數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1　引言

　　隨著電子技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字音頻已經(jīng)在廣播電視的錄制、播出、傳輸?shù)雀鱾€(gè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在很多場(chǎng)合，模擬音頻已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)整個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)最基本的要求。大型體育場(chǎng)擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極為關(guān)鍵的問題是如何解決微弱的音頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離優(yōu)質(zhì)傳輸。對(duì)于大型場(chǎng)館，需要傳送的距離通常達(dá)到幾百米遠(yuǎn)。采用傳統(tǒng)的模擬傳輸方式，難以解決信號(hào)損耗和電磁干擾及接地干擾等難題。數(shù)字音頻的各種性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬模式，因此廣播電視設(shè)備的數(shù)字化已經(jīng)成了必然的趨勢(shì)。采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸和處理的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)對(duì)干擾不敏感，整個(gè)系統(tǒng)的信噪比及失真與傳輸距離無(wú)關(guān)，對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸，其優(yōu)良的性能指標(biāo)是模擬傳輸所無(wú)法比擬的。

　　目前無(wú)論電臺(tái)還是電視臺(tái)的演播室都在朝著數(shù)字化方向發(fā)展，作為數(shù)字化電視制作的主要功能手段，數(shù)字音頻的基本理論、接口方式、音頻格式和系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣成為廣播電視節(jié)目制作領(lǐng)域的重大課題。然而，當(dāng)前絕大多數(shù)高性能的數(shù)字播出、傳輸設(shè)備都是進(jìn)口設(shè)備，且價(jià)格昂貴。本文研究設(shè)計(jì)的正是應(yīng)用于這一領(lǐng)域的一款高性能數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)。

　　2　數(shù)字音頻接口標(biāo)準(zhǔn)

　　目前常用的數(shù)字音頻接口標(biāo)準(zhǔn)主要有AES/EBU(AES3 - 1992)接口、S/PD IF接口、MAD I接口等。S/PD IF主要是作為民用數(shù)字音頻格式標(biāo)準(zhǔn)，MAD I接口是以雙通道AES/EBU 接口為基礎(chǔ)而制定的，在專業(yè)數(shù)字音頻領(lǐng)域中主要使用AES/EBU接口標(biāo)準(zhǔn)。

　　AES/EBU的全稱是Audio Engineering Society/Eu2ropean B roadcast Union (錄音師協(xié)會(huì)/歐洲廣播系統(tǒng)聯(lián)盟) ，現(xiàn)已成為專業(yè)數(shù)字音頻較為流行的標(biāo)準(zhǔn)，大量民用產(chǎn)品和專業(yè)音頻數(shù)字設(shè)備如CