為什么A2B能夠支持更復(fù)雜的新數(shù)據(jù)和音頻傳輸系統(tǒng)

摘要

ADI公司A2B®總線的全新增強(qiáng)功能為數(shù)據(jù)和音頻傳輸與分發(fā)帶來(lái)新的發(fā)展。智能樓宇、大廳、房間或智能家居均可從新型收發(fā)器的眾多集成特性中獲益。新的A2B增強(qiáng)功能包括總線長(zhǎng)度更長(zhǎng)，可達(dá)300米，并且總線功率更高，可達(dá)50 W。本文重點(diǎn)介紹了這些增強(qiáng)功能如何幫助打造更復(fù)雜的系統(tǒng)。文中展示了一些應(yīng)用示例，其中A2B總線可以幫助簡(jiǎn)化布線架構(gòu)，而涉及的硬件和軟件工作量非常少。

引言

A2B是一種雙向高帶寬數(shù)字音頻總線，能夠在很長(zhǎng)的距離上（節(jié)點(diǎn)間的距離長(zhǎng)達(dá)30 m，整個(gè)總線長(zhǎng)度為300 m），使用一條2線式非屏蔽雙絞線(UTP)電纜傳輸I2S/TDM/PDM數(shù)據(jù)、I2C/SPI控制信息以及時(shí)鐘和供電信號(hào)。該總線在汽車應(yīng)用和統(tǒng)一通信應(yīng)用中已經(jīng)非常成熟。通過(guò)不斷的深入開發(fā)，A2B還可用于許多商業(yè)和工業(yè)用途。

商業(yè)、辦公和公共建筑要求公共廣播系統(tǒng)(PA)持續(xù)可用。PA是由麥克風(fēng)、放大器、揚(yáng)聲器和相關(guān)設(shè)備組成的電子系統(tǒng)。它能提高人聲、樂(lè)器或其他聲源的響度。舉例而言，這種系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)的警報(bào)系統(tǒng)。在緊急情況下，清晰的語(yǔ)音指示比傳統(tǒng)的警報(bào)器更能有效地引導(dǎo)人們做出正確的反應(yīng)，幫助人們更好地理解情況，并有可能避免災(zāi)難的發(fā)生。

此外，音樂(lè)分發(fā)、語(yǔ)音警報(bào)、廣播和對(duì)講功能可以成為該系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)的復(fù)雜性因而會(huì)增加。隨著系統(tǒng)不斷發(fā)展，以及對(duì)額外廣播功能的需求不斷增加，設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜。A2B技術(shù)可能有助于滿足這一需求。

為了服務(wù)大量節(jié)點(diǎn)，使用以太網(wǎng)作為物理層時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要配備昂貴的微控制器。此方法常用于簡(jiǎn)單的音頻和控制設(shè)備。除以太網(wǎng)外，100V線路也被使用，并具有通過(guò)電纜傳輸電力的優(yōu)勢(shì)，但它們?cè)谝粋€(gè)方向上只能傳輸一個(gè)音頻信號(hào)，無(wú)法添加數(shù)據(jù)通信，并且所需的變壓器非常笨重。

這就是A2B發(fā)揮作用的地方。A2B讓本地相關(guān)設(shè)備（如揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、對(duì)講站、控制面板和傳感器）能夠通過(guò)簡(jiǎn)單線纜以菊花鏈形式連接起來(lái)。

A2B易于使用和實(shí)施，是理想的解決方案。A2B收發(fā)器可以連接到設(shè)備，用戶將獲得64個(gè)雙向音頻通道（32個(gè)下行通道和32個(gè)上行通道），這些通道可以配對(duì)，與位于端點(diǎn)的外圍設(shè)備進(jìn)行I2C/SPI/GPIO通信。無(wú)需開發(fā)或使用更復(fù)雜的時(shí)隙協(xié)議棧。

A2B是一種高速雙向時(shí)間同步總線，可傳輸I2S/TDM以及I2C、SPI、GPIO數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率為50 Mbps。這種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)是任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的延遲低至50 μs。

