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DI 實際用途 內部資訊

張貼者:2017年3月15日 上午6:50謝旻軒   [ 已更新 2017年3月15日 上午6:52 ]

從 DI – BOX 談組輸入 / 出阻抗

前一段時間,朋友送來了一些 DI – BOX 來寫一些
譯本,結果在過程中,覺得
現在的 DI 已經是美兒
美!興起了一股念頭,索性就把它寫下來分享給
各位。
在此次的受測產品也不少,一共有 8 個
盒子供我們瞭解。

1. CountryMan TYPE – 85
2. Boss DI – 1
3. Behringer DI – 20
4. Behringer DI – 100
5. Behringer GI – 100
6. DOD 265 – StageHand 
7. BSS AR – 116
8. Whirlwind Direct – 2

DI – BOX在我們這個領域裡,幾乎是每一次都會用到的設備,那它的本身責任到底是在做什麼,這過程
倒是有很多的似懂非懂,只知道樂器的聲音要接入它來轉換,不知所以然的來由,藉由此次的機會,
我們就來進入訊號轉換的時空吧。
這個元件牽涉到的最主要是一個阻抗的問題,又阻抗它區分為輸入的阻抗,輸出的阻抗,這對一般人
而言,完全不瞭解是什麼意義,說完這其中的原由,那各位早就離網睡覺去了,簡單明確的解釋,
有的人不是電科出身的,我們也勿須太官方,盡量減化。

任何一個電路結構組合而成時,那些大量的電子零件串並的連結在一起後,當我們供應了電源給這個
電路結構時,它本身除了要去運作的工作外,其上了電後就有一個內部的抗體在,很單純的,
每一種設備元件都有基本的阻抗值,經過多年的演變,這一般的規定就浮現出來,各位不難發現在
設備所配附的手冊裡都會寫出這些電器設備的輸入與輸出的電阻抗條件,那就是產品在設計後,提供
使用時,彼此有一個基本的匹配依據。

在寫入 DI – BOX 前,我們須要簡單的瞭解所謂的阻抗 ( Impedance ) 問題,
這牽涉到相關學術太多了,我們採用倒水的比喻來解釋它,各位不妨體會看看,如果有一桶水,倒入
一個桶子,那因為彼此倒入 / 出的口很大,得不到我們想要的衝力,此時若我們把水欲倒入水桶前,
加上一個漏斗,經過這個漏斗,由於入水處大,可以滿足水倒進來的速度,而出口因為變小之際,
就得到我們想要的水束,如此把它應用在輸入 / 出端口的阻抗說明應該很恰當了。
當一個輸出的元件的輸出端口阻抗很大,就如同倒水量很小,如此得不到可以使用的能,輸出的阻抗
小就像是倒水量很大之意,那麼要輕鬆的得到上一連結的能,你就必須擁有如漏斗般的調整裝置,
來控制進來的水量可以達到我們想要的、適當的水束。

我們都知道一個 Line 訊號,如 Guitar、Bass Guitar、Loop、Keyboard 等訊號,當你在一個短距離的
範圍,包括供電的距離,訊號線傳輸的距離等,都是很容易得到正常的結果,提出這情況是因為一般
大家都在公司內部工作及測試,結果所用的電源幾乎是同一相位的電,然後使用的訊號線都很短,
所以你跟本製造不出雜音來的,又此雜音的產生跟麥克風訊號線斷腳的問題不一樣,以至於在公司
測試都是好的,拿出去外場時就出問題,如果不清楚,最快的是找一個不同相的電源提供給一台你
最容易得到的資源 Keyboard,及 kb Amp,就如同在舞台上,你提供的電源線請不要低於 50 m 然後在
用一組不同相的電源,一樣的, 50m 長的電源線提供給一台混音器,EQ、擴大器、喇叭等器材,
接下來用 100m 的 multi cable 來連接這 Keyboard 及混音器。
幸運的話,你會沒雜音,那是因為你所在的電源旁路架構很好,不過很難如此結果,通常得到的會是
一個帶有哼聲的訊號,或者利用一個小升降電壓的變壓器,( 應該很容易取得這樣的材料 ),改變某一邊
的電壓,也可以取得電流哼聲的,到目前為止,我們所要清楚的,在外場,無論大小系統,都會有類似
情形出現,會產生這樣的傳輸問題就是,由於非平衡式的傳送,這隔離的包裝線,無論內部有幾條,
其傳送的格式就是正訊號端,及接地端,又負訊號就等於跟地線合在一起,這在短的距離內是不至於
產生 R、C、L 效應的,不過這高阻抗非平衡的架構,當它的傳輸距離拉遠時,這個線距就成為一個
很好的感應體,地線除了做為迴路的樞紐,又是負半週訊號的通道,不要的與要的訊號
都加雜在一起,然後兩邊線距的關係,電壓降就會有所不同。

