基于LPC2138的AES3數(shù)字音頻接口設(shè)計

摘要：隨著數(shù)字音頻技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化音頻設(shè)備已廣泛應(yīng)用于廣播電視節(jié)目領(lǐng)域。鑒于專業(yè)數(shù)字音頻設(shè)備越來越多地需求，以及專用接收發(fā)送設(shè)備的復(fù)雜性，本設(shè)計采用Philips公司的ARM7控制芯片LPC2138結(jié)合音響設(shè)備專用芯片，設(shè)計一個簡單的AES／EBU(AES3)數(shù)字音頻收發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)了專業(yè)AES3數(shù)字音頻的接收與發(fā)送。實驗顯示，在輸入1 kHz，24 dBu時，本設(shè)計的總諧波失真小于0．005％，信噪比大于90 dBu。
關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻；LPC2138；AES3；接收；發(fā)送；總諧波失真；信噪比

    當今數(shù)字技術(shù)的發(fā)展越來越快，人們對廣播電視節(jié)目的質(zhì)量需求也越來越高。AES／EBU(Audio Engineering Society／European Broad cast Union)現(xiàn)已成為專業(yè)數(shù)字音頻較為流行的標準。大量民用產(chǎn)品和專業(yè)音頻數(shù)字設(shè)備如CD機、DAT、MD機、數(shù)字調(diào)音臺、數(shù)字音頻工作站等都支持AES3接口。AES3通過單根絞合線對來串行傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮了數(shù)字信號易處理、音質(zhì)優(yōu)良和抗干擾能力強的優(yōu)勢。它提供兩個信道的音頻數(shù)據(jù)，信道自動計時和自同步，同時提供了傳輸控制的方法和狀態(tài)信息的表示和一些誤碼的檢測能力。
    鑒于入們對高質(zhì)量音樂的追求以及AES3接口的縱多優(yōu)點，設(shè)計出一個能夠接收和發(fā)送AES3音頻信號的簡單系統(tǒng)是很有價值的。本設(shè)計由LPC2138控制音響設(shè)備專用芯片實現(xiàn)AES3接口，只需簡單地修改芯片配置，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的特性調(diào)整及性能擴展，簡單穩(wěn)定，具有較強地實用價值。

1 AES3數(shù)字音頻接口簡介
    AES3接口在單根傳輸線上串行傳輸兩路數(shù)字音頻信號。每個音頻塊(Audio block)包含192幀，每幀包括2個子幀，即左有兩個通道，每個通道包含32個時隙(slot)。0～3時隙為X、Y、Z 3種幀頭，其中X和Y表示一個子幀的開始，Z表示一個塊(block)的開始。4～7時隙為輔助數(shù)據(jù)，8～27時隙為音頻數(shù)據(jù)位，音頻數(shù)據(jù)位可以多達24位。如果音頻數(shù)據(jù)超過20位，則4～7位將被用作音頻數(shù)據(jù)位。最后的4個時隙分別為有效位、用戶數(shù)據(jù)位、通道狀態(tài)位和奇偶校驗位。每192幀信號的通道狀態(tài)位組成通道狀態(tài)數(shù)據(jù)，通道狀態(tài)中含有豐富的音頻特征信息，通過獲取通道狀態(tài)數(shù)據(jù)便可以得知音頻信號是否是專業(yè)型，是否預(yù)加重，以及采樣頻率等信息。每一位的具體含義請參考文獻，本設(shè)計不做詳細介紹。AES3接口傳輸?shù)臄?shù)字音頻信號格式如圖1所示。