借助非屏蔽雙絞線(UTP)，可將多達(dá)17個(gè)節(jié)點(diǎn)（包括主節(jié)點(diǎn)）以菊花鏈形式連接到一條總線上?？偩€長(zhǎng)度可長(zhǎng)達(dá)300米，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離可達(dá)30米。通信可以從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這意味著如果選擇48 kHz和16位，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向任何其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送32個(gè)音頻通道。數(shù)據(jù)大小可以根據(jù)不同的需求確定，數(shù)據(jù)速率可以設(shè)置為1.5 kHz至192 kHz之間。數(shù)據(jù)寬度越小、數(shù)據(jù)速率越低，可用通道數(shù)越多。

另一大亮點(diǎn)是總線功率，整條總線可以傳輸高達(dá)50 W的功率。因此，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)總線遠(yuǎn)程供電，而無(wú)需額外的本地電源。中等輸出功率的揚(yáng)聲器節(jié)點(diǎn)也可以通過(guò)A2B總線供電。但是，如果功率需求更高，則需要外部電源。

圖1.A2B網(wǎng)絡(luò)及其相連模塊的設(shè)置示例。

圖1展示了A2B總線的靈活性，它能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置。由于收發(fā)器已經(jīng)集成了許多模塊和接口，因此通常不需要單獨(dú)的微控制器即可運(yùn)行。

如圖所示，簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)是一個(gè)麥克風(fēng)陣列，它采用AD2437收發(fā)器。可連接多達(dá)四個(gè)PDM麥克風(fēng)。這種麥克風(fēng)陣列可用于定位噪聲源以執(zhí)行噪聲消除，或找到音頻的到達(dá)方向。在這種情況下，可以從相鄰背景噪聲中提取該音頻源。由于總線延遲非常低，此陣列不一定需要位于同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。它可以輕松地分布于房間內(nèi)不同位置的多個(gè)節(jié)點(diǎn)。電源將從總線獲取，因?yàn)榇斯?jié)點(diǎn)的功耗非常低，無(wú)需單獨(dú)的電源。因此，解決方案非常小且易于安裝。例如，我們?cè)O(shè)計(jì)過(guò)一個(gè)尺寸為35mm × 19mm的節(jié)點(diǎn)，其中包括導(dǎo)線連接器和總線電源電路。

如果需要更復(fù)雜的功能，可以通過(guò)I2S輸出將單獨(dú)的D類或任何其他功率放大器連接到AD2437。此外，還可以連接音頻編解碼器。由于音頻通常不會(huì)隨時(shí)中斷，因此可以采用I2C接口來(lái)并行設(shè)置功率放大器或編解碼器。借助這種配置，可以創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的總線供電對(duì)講終端。AD2437還具有GPIO，其中一些提供脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出。這可以用作鍵盤端口輸入來(lái)與主機(jī)交互。如果按下某個(gè)鍵，主機(jī)就會(huì)收到中斷，從而可以建立通信。PWM輸出可用于指示通信是否處于活動(dòng)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)LED（指示連接狀態(tài)），以及指示所需的所有其他信息。這種簡(jiǎn)單但有效的功能不需要單獨(dú)的微控制器，整個(gè)系統(tǒng)的軟件工作得以簡(jiǎn)化。

復(fù)雜度更高的對(duì)講終端（如帶有圖形用戶界面(GUI)）可以使用微控制器通過(guò)SPI獲取數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意，SPI總線最大速度為10 Mbps。

對(duì)于純揚(yáng)聲器節(jié)點(diǎn)（可能位于天花板或建筑物的其他部分，需要更高輸出功率），外部電源將足以滿足需求?？偩€電源不需要插入到主機(jī)節(jié)點(diǎn)，可以將其插入到任何中間節(jié)點(diǎn)的某個(gè)位置，以減輕電纜內(nèi)的電流壓力。