又高阻抗之由,譬如 TROTON 
這台琴的輸出阻抗是 1KΩ,別以為那輸出很多,那是在 1KΩ 的狀態下,
這現象就如同前述,倒出水的端口變成是小的,所能造成的能不多,此時連結的端口開始調整跟它一
樣的接口,就如同我們在增加輸入的電平值一樣,又剛才已經提到訊號能不足,所以這麼一放大
電平量,雜音、哼聲也就跟著提升了,清楚嗎?各位?這種設備如前述的樂器外,還有 CD、卡座,
DJ Mixer 等,你所看到的設備。
如果有看到 mono 的phone jack 插座,RCA 接頭的,好心的有標示 – 10 dB,以上這些都通稱 
Hi–Line Unbalance ( 高阻抗非平衡式架構 )。
有人會問,既然有這些問題,那為何延留至今?
各位可要清楚,並不是每個人都跟我們一樣是從事專業級 ( 工業規格 ) 的事情,一般家用 Hi – Fi 與
行家級的使用人口比我們這一行的人口還多,光拿一台 cd 回家聽,總勿須要什麼配備,直接插入家用的
Line in or Aux in、cd in、Tape in 之類的名詞輸入端就可以使用了,不管什名詞,這些輸入端口都是
高阻抗輸入端,沒得調整的,因為據有定阻抗 Line in 的機器,它們的輸入阻抗都非常的高,
從 10KΩ 到 50KΩ 甚至更高都有,如同漏斗口弄得小小的,只要有一適當可用的水量,就可造成水束,
同樣的,機器內部不用再加裝什麼十倍放大電路,直接就可得到訊號來使用。
RCA 訊號線也不過 50cm長,製程便宜經濟,跟本就不用煩惱雜訊問題。
這就是家用 / 行家級數的方便,
當然年代至今,這些家用的規格演變得更方便,更容易達到目的,
也因此
在專業級 ( 工業規格 )的製品,除了本身高階的條件規格外,還必須能相容接受這些家用條件的
規格。

簡述阻抗而言,就是一個設備元件,它的輸入阻抗愈高,就愈能輕易的得到上一連結設備的訊號能,
而輸出的阻抗愈低的設備,它的輸出能量就愈足,能夠去供應給更大接水面。
怎麼講呢?一般的設備其阻抗通常在 600Ω,這個大家都非常清楚的,也因此每個廠家的產品再怎麼
的不同,頻率響應、諧波失真、高低頻滾降點等,所製作出來的機器,其輸出阻抗一工業規定,
都必須在 600Ω 以下,以配合下一連結的使用,因此這所謂的低阻抗規定就是從 50Ω ~ 600Ω。
高阻抗就有 1KΩ ~ 50KΩ 甚至更高,那麼這個範圍又這麼的大有什麼不同?我們撇開一些須求不說,
如果一個 600Ω 與一個 150Ω 的輸出,假如兩者都跨接一個輸入阻抗是 10KΩ 的設備時,它們在正常
下是沒什麼不一樣,若此時你再由同訊號端口並聯訊號出來,就如同以前常用的 Y Cross,把一個訊號 
Y 出來給另一個設備使用,迄今都還有同行是這樣的作業方法,大多是在分音器輸出後,其訊號分接
給很多台的擴大器使用,你可能 Y 成兩組,或是 4 組以上,往往因為是放大級,聲音一有了,聽到了,就認為 OK了,這問題真的很大!不止是這個範圍而已,假設剛才所提的,Y 出訊號給另外一組設備
的輸入端,這樣的動作會讓源頭提供訊號的元件其輸出電平會衰減,頻寬會不正確( 頻率響應 ),我們
使用示波器、分貝計、電壓錶等儀測裝置,一般訊號在 600Ω 輸出下去 Y 出訊號出來時,都會降掉
1 ~ 2 dB 的訊號值,端看此設備的好壞。當我們再 Y出第 3 組第 4 組時,除了下降輸出電平外,
在極高極低頻域的地方全都產生不良的過度的滾降點,也就是說聲音變質了。
在 150Ω 的情況下,如此 Y CROSS 做法並沒有讓此元件的輸電平下降那麼多,一台機器的輸出阻抗
愈低的,其本身的工作電壓自然會高,才足以負擔大的電流系數,相對的製程就高了,費用就不低,
這也是得到好設備的代價吧!

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如何把剛才創造出來的雜訊消除掉呢?此時就拿起身邊的訊號轉換盒,在這兩設備中串接起來,
同樣的,把 Keyboard 訊號 phone jack 插頭接進 DI 的輸入端,
從 DI 的輸出則轉換成為 XLR 的格式,
然後再接入混音器的 mic in。如此,你會發現這雜音哼聲已經消失。
神奇吧!說穿了,就是因為將非平衡的傳送,轉成平衡式,阻抗由高的變成低的如此,Balance ( 平衡式 )的傳輸就是將這正負的聲音訊號各自獨立由自己的導線傳送,然後地線旁路的工作,再由另一條導線
負責。也所以構成平衡式的架構就須要三條訊號線才完成。那麼
雜音呢?雜音當然有,它充斥在正負
訊號線裡面,不同的是,利用輸入端的兩個半導體 ( 電晶體 ),其矽導體的特雜訊特性,( 因為半導體的特性,所以同規格的晶體,其矽的雜訊特性不可能會一樣的 ),藉由這樣的原理,當組合成差動架構的
電路時,當這正負訊號線所夾帶而來的雜訊同時間內的產生的相位一樣時,不予放大,同時間的雜音
相位相反時,自動抵消旁路,結果聲音訊號的標準正負週期在這過程剛好給予放大!
得到有差數就放大,沒差數就抵消旁路,也是電子術語裡的 ( 共模拒斥比 ) 原理,來達到消弭雜音的
動作。又因為輸出的阻抗低,所以不會如同高阻抗的特性,距離一遠就成為接收天線,所以允許長距
的傳送,一般都還可達 300 m 遠。
那為何要變成麥克風訊號呢?是什麼原因?現在各位已經知道平衡式的輸出規格是在 600Ω + 4 dBu 的
意思了,但是呢,這是主動的元件規格,+ 4 dBu,不管啦,+ 4 dBm、+ 4 dBv 都是一樣!
現在都已經
不是標準說法,而是參考說法,就是它本身有能力提供 + 4 dB / 1.23V 的訊號電壓,就算提供給它訊號
的上一級設備,供應的訊號值只有 – 10 或 – 20 dB 的訊號值,它本身都可以自己再提供到+4 dB / 1.23V
/ 600Ω 的條件,或是再增加到 
+ 18 dB、+ 24 dB 等等,所以當機器上的輸出端有標示600Ω + 4 dBu的
字眼時,
它肯定就是 Balance 平衡式低阻抗的輸出,在混音器的文章裡都概略有說到這些關係,也就是
在舞台上,你把 Guitar、Bass Guitar、Loop、Keyboard、DJ 等類似的非平衡式高阻抗訊號接入任一裝置,
其輸出功能可以轉換成平衡式低阻抗的設備,那就俱備了長距傳送的條件了。
但是這樣的經濟效益就太耗資了,不敷成本應用,另外當這樣高增益低阻抗的訊號傳輸在Multi Cable裡,
這個訊號傳輸的串音比也跟著提高,試想,如果舞台上有 5 組到 10 組這類的+ 4 dB 以上的訊號傳輸到
混音器,你可能 cue Bass 的訊號裡會聽到 Keyboard 的聲音,就算混音器輸入端的衰減裝置都已用上,
也沒有什麼幫忙,因為這種串音的現象是直
接在 Multi Cable 上面交耦的。

