网路交换器对音乐播放到底有没有影响？从不同角度来看看

网路交换器对音乐播放到底有没有影响？从不同角度来看看


这篇文章原本是预备给音响展用的讲稿。由于时间有限，投影片又做了40多页，能够讲的事情也有限，在现场的时候只能大概给一个方向，接着就进入网通品牌switch与Nordost QNET的比较了。

引言

由于Nordost QNET网路交换器的产品描述中特别提到「阻抗控制」(impedance control)，所以才激起我们的好奇心去看看这到底是什么东西。long story short，全部都导向我们后面要说的事情上

今天要讲的事情虽然到最后是讲网路交换器对音乐播放有没有用，不过，我们认为其中的概念其实是可以套用在整个音响系统。在音响的讨论区内的讨论，或是厂商广告的话术，会发现，数位产品的争论跟类比产品的争论，数位的讨论或是争论是非常地分歧，甚至在部分讨论区里面，会发现，「数位产品」在音响设计内的应用，会被讲成「骗局」、「厂商阴谋」、「零一怎么可能会有差异」。对于我们销售端来说啦，很多时候的回覆，大多的说法就是：「你来听听看就知道了」。

但是，这中间有很多误会，导致，觉得数位器材是骗局的人，压根不想去音响店体验，担心人家动手脚。音响店呢？很多产品实际是听起来有差异，甚至是有提升，但是很多人不相信，而且，很多时候销售端不知道怎么去合理解释。这类的问题，音乐聆听的途径，像是从电脑播放到现在网路播放，都是有很多问题可以让大家在网路上吵架。譬如所：USB线是玄学、非同步USB一定不可能会有差异。到现在网路串流时代来临，一样的问题又来了：网路线是玄学、信号封包，零跟壹我们得到的东西都是一样。

可是，真的是这样吗？我们是不是在讨论的过程当中，是不是漏看了什么事情？至少我们是这么认为啦。

我们尽量把阅读到的资讯，还有在竹科上班的熟客、朋友给我们的意见整理起来，这些朋友有做设计网路实体层PHY、有在网通品牌内服务、也有在科技公司从事音讯产品设计开发(公司名称不便透露)。我们要透过另一个角度，一个在音响圈内几乎没有讨论、看待的角度来看网路交换器，甚至是可以延伸到数位器材。告诉大家「数位没有那么简单」。

这里，我们要再次强调一件事情，我们是要试图透过不同角度来看待数位产品设计，而不是要说这绝对是影响声音的主因。我们研读资料后，觉得说，接下来要讲的事情是个「值得列入考量的事情」。我们除了花钱买了IEEE的出版物之外，也有咨询设计网路实体层设计的资深工程师、在网通设备从业的工程师以及在科技大厂的音讯部门从事研发的工程师。我们也知道，经手不同的专案会有不同解决方案，也会有对于产品不同的见解，至少在我们接下来要讲的事情，对他们而言是合理甚至是实务上日常要面对的挑战。

最后，我们也一直在说：「Hi-Fi、Hi-End音响就是要透过工程的手段解决声音不好听、不自然的问题。」



数位串流音响架构

不免俗的还是要介绍网路串流音响系统的架构大概是什么样子。





数位信号：零与壹

类比信号是随着时间连续向前的，以前的数学家就想到方法来把类比信号经过变化后成为不连续的信号，然后可以去操作这些信号。（Continuous Signal vs. Discrete Signal）

多数的人其实对于数位信号的印象是卡在01或是理想的方波的样子。然后就打住了，就不再去探究数位信号的真实面貌、或是信号在生活中传递的样貌。

01是一个表示法，表示电压变化。上升的那端我们通常称他为逻辑的1， 下降的是逻辑0。





换个视角

从这里开始，希望大家可以转换个想法。那就是，音响系统本质上就是广播、通讯系统。从手机里面的喇叭、麦克风到演唱会的PA系统、再到我们现在使用的Hi-Fi、Hi-End音响系统，他们都是广播、通讯系统。