2 總體設(shè)計
    本設(shè)計的信號源為模擬音頻信號、J2S串行音頻信號和傳輸線上接收到的AES3數(shù)字音頻信號。
    模擬音頻信號經(jīng)調(diào)節(jié)后，送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過48 k的采樣頻率采樣(本設(shè)計統(tǒng)一使用48 k的采樣率)，轉(zhuǎn)換成I2S數(shù)字音頻信號。I2S信號(包括模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的I2S和I2S信號源的信號)送入SRC4382，SRC4382將I2S信號的采樣頻率轉(zhuǎn)換為48 k，并進行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到的AES3信號可以通過單根絞合線進行傳輸。相反過程，接收到的AES3數(shù)字音頻信號經(jīng)過采樣頻率轉(zhuǎn)換和格式轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換為采樣率為48k的I2S信號。I2S信號可以直接作為輸出，也可以經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器后，再經(jīng)過濾波放大處理，轉(zhuǎn)化為模擬音頻信號輸出。整體框架的部署如圖2所示。

3 主要的硬件設(shè)計
3．1 LPC2138控制模塊
    本設(shè)計中的微控制芯片需要提供I2C總線來控制CS5368、CS4382和SRC4382的操作模式，并且提供外部中斷接口來接收外部的中斷。LPC2 138微控制芯片是Philips公司的ARM7芯片，它擁有豐富的外部串行接口(UART、SPI以及I2C)，向量中斷控制器，支持實時調(diào)試和高速跟蹤執(zhí)行代碼，是一款高性能低功耗的32位微控制器，在微控制領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。鑒于以上特性，本設(shè)計選用LPC2138作為微控制芯片，通過I2C總線接口實現(xiàn)CS5368、CS4382和SRC4382的內(nèi)部寄存器配置，使這些器件工作在合適的工作狀態(tài)，并通過外部中斷接口實現(xiàn)中斷管理。
3．2 電源模塊設(shè)計
    硬件系統(tǒng)平臺要求的供電電源電壓有：±12 V、5 V、3．3 V、2．5 V和1．8 V。其中±12 V和5 V是由變壓器直接輸入得到．3．3 V、2．5 V和1．8 V由電源IC轉(zhuǎn)換得到。±12 V主要為運放供電，3．3 V、2．5 V和1．8 V電源芯片的輸入電壓均為5 V。其中，3．3 V電壓、2．5 V電壓和1．8 V電壓分別由芯片LM1085、TPS79325和LM1117-1．8輸出提供，輸出的2．5 V電壓提供給運放NE5532做基準電壓。
3．3 輸入模擬音頻調(diào)節(jié)模塊
    模擬信號輸入前置電路，包括濾波限幅電路、阻容耦合電路和低通濾波衰減電路。模擬信號輸入前置電路主要用來隔離后級直流分量對前級的影響，限制輸入信號的幅度，濾去輸入信號中的高頻分量，濾除串擾噪聲。輸入模擬音頻信號電壓幅度比較大，不能直接作為A／D轉(zhuǎn)換器的輸入，因此前置電路必須對信號進行衰減，同時基準電壓提高到2．5 V。如圖3所示。信號的衰減系數(shù)為：
    

3．4 輸出模擬音頻調(diào)節(jié)模塊
    人耳能聽見的音頻信號頻率范圍在20 Hz～20 kHz之間，而數(shù)字音頻信號經(jīng)過傳輸和D／A轉(zhuǎn)換后可能會引入各種噪聲，因此需要在D／A轉(zhuǎn)換后進行低通模擬濾波來濾除噪聲。此處由一個隔直流電路(由C5與R15組成高通濾波器)和二階巴特沃茲低通濾波器，如圖4所示。圖中，二階巴特沃茲低通濾波電路引入正負反饋，用來去除信號的高頻分量。

    其中，C5和R15組成的高通濾波器的截止頻率為：
    
    模擬音頻信號經(jīng)過濾波電路后功率比較小，如果直接輸出，則輸出音頻的音量會非常小。因此必須對濾波后的模擬音頻信號進行非失真放大，提高輸出模擬音頻信號的功率，使得音量能達到更好效果。如圖4所示，經(jīng)過濾波后的模擬音頻信號由NE5532放大器進行功率放大，放大倍數(shù)為：
    