DI – BOX 是一個被動元件,是無放大的功能,只有衰減的裝置,所以轉換出來的訊號電壓肯定是負值
的,一支正常的動圈式麥克風,它的靈敏度大多在 – 40 to – 55 dB 位置,一支電容式的麥克風,
它的靈敏度大多在 – 25 to – 35 dB位置,現在你用一個 – 10 dB的 Line 訊號輸入給 DI 它們轉換的訊號
值不過是在 – 35 to – 10 dB 左右,相當與動圈與電容式麥克風之間的數值,就像是麥克風輸出的訊號
般,又擁有低阻抗平衡式,所以就允許你做遠距及低於串音值的規定來傳輸訊號,同樣的它俱備了
高阻抗的輸入來配合這些非平衡訊號的輸入,基本的零件就是一顆訊號耦合的變壓器,這個元件就是
將訊號經過變壓器的線圈、矽鋼片、磁鐵等,來將訊號耦合到次級線圈來變成一個低阻抗平衡式的
小訊號電壓,以前這種變壓器的製程是很難很貴的,就算有,頻寬也不好,現在已經沒那麼神奇了,
早期電子式的 D I很普遍,俱代表性的就是 BOSS DI - 1,目前都還在線上服役,待會一一剖析。
變壓器耦合的好處非常的多,不用直接線對線連接就可以傳輸能量到下一連結,不過缺點就是頻寬
不夠,雖說滿足市面上使用,但真想要好一點的層級,它就會反應在價格上。
變壓器大小也決定其
負載承受量,什麼因素都有關連的,現在我們就來看看這幾顆DI – BOX 的特性吧。

下面這一張表格是採用 4 段不同頻率播放正弦波來觀看其數據,訊號源就不用方波了,以免對這些設備
條件要求太過嚴苛。另外為什麼不使用SIA軟體來觀看呢?若是使用 Transfer的功能只能觀察到頻響,
那麼每一顆 DI 在這樣的量測下,全都可以20 Hz~20 KHz平坦,所以我們要加負載量取輸出電壓。

規程標定:

NTI MR – 1 訊號產生器,- 10 dBm Line 輸出。( 本身 4 段頻率輸出自我測試數據正常,合乎標準 )。

JAPAN SOAR corporation 數位電壓錶 / 分貝錶。

SAMPO 2120 雙軌 20 MHz 示波器。

在正負 3 dB 的高低頻滾降點要求,各位利用此表格就可以清楚分辨出來,自個心裡就有數了。

另外我把所測試的個 DI – BOX 數據轉換成分析圖表,再給各位對這幾種產品有更深入的印象。


圖 DI BOX - 01
圖 01是 BSS 的 AR – 116 ,面板上有 4KHz,8KHz 的 Hi cut 功能,衰減開關有 0 dB / 20 dB / 40 dB
很方便,請注意,Hi cut 的功能在 0 dB 的位置時是不作用的。它必須裝兩個電池,有一顆是預備的,
不過更換電池是整個要拆開面板進行,AR – 116 的取代產品是 AR – 133 它的電池更換已改良了,
相信比較方便使用者應用。在雜訊隔離方面 ( 使用上述的情況 ),是 OK 的。


圖 DI BOX - 02
圖02是 whirlwind Direct 2 ,它是一個兩 channel 獨立的 DI – BOX,輸入端有一標準 – 20 dB 的開關
選擇,但是它卻是所有的盒子裡,表現最好的一個。輸出阻抗是 150Ω,我們將其訊號 Y 了 4 組出來
時,只掉了 1 dB 多,頻率響應在這麼大的輸出負擔下,依然沒變,足以扛下重責大任,
不過貴了些,
在雜訊隔離方面 ( 使用上述的情況 ),是 OK 的。