圖2.公共廣播系統(tǒng)示例。

在很多其他應(yīng)用中，功能豐富的A2B也優(yōu)于以前使用的技術(shù)，可以取而代之。這些應(yīng)用包括需要通信和多通道音頻傳輸?shù)膽?yīng)用。

護(hù)士呼叫/通知系統(tǒng)由以太網(wǎng)配置組成，復(fù)雜度較低。在這種情況下，將有一個(gè)房間控制器通過(guò)以太網(wǎng)連接，但與患者終端的連接將通過(guò)A2B運(yùn)行。此配置能夠通過(guò)一根UTP電纜將所有必要的音頻、數(shù)據(jù)和電源傳輸?shù)椒块g內(nèi)分布的多達(dá)16張床位。每個(gè)終端都可以輕松配備一個(gè)小型微控制器，以便為每位患者提供豐富的音頻通道選擇。顯示屏可以指示通道選擇、時(shí)間和警報(bào)狀態(tài)。警報(bào)按鈕可以直接連接到其中一個(gè)GPIO，以觸發(fā)房間控制器上的中斷。此外，如果患者行動(dòng)受限，選定的終端可以即時(shí)將麥克風(fēng)信號(hào)傳輸?shù)椒块g控制器。系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換選定的關(guān)鍵詞并觸發(fā)警報(bào)。

由于此環(huán)境的安裝可能變化多端，因此系統(tǒng)必須支持方便地修改其設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)中終端的添加和刪除將由主機(jī)提供的即插即用協(xié)議棧處理。為了在移除的終端上保持菊花鏈配置，可以使用一個(gè)小型適配器來(lái)橋接缺失的節(jié)點(diǎn)。如果通信中斷，診斷程序?qū)?bào)告故障。

A2B總線的超低延遲和完全同步行為對(duì)柜臺(tái)對(duì)講系統(tǒng)也有益。多個(gè)麥克風(fēng)可以位于不同位置，使用波束成形技術(shù)清晰地分離柜臺(tái)前講話者的聲音通道。所有來(lái)自鄰近人員的背景噪音都將被抑制。任何隔音屏障（如玻璃墻）之間都可以建立清晰的對(duì)話。通常，柜臺(tái)、醫(yī)院的隔離區(qū)域或潔凈室設(shè)施都很適合采用此類解決方案。

圖3.柜臺(tái)對(duì)講系統(tǒng)示例。

類似地，監(jiān)獄對(duì)講系統(tǒng)中的所有麥克風(fēng)數(shù)據(jù)都可以傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)，許多音頻通道（如不同的無(wú)線電頻道）可以廣播到每間牢房。

使用波束成形的另一個(gè)典型例子是會(huì)議系統(tǒng)，允許在會(huì)議室中放置許多麥克風(fēng)。語(yǔ)音轉(zhuǎn)文本系統(tǒng)需要能夠?qū)⒉煌f(shuō)話者的音頻信號(hào)清晰分離。由于延遲低，所有麥克風(fēng)通道可以同時(shí)傳輸?shù)街鳈C(jī)控制器或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，以計(jì)算不同的波束位置。

另一種方法是使用座位到座位桌面麥克風(fēng)或耳機(jī)，并將其連接到口譯系統(tǒng)。在這里，所有與會(huì)者都可以獲得自動(dòng)翻譯成各自母語(yǔ)的個(gè)性化音頻數(shù)據(jù)。通過(guò)使用較低質(zhì)量的音頻帶寬，系統(tǒng)可以支持相當(dāng)多的通道。因此，主機(jī)可以接收所有麥克風(fēng)信號(hào)，并輕松進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。排序方式可以基于信號(hào)強(qiáng)度從高到低，也可以采用系統(tǒng)控制的方式，僅向選定的人員開放語(yǔ)音。在這種情況下，所有終端都可以通過(guò)總線供電，而不需要在桌子上布置局部電源。