3．5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
    模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用Cirrus Logic公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片CS5368。它具有24位轉(zhuǎn)換位寬，114 dB的動態(tài)范嗣，-105 dB的總諧波失真加噪聲，可選的音頻接口格式，低延遲數(shù)字濾波器，差分模擬結(jié)構(gòu)，從模式(slave mode)下支持速度自檢，支持標準的I2C控制接口，適用于專業(yè)的音響設(shè)備。
    在本設(shè)計中，CS5368工作于控制端口模式(control portmode)，通過LPC2138的I2C總線控制，器件地址為0x98H。CS5368可接收8路的差分模擬信號AINLx+、AINLx-，輸出的4路數(shù)字音頻信號CS5368_SDOx格式設(shè)置為I2S模式，采樣頻率為48kΩ。MCLK、SCLK、LRCK分別為12．288 MHz、3．072 MHz、48 kHz，由外部提供。CS5368的外圍電路如圖5所示。

3．6 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊
    數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用Cirrus Logic公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片CS4382。它是一個完整的8通道數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具有114 dB的動態(tài)范圍，-100 dB的總諧波失真加噪聲，支持標準的I2C控制接口，具有理想的差分線性，高保真機制，無線性漂移等優(yōu)勢，適用于專業(yè)的音響設(shè)備。
    在本設(shè)計中，CS4382工作于控制端口模式，通過LPC2138的I2C總線控制，器件地址為0x30H。CS4382可接收4路I2S的數(shù)字音頻信號SDIN1～SDIN4，輸出8路的差分模擬信號，采樣頻率取48k。MCLK、SCLK、LRCK同CS5368，分別為12．288 MHz、3．072MHz、48kHz，由外部提供。
3．7 音頻格式轉(zhuǎn)換模塊
    音頻格式轉(zhuǎn)換模塊采用TI公司的SRC4382芯片。它是一款專用于廣播數(shù)字音頻系統(tǒng)的芯片，它集成了帶有采樣頻率轉(zhuǎn)換的數(shù)字音頻接口發(fā)送器(DIT)和接收器(DIR)，2個音頻串行接口，以及支持數(shù)據(jù)和時鐘內(nèi)聯(lián)的分布式邏輯，DIT和DIR兼容AES3，S／PDIF，IEC 60958和EIAJ CP-1201接口標準，采樣頻率最高支持216 kHz，并且支持通過I2C總線控制芯片的工作狀態(tài)。
    本設(shè)計中，通過LPC2138的I2C總線接口控制SRC4382的工作模式，器件地址為0xE0H。通過設(shè)置SRC4382內(nèi)部寄存器，使其同時有2條工作的信號路徑，一條為RX+、RX-差分信號經(jīng)過DIR單元的采樣頻率轉(zhuǎn)換和解碼后，轉(zhuǎn)換為I2S信號，由SDOUT輸出；另一條為I2S信號SDIN經(jīng)過DIT單元的采樣頻率轉(zhuǎn)換和編碼后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻接口AES3信號，由差分線TX+、TX-輸出。LRCK與SCLK同CS5368，均由外部提供。RX+、RX-與DIN+、DIN-之間以及TX+、TX-與DOUTR+、DOUTR-之間均需要用變壓器做隔離去耦合，以防止前后級之間相互干擾。SRC4382的外圍電路如圖6所示。