圖 DI BOX - 03
BOSS DI – 1 是花最多的時間去瞭解它,這個測出來的數據,不知道換了幾個來,公司的都被測光了,沒有一個盒子是在 + - 3 dB 裡面,各位手頭上不知有沒有全新的,自己試看看曲線會不會好一點,
大概是公司的 BOSS 太老了,不過每一顆的高頻部份幾乎都上揚的,這就應驗了早期用它在空心吉他
上,樂師都嫌聲音扁扁的,就是因為過份的渲染高頻而忽略掉其他的,同樣20 dB / 40 dB衰減開關都有,
接地旁路的開關也有,包括一個 unbalance out,給下一個連結,這個功能就是除了 amp 訊號進來可轉成
訊號供給,或這組訊號還要 Y 給別組設備時,就從這個出口端供給,而不會影響到 XLR 輸出的端口,
不過這個盒子的頻率響輸出電壓應實在是令人無法接受,
隔離度也還好,接地的開關會影響很大,又由於它是電子式的,當使用接地開關來旁路雜音時,
這個連接單位算是浮動的訊號,真的應用在外場時,並不是永久的解決方法,如果在外場應用時,
你的 Line 訊號傳輸都需使要用 GND LIFT 的開關來解決哼聲問題的話,那這個系統肯定要重新檢視
電源方面的連結才是治本的方法。


圖 DI BOX - 04
DOD 265 是所有 DI 裡最小的一個轉換盒,可別小看它,人家它的變壓器頻率響應也很漂亮,
在隔離上也達到目的,衰減開關 20 dB / 40 dB 都有,材料是差了些,各位,便宜是有原因的,
如果你有使用到這款 DI 時,請不要再 Y 出訊號來,它的變壓器很小,純 1:1 的規格,我把它 Y 一組
訊號時,輸出電平就掉下來了,結果,我就直接先從空載開始,然後輸出接入一個連結端,
也就是當輸出端有負載時,其輸出電平就有些許的下降,但並不是不可用,最主要的是我們拿它使用
的目的是轉換阻抗,這方面它表現的不錯,所以如果你使用的原則只是這方面不考慮其他的,
那 DOD 便宜又大碗夠你挑的。


圖 DI BOX - 05


圖 DI BOX - 06


圖 DI BOX - 07
Behringer GI – 100 / DI – 100 / DI - 20 這三款我就一並說,GI -100,DI - 20是今年一個新的產品,
不過也變不到那去,DI - 100 就是咱們一般的用法,GI -100 多了一個開關是將聲音訊號模擬成 4 支
12” 喇叭的聲音,講穿了不過是 HI CUT 某些頻率,然後 BOOST / CUT 一些中低頻率,
它的設計是直接就可以把樂器擴大器輸出接進來,經過它把訊號轉成麥克風訊號,又可 PARA 出去,
增加使用者的豐富度,DI - 20 是一個兩 CHANNEL 半功的轉換盒,專門提供給 DJ Mixer 用的,
當然啦,這個轉換的功能是可以的,DI – 20 也是不適合再 Y 出訊號來的,規規矩矩的使用即可,
這三款的轉換電平都很高,參照圖面資料就可以看出在 
- 10 dB 左右,這也對應到它自己的產品上,
你可以發現它的混音器麥克風輸入的放大起始值是由 10 dB 開始,也就是說,當一個 – 10 dB 的非
平衡訊入這些 DI 時,它們會轉換成 – 10 dB 的平衡式麥克風訊號,把它插入自己產品的混音器或
AD - 8000 的麥克風輸入端時,不用調整電平值就可得到 0 dB 的訊號值在下一連結。
如果你想要 DI 的訊號輸出像一個 SM - 58 的麥克風輸出電平,那就把它兩個 – 20 dB 的衰減開關
按下,即可得到你想要的電平值,
使用 Behringer DI 的注意事項就是別在 0 dB 的位置使用,
儘量以 – 20 dB 的位置去工作,以免輸入訊號容易失真。


