IC一但導通就混跟著損毀。請不要忽視溫度的影響，在做音響等級（>1W）的產品時，除了speaker amplifier元件本身可能會產生超過100度以上的高溫！！這也是為什麼散熱片與風扇的設計對一個音響系統是不可或缺的。

　　電容值的選法可以直接將看做ＲＣ電路，其中Ｒ就是後級ＩＣ的Rin。一般而言Rin會註明在規格書上（可能會隨著不同增益gain值而不同哦！），如果沒有被標示，一來手動量測雖然可行但是麻煩，二來表示該IC的設計者不夠專業，或是不敢保證這規格是否有誤差在，因此請不要使用該IC吧！Ｃ的選法在這樣的應用上可以當做對訊號做一個HPF（Highpass Filter，因為DC是0Hz，被濾掉就是高通濾波器），其cutoff frequency fc=1/(2*pi*Rin*C)，簡單來說我們要將該頻率設計在20Hz以下。當然如果整個產品有包含喇叭等揚聲器的話，若是揚聲器的f0（共振頻率）蠻高的話，電子給出這麼多的低頻給喇叭也只是浪費掉，最嚴重的情況就是會損壞喇叭，所以若知道喇叭特性的話，是可以將電路的fc設在比20Hz略高的地方。

　　例如我們遇到一顆IC的Rin是20k ohm，C我們就可以選用1uF，如此算出來的3dB頻率點是在16Hz附近。

　　今天來說說關於audio的一些電路設計吧！本篇可能要有些電路基礎的背景會比較清楚。每篇文章都會在一開始先提醒讀者，希望表達的大家都比較好懂。

　　說到這audio的電路設計，最重要的就是以下這個高中自然組就學過的分壓定理：Vload = Vo*(Rload/(Ro+Rload))。只要會了這一步就有七成功力。

　　接著，我們要知道電路除了電阻（R）、電容（L）、電感（C）外，就是放大器了（Amplifier，是由一連串的OP(Operational Amplifier )組成）。一個由小到大組成一個音效卡的順序是：R、L、C、MOS，BJT，OP，Amplifier，Codec。要怎麼組合起來以下我們將用OP來解釋，所有的IC前端與後端都是由OP組合而成的。把握一個要訣：把電壓往後送。

　　初學者，就像我當時剛接觸到這個領域時，也搞不清楚電壓電流誰製造了誰，是高電壓讓人觸電死翹翹，還是大電流把人電死。我不是教授說不出個大理論出來，不過目前我的答案是先有電壓才有電流。高壓電塔在你旁邊不會電死你，因為空氣阻抗極高，對於要求不這麼精確的我們，可以視為斷路、或稱開路（open）。扯遠了。以下看到OP的樣子：

　　Rin就是輸入阻抗，Rout是輸出阻抗。通常我們為了可以承載更多上一級的電壓，會把Rin做大，相對地就會把Rout做小；如下圖簡單示意：

　　常聽到人在說，這個耳機它推不動。所謂的推不動是怎麼個推不動法？是聽起來小聲，還是虛虛的？拜託誰來跟我講一下虛虛的是什麼意思（暈）。

　　以下文章需要有基本電路學才能更快融入話題。

　　首先我們要知道耳機（或喇叭）是被動元件，是不用額外給電的。它是一個負載（阻抗R(直流)或Z(交流)），也就是擴大機(Amplifier)將輸出電壓(Vo)加到負載(Vload)上，形成迴路後就有了電流(Iload=Vload/Rload)，如下圖：（Rout叫做輸出阻抗，是另一個話題了）

　　喇叭又稱電聲換能器，將接收到的電功率轉換成音壓，這個特性在喇叭規格上稱做靈敏度(Sensitivity, XdB SPL/mW )。電功率（瓦特Ｗ＝Ｖ＊Ｉ），跟電流有關，但換成電阻比較好解釋（Ｗ＝Ｖ^2／Ｒ）。市面上有許許多多種耳機或喇叭，它們的阻抗也各不相同。以下表格淺顯易懂帶各位秒懂什麼叫做推不動。

Amplifier 輸出電壓與功率給不同耳機阻抗