HiFi入门级扫盲科普

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HiFi入门级扫盲科普

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本文旨在帮助刚入门/还没入门HiFi圈的朋友搞清楚一系列最简单最基本的事：这堆设备都是做什么的？各种信号又什么区别？什么是平衡？为什么要有某些功能？本文不涉及任何“高频甜中频润低频劲”的主观听感，仅包含纯工程与技术方面的论述，讲主观听感的请另寻他处。

设备名称及作用

现代常见的高保真系统功能一言以蔽之，就是将存在某种介质（硬盘、光盘）中的数字文件，通过一系列处理，以声波的形式将其播放给我们，这个过程在工程上称为“数字还音”。这个看似简单的工作其实由一系列不同的环节分步完成，下面我们从前到后依次讲解。

数播

数播又称转盘、数字转盘等。首先，我们需要一个设备，将存在硬盘/光盘里的音乐文件读取出来，将这些信号发送给下级设备。任何一台冯诺依曼构架的设备几乎都能做这个事，无论是Windows平台（PC），还是基于Linux的平台（Android设备等），再或是一些自编系统的单片机。这些设备其实都可以称为“电电脑”，它们都拥有处理器、RAM以及ROM。网络数播略微特殊，它读取的不是本地的存储介质，而是通过有线或无线的方式获取局域网上的音乐资源。

数播需要良好的信号抗干扰能力，因为它所发送的信号绝大多数通过USB通道或者PCIE总线，如果通道上挂有其他设备（尤其是高负载设备，比如显卡），或者接地线路形成换路，很容易对信号产生干扰。

界面

界面是数播和解码之间的“翻译官”。在将数播给过来的数字信号转换成模拟信号之前，要先明白一件事：任何DAC（数模转换器）都无法直接读取WAV/FLAC/MP3这样的数字文件，我们需要一个将这些文件转换成DAC能够识别的信号，比如PCM（脉冲调制信号），它依然属于数字信号，使用0和1的占空比来表示信号波形的上升或者下降。

由于界面输出的脉冲信号属于时钟敏感型，对时钟采样有一定要求，因此，更好的时钟能有效提升界面的表现。详解此类脉冲信号需要一定的数字电路与通信编码知识基础，在此暂不赘述，有兴趣的读者可以寻找其他科普文章。

解码

解码（DAC）接收界面发来的脉冲数字信号，通过转换，输出模拟信号。常见的能完成数模转换工作的模块按原理可分为Σ-Δ与R2R型。二者技术特点与区别可以参考其他科普文章。

由于种种原因，解码的输出势必伴随着低通滤波器的使用：滤掉有害的高频噪声。滤波器种类繁多，每一种都有自己的优缺点，他们在频响、相位、纹波、群延迟等参数之间相互妥协，均是某种意义上的拆东墙补西墙，不存在所谓“最好”“完美”的滤波模式。

与界面相似，由于要处理数字脉冲信号，高精度的时钟有助于提高解码的输出信号质量。

功放

功放是功率放大器的简称，耳放即“耳机功率放大器”。解码输出的额定电平的模拟信号其实并没有很强的驱动能力，即解码的输出端其实几乎没有电流负载能力，因此，需要一个放大器，将原本的信号功率进行放大，以匹配驱动负载的扬声器，即耳机甚至是音箱。理想状态下，耳放的输入的阻抗应该是正无穷，即解码输出的信号只传递了电平变化的过程，而不传递任何电流，此时，信号的完整性得到最大程度的保证，失真最低，当然，现实中这是不可能的，不过放大器的输入阻抗总会做得尽可能大，通常在千欧级。

放大器可以分为两个部分，分别是【前级】和【后级】。前级只负责电压的调整变化，它同样没有什么电流负载能力，它的作用是将原本解码输出的标准电平（比如2V或者4V）转换成或高或低的其他数值，即所谓的“调整音量”，同时尽量保证信号的完整性，不引入其他噪声和失真。对于耳机来说，前级其实一般用作降低电平（音量），而对于大尺寸音箱时则相反。后级则是专用于功率放大的器件，它具有极强的电流带载能力，它要保证在高功率输出的状态下也不产生过多的失真，尤其对于音箱系统，它可以有数十瓦的功率储备。前后级一起合作，则构成了常见的耳放，或称为“前后级一体机”，在音箱界，这种设备被称为“合并功放”。

平衡的定义及性质

最常见的3.5音频插头的接针定义从上到下分别为L+、R+、GND。耳机等扬声器工作的原理即获取两个针脚之间的电势差（电压），将这个电压转变为声音信号。对于扬声器来说，它做的是减法，比如设音频信号电平为+v，而GND（接地）电平为0，则扬声器获得的电压就是+v-0=+v。平衡不仅仅是将左右声道的GND分开，它将产生一个和原本信号反相，即每时每刻电平数值为-v的信号传递给扬声器的负极，因而扬声器此时得到的电压为+v-(-v)=+2v，即它此时获得了两倍于单端状态下的电压，由于功率P∝V²，理想状态下扬声器此时会获得4倍的驱动功率，当然，现实中由于放大器的输出曲线并不总是线性的，真实的数据应该是小于4倍的。

平衡的好处，除了增加输出功率外，还可以有效抵抗共模干扰。什么叫共模干扰呢？共模干扰通俗来说就是“众生平等”的噪声信号，这个噪声被平等地加到每个线路中。假设环境中有一个噪声信号+n，此时正极信号变成了+v+n（注意GND恒等于0），那么扬声器在此时获得的电压就是+v+n-0=+v+n，而在平衡的情况下，负极的信号为-v+n，那么扬声器端的信号则为(+v+n)-(-v+n)=+2v，干扰被消除了。

这种正负极两相平衡信号传输的其实广泛应用于诸多设备中，比如现在最常见的USB3.0以上的高速通道，他们的数据线也是以D+和D-的形式传输的。这种传输方式有效地抑制了共模干扰，尤其是在长距离传输的情况下，最大程度保证了信号的完整性，同时，更高的电平也意味着更高的信噪比。在HiFi设备中，事实上除了耳机耳放的模拟信号，数字信号也有平衡模式的传输，那就是AES信号。同轴（RCA或BNC端口）信号是内芯正极，外皮GND的形式，即单端，而AES则内置了v+与v-两极，即平衡传输。

一个系统要做到真平衡，则必须从源头（即解码）开始就向外传输带有v-的反相信号，而放大器内部至少要有4路放大电路（L+/L-/R+/R-各一路）才能完美放大平衡信号。由这个原理，有一个快速判断设备是否假平衡的方法：如果一个耳放只用了一个双通道运放（或电子管），那么它必然只有单端输出能力，哪怕它带有4.4或者XLR等平衡接口。当然，也有一些前级等设备，虽然信源提供的是单端信号，但是它内置了一个反相装置，可以将输入v+变成v-额外输出一路，这种后期反相做出的平衡，效果不如DAC原生的平衡输出，但是抗干扰能力仍强于普通单端。

基于以上平衡信号的优点，从工程的角度，lz建议“应上尽上”，只要有条件，就一定使用平衡设备。在这里再次强调，本文所有内容仅从工程及技术角度出发，不涉及任何主观听感等内容，强调听感的人请移步其他帖子。