圖 DI BOX - 07
CountryMan 就不用再多說了,這是值的信賴的曲線,公司的每一顆 DI 都是這樣的,討厭的是換電池
也要全拆,隔離度也是很好,不過這價格實在應該可以再少一點才對,個人覺得它的價格是被炒起來
的,輸入端的 SPEAKER 開關其實就是一個將近 – 40 dB 的衰減開關。

麼多的 DI,其裝置都有衰減開關,這開關的規格會如此之高是有原因的,一般人都以為 DI 只是轉換
這非平衡訊號,它也能轉換擴大器放送出來的聲音訊號,譬如有人認為電吉他的聲音用麥克風收還
無法表達其效果的清析度,經由吉他擴大器出來的比較好,那麼要取得這一訊號就必須從擴大器輸出
來截取,那擴大器的阻抗是 8 Ω 或 4 Ω,那樣低的阻抗會有問題嗎?想太多了,肯定沒問題的,
一個 - 40 dB 的衰減裝置就足以把 1000 W 的功率輸出轉成麥克風訊號來用,因為這麼一個轉換盒的
元件對這高電壓大電流的裝置而言,有如一個電錶一樣,將其分流過來 DI 裡,壓跟根兒就沒有消耗到
能量,這衰減的開關值就像電錶上的比值切換一樣,不會去影響到分流的元件。有的 DI 衰減值僅有 
– 20 dB 差不多 300 W 的樂器擴大器都夠用了,其實在舞台上的樂器擴大器的瓦數,並沒有那麼大,
真正在工作實的功率,了不起 150 W!這就是為何有些廠家在 DI 衰減開關上依然一個 – 20 dB就夠了。

PHANTOM POWER 的支援,一般 DI 本身都有一個乾電池裝置來獨立提供本身的電路使用,DOD
與 whirlwind Direct 2 則是不用電池,這兩個是純變壓器耦合的,帶電的就是混合的裝置,也因此當
本身電池耗盡時,啟動混音器上的 
PHANTOM POWER 開關,這電源就如同在提供一支電容式麥克風
的作用一樣,讓 DI 繼續運作下去。
說到 PHANTOM POWER 這個字眼,本來應該寫在前幾篇混音器文章裡才對,結果漏掉掉了,
現在順便補回來給各位,我個人對它的解釋是
仿真電源才確切,但是早期的人把它譯成幻象電源,
翻譯的人肯定不是專業領域的人才會導致如此,真正原由是 PHANTOM 代表幽靈、妖、虛構人物,
那你不能拿來給專業領域用啊,我們要去知道為何要稱這個供電方式為 PHANTOM?因為當麥克風是
電容式的時候,它須要電源,這電源倒底是從那個路由來的?它是一樣由麥克風線的 2 腳 + VCC,
3 腳 – VCC,提供一個 + 
48 V 的直流電源,有的麥克風或是 DI 所須的電壓不用那麼多,那就全靠
元件本身電路去調整所需的電壓,那為何要 48 V呢?就是早期的電話通訊話筒須要這樣的電壓才能
工作,又有些真空管製品麥克風須要高電壓,所以這個文化一直延傳到現在,又這個電源的來去迴路
完全沒有碰到公共的地線,( 一般的正常的路由都必須要有地線來做迴路 ),
然後這個在 PIN - 2、PIN - 3 的直流電只會流出去,而不會流入混音器的麥克風放大電路裡,如此,
工程師們把這寄生在訊號線裡的直流電源,不尋常的,不接地的路由方法稱為 PHANTOM POWER,
在鄭規的中文電科裡的譯法,要稱為仿真電源,不能說成生活上的文詞,跟你們分享。

DI BOX 在市面上還有好多種,這邊手頭上也只有這些而已,不過提供一個使用它的新觀念,
導入正確的操作方式,目的就達到了,如果選擇它們的話,有預算的,就 whirlwind Direct 2,
經濟的就是 DI -100,鐵公雞的就 DOD,
以上

吳榮宗

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