家用自動(dòng)化系統(tǒng)日益普及，其便捷的燈光、暖氣、空調(diào)和卷簾控制功能廣為人知。除此之外，這些系統(tǒng)還需要將音頻分發(fā)到許多房間。這樣，您在房屋的任何位置都能聽到門鈴聲，即使在浴室中聆聽高音頻品質(zhì)的收藏播放列表也不例外。將音頻流傳輸?shù)郊抑腥魏挝恢玫墓δ?，以及支持麥克風(fēng)通過(guò)語(yǔ)音命令控制房屋的功能，都非常實(shí)用。相較于通過(guò)WLAN進(jìn)行無(wú)線連接，有線連接可提供更可靠的鏈路并減輕無(wú)線流量負(fù)載。

A2B非常適合專業(yè)音頻系統(tǒng)、家庭錄音室和現(xiàn)場(chǎng)舞臺(tái)設(shè)施，利用CAT5或XLR等現(xiàn)有電纜技術(shù)就能輕松實(shí)現(xiàn)音頻連接。觀看視頻，了解更多信息：A2B：不限于汽車應(yīng)用——錄音室耳機(jī)混頻器演示。

讓我們來(lái)更深入了解A2B總線，以及它如何能夠雙向處理如此多的音頻通道。A2B總線以48 kHz心跳的方式通過(guò)總線發(fā)送超幀。數(shù)據(jù)以1024倍的速率傳輸，總線上的數(shù)據(jù)流頻率達(dá)到49.152 MHz。超幀由兩部分組成：一部分是上行，另一部分是下行，通信由同步控制幀和同步響應(yīng)幀啟動(dòng)。在下行/上行時(shí)隙內(nèi)插入所有I2S/TDM數(shù)據(jù)、I2C數(shù)據(jù)、GPIO和中斷信息。

主機(jī)生成時(shí)鐘，所有節(jié)點(diǎn)與該時(shí)鐘同步，使得系統(tǒng)始終同步。同步控制幀中的前同步碼確保所有節(jié)點(diǎn)同步并且可向外設(shè)提供時(shí)鐘。這樣做的好處是整個(gè)音頻鏈不需要額外的時(shí)鐘、本地振蕩器或異步采樣速率轉(zhuǎn)換器。

圖4.A2B超幀。

圖5.A2B數(shù)據(jù)流。

啟動(dòng)時(shí)，直連到第一個(gè)A2B收發(fā)器芯片（如AD2437）的主機(jī)處理器將把它設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)。主機(jī)處理器提供穩(wěn)定的48 kHz信號(hào)，收發(fā)器將開始用其鎖相環(huán)(PLL)鎖定該信號(hào)。主節(jié)點(diǎn)設(shè)置完成后，它開始逐個(gè)啟動(dòng)子節(jié)點(diǎn)。

SigmaStudio+軟件支持全系統(tǒng)設(shè)置，包括音頻通道和節(jié)點(diǎn)配置。它是一款圖形化編程、診斷和調(diào)整工具，允許設(shè)計(jì)人員添加音頻編解碼器、D類放大器等外設(shè)，輕松創(chuàng)建A2B網(wǎng)絡(luò)的圖形用戶界面。針對(duì)Linux系統(tǒng)的軟件協(xié)議棧和即插即用協(xié)議棧都已提供，便于在運(yùn)行期間添加或刪除總線上的節(jié)點(diǎn)。

帶XLR或RJ45連接器的主評(píng)估模塊或子節(jié)點(diǎn)評(píng)估模塊支持A2B，包括電源傳輸。

結(jié)論

新型A2B收發(fā)器的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，例如電纜更長(zhǎng)且總線功率更高，這為各種應(yīng)用開拓了廣泛的機(jī)會(huì)，尤其是在需要通過(guò)簡(jiǎn)單布線將多個(gè)音頻通道連接到控制數(shù)據(jù)的情況下。如果總線上連接的設(shè)備既有簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)，也有復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，那么總線允許即使在不太復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)上也能采用低成本硬件實(shí)現(xiàn)。即使在非音頻應(yīng)用中，例如準(zhǔn)確同步的傳感器網(wǎng)絡(luò)，A2B也能顯著簡(jiǎn)化應(yīng)用。