4 軟件程序設(shè)計
    CS5368、CS4382、SRC4382 3款芯片均可通過設(shè)置其內(nèi)部寄存器，獲得不同的工作狀態(tài)。
4．1 CS5368軟件部分
    系統(tǒng)上電之后需對CS5368進行初始化。GCTL(globalmode control register)控制芯片的工作模式，本設(shè)計工作狀態(tài)為：控制端口模式，時鐘為256采樣率，輸出I2S模式，從模式下的所有采樣頻率。因此GCTL的值設(shè)置為0x87H。其他寄存器保持默認值即可。初始化程序如下：
    ／／I2C寫一個字節(jié)0x87到地址GCTL(0x01)
    I2c_WriteNByte(CS5368_Addr，1，GCTL，&gctl，1)；
    當CS5368發(fā)生溢出中斷時，會向LPC2138的外部中斷INT0發(fā)送中斷信號，同時LED燈D1被點亮。在中斷程序中，查詢OVFL寄存器狀態(tài)，設(shè)置相應(yīng)通道的輸出消聲(mute)。中斷服務(wù)程序如下：
    char ovfl，mute；
    I2c_ReadNByte(CS5368_Addr，1，OVFL，＆ovfl，1)；
    mute=～ovfl；
    I2c_WriteNByte(CS5368_Addr，1，MUTE，&mute，1)；
4．2 CS4382軟件部分
    系統(tǒng)上電之后需對CS4382進行初始化。MC1、MC2和FC共同控制CS4382的工作狀態(tài)，本設(shè)計中將其值分別設(shè)置為0x80H，0x10H，0x05H。芯片工作存控制端口模式下，輸入音頻格式為24位I2S信號，去加重濾波器響應(yīng)頻率為48 kHz。其他寄存器保持默認值。初始化程序如下：
    mc1=0x80；mc2=0x10；fc=0x05；
    I2c_WriteNByte(Cs4382_Addr，1，MC1，&mc1，1)；
    I2c_WriteNByte(CS4382_Addr，1，MC2，&mc2，1)；
    I2c_WritcNByte(CS4382_Addr，1，F(xiàn)C，＆fc，1)；
4．3 SRC4382軟件部分
4．3．1 SRC4382初始化
    系統(tǒng)上電之后需要對SRC4382進行初始化。SRC4382的寄存器分為4頁，第0頁為控制和狀態(tài)寄存器，第1頁為DIR通道狀態(tài)和用戶數(shù)據(jù)緩沖寄存器，第2頁為DIT通道狀態(tài)和用戶數(shù)據(jù)緩沖寄存器，第3頁保留。在操作每頁寄存器之前，必須通過設(shè)置每頁的頁選擇寄存器來確定要操作的頁。初始化程序中只需將寄存器07，09，0b，0d，0e，0f，16，17，2d分別設(shè)置為0x22，0x02，0x33，0x08，0x09，0x12，0xfe，0x01，0x42，其他保留默認值即可。各寄存器的具體值及其含義請參考技術(shù)手冊。初始化程序如下：

    
4．3．2 SRC4382讀通道狀態(tài)
    由第一部分介紹可知，通道狀態(tài)中含有豐富的信息。通過讀第1頁寄存器，便可以獲得接收的AES3數(shù)字音頻的特征信息。讀通道狀態(tài)之前，應(yīng)先在第0頁禁止DIR，然后切換到第1頁，讀完通道狀態(tài)后再切換回第0頁，使能DIR。讀通道狀態(tài)程序如下：

4．3．3 SRC4382寫通道狀態(tài)
    通過寫第2頁的相關(guān)寄存器，便可將需要發(fā)送的AES3數(shù)字音頻的特征信息寫入到每一幀的通道狀態(tài)位中。寫通道狀態(tài)之前，應(yīng)先在第0頁禁止DIT，然后切換到第2頁，寫完通道狀態(tài)后再切換到第0頁，使能DIT。讀通道狀態(tài)程序如下：

 

5 結(jié)束語
    該設(shè)計通過微控制器LPC2138控制專業(yè)音頻處理芯片，實現(xiàn)了AES3數(shù)字音頻接口的設(shè)計。本設(shè)計中發(fā)送的音頻信息源和接收處理后的音頻信息均可以為模擬信號和串行I2S信號的形式，可用性較強。由于該設(shè)計采用專業(yè)音頻處理芯片實現(xiàn)，因此音質(zhì)比較好，穩(wěn)定性比較高。只需簡單修改軟件部分對音頻處理芯片的寄存器配置，即可實現(xiàn)系統(tǒng)特性的改變，所以靈活性和可擴展性較好。該設(shè)計可以具體應(yīng)用于數(shù)字調(diào)音臺的混音器和音頻矩陣切換器中，也可以為CD機、MD機的設(shè)計提供參考，因此具有較強的工程使用價值。