会这么说的原因就是，当初我们想要去了解喇叭摆位、音响声学的背后原理，譬如说：toe-in 角度、聆听距离、聆听空间建议尺寸⋯⋯等等的事情，这些事情背后是有什么学理、科学跟规范来支持这些东西，然后，我找到了ITU。ITU就是Internation Telecommunication Union，它是一个在联合国之下的一个组织，这个组织定义了很多与通讯广播相关的标准，而这些标准也深深影响了声音的学术研究、音响产品开发⋯⋯等等的事情。所以，从此之后，我们在找一些技术性的参考资料的时候，我会开始以这个角度去切入搜寻。

从通讯系统的角度来看的话，就可以包含很多事情，电子、电机、材料还有困难程度高到令人头晕的数学。在找寻解答的过程当中，多少可以发现一些能够解释在音响讨论区中一些长年有争议的议题。例如说，我们今天要讲的网路交换器，还有USB、同轴、AES/EBU⋯⋯等数位信号传输的事情。

刚刚讲过，音响是广播、通讯系统，无论信号是类比还是数位，他们都是「电讯」。既然，类比与数位信号都是「电子信号」，甚至也会被视为能量，那这样的话，我们的思维就会不一样。

无论是类比还是数位信号传输，整个信号链包含了三个部分：发送端、通道跟接收端。



这个信号链可以小至电路、大至海底电缆传输、无线网路、基地台传输、无线信号发射接收，还有我们常见的：音响、耳机系统。

发送端可以是DAC的类比输出或是串流机的数位输出。接收端对DAC来说当然就是扩大机，对串流机来说当然就是DAC。通道，channel就是各种信号线。

我们再回头看看数位信号，也就是大家普遍认知的方波。

方波内其实是多个频率信号的集合。而我们平常Google搜寻数位信号或是方波的时候，看到的图片基本上都是「理论上完美数位信号应该要有的样子」。但是，实际上是不可能长这样的。

既然要讲完美，那就提一下，一个理想中完美的数位信号，应该要有这两个条件：

信号的振幅要一致
信号的时序偏移与延迟要一致
这些事情都是理论上、学理上认为应该要做到的事情。但是，实际上，在任何系统里面要做到这个完美世界的状态，其实是没办法的。

下面几张图片就是在做数位信号测量的时候会看到的东西，示波器可以看到方波、眼图eye diagram，或是其他高阶、复杂的测量仪器也看得到。





好，那我们再回头复习一下我们在音响讨论区最常看到的争议：数位是零跟一，不会有差别，这些都是资料，资料正确就不会有听感上的差异。网路通讯协定也能够保证资料的正确性，这些数位信号也不可能会造成听感上的差异。与其说资料正确，就我们目前得到的资料来看，应该注意的是，这些器材内系统的信号完整性的程度，甚至是延伸到整个音响系统的信号完整性或是干净程度。

在高速的数位信号传输的时代，信号完整性变得更为重要。在高速数位系统设计流程中，有个职位叫作「Signal Integrity Engineer」。简单来说信号完整性工程师必须确保产品，尤其是电路设计，产品内的信号传输效率、品质是否达到指定的水准。毕竟很多产品的设定的目标都不一样，成本、售价、完成产品的指定品质⋯⋯等等的事情。

信号传输的路径的设计细节就非常重要了。我们理想中传递的信号，应该是要像下图左边的样子，而实际上是右边的样子，而且甚至是比右边的图更惨烈。而，会影响信号传输品质的因素，大概是这几项：阻抗匹配、串音、频率响应、噪讯。



阻抗匹配没有做好会有信号反弹，然后造成信号失真。阻抗匹配没做好的原因大致上是：电路板的路径变化、不恰当的连接终端、电路孔洞的特性：孔洞大小…等等、PCB板内的材料以及与其他电路设计问题⋯⋯。
串音原则上是能量在channel之间互相影响。
频率响应，频率越高也会伴随衰减问题。而会影响电路内频率的因素大致上是：导体特性(阻抗)、电介质损耗、集肤效应(skin effect)
噪讯，也就是大家最常看到的noise。Noise的来源大致上是源自于电源、系统内部与外部的EMI、集肤效应(skin effect)还有前面提到的串音也会造成noise⋯⋯等等的。
到这里为止，就是针对信号完整性(signal integrity)的一些介绍。而这些事情在设计高速数位产品时需要去注意的，并且，如果要做的好，花费的时间与成本会相对地高。



前面铺成这么多，就是为了接下来的主题，那就是网路交换器。

要讨论网路交换器，就不得不讲现代的网路架构。现代的网路架构是遵从OSI Model。对于多数的人的网路体验都是在第六与七层，我们现在要讲的是最底层、最基础的第一层，physical 实体层。实体层是所有信号传递的基础。我们看实体层的意义就是回到基础的电路设计。这类的产品还是必须在国际的标准的规范中设计、生产相关的器材。这个标准也就是IEEE 802系列的标准。



一般来说，一台1GbE的网路交换器会有一些基本元件，才能够符合基本的IEEE 802.3的标准，并且达到网路交换器的自己的任务：电路板、PHY、电源供应、Magnetics(或称LAN Transformers, 变压器)、网路输入。



而PHY可以说是交换器的心脏。



以Texas Instrument的PHY晶片为例子，我们刚刚讲的电路设计的事情，其实元件制造商都会给规格书，上面都会有指示说在设计的时候应该要怎么做。譬如说传输通道的阻抗在单端或或是离散的电路规划应该要分别是50欧姆或100欧姆，PCB上的路径规划的建议，还有PCB板要做几层…等等的事情，都会说。很有趣的是TI在规格书内讲：「Ideally, there should be no crossover or via on the signal paths. Vias present impedance discontinuities and should be minimized」，不过现实生活中要做到没有串音、要做到完美的阻抗一致性，真的是非常的难。









虽然说，对于「资料」而言，网路传输都会有一个除错、校正的机制，所以我们多数的时候在打视讯电话、开视讯会议、打网路电话、串流4K影片都会很稳定正常。所以，很多时候我们通常会认为传输的东西，资料就是资料，在音响上不会有差异。可是，对于整个传输系统而言，要考虑的问题永远不是只有资料、零一、封包。虽然说是数位信号、封包，这些东西在传输的过程中，还是使用我们看到的这些电路载体、信号线中传递。所以，基本上那些电源、EMI/RF、noise的基本问题还是会影响整个信号链。

透过硬体设计与信号完整性的角度来看的话，对我们来说，就可以理解为什么我们门市更换Wi-Fi Router也可以影响整个门市串流播放的品质，也可以理解在数位串流音响系统中使用较好的网路交换器可以得到变化与改善。

下图是我们门市使用过还有正在使用的网通设备，还有音响级的网路交换器。





如果只看资料的话，那么再低阶的器材都可以达到传递资料的目的。而不讲音响产品，讲网通相关的解决方案的时候，如果，今天我们只是要听到声音，看得到影像的话那很简单，这市场上的高阶解决方案是不是一个程度上也是在骗财呢？如果，我们在意声音要清晰、要自然，影像要丰富、画面要清晰立体，那这些solution就不会是笑话了。既然我们无法改变外面的网路信号传输品质，那就尽可能地把自己家中或是工作环境中的传输系统做好。而音响产品更在意末端播放的品质；如同我们前面说的：「Hi-Fi、Hi-End音响就是要透过工程的手段解决声音不好听、不自然的问题」。

然后接着就是Nordost QNET的介绍与音响展讲座当天的PK活动。


最后，我们要再次强调一件事情，我们是要试图透过不同角度来看待数位产品设计，而不是要说这绝对是影响声音的主因。我们研读资料后，觉得上述讲的事情是个「值得列入考量的事情」。我们除了花钱买了IEEE的出版物之外，也有咨询设计网路实体层设计的资深工程师、在网通设备从业的工程师以及在科技大厂的音讯部门从事研发的工程师。我们也知道，经手不同的专案会有不同解决方案，也会有对于产品不同的见解，至少在我们上述分享的内容，对他们而言是合理甚至是实务上日常要面对的挑战。

希望这篇文章可以带给你们一个新的角度来看音响的数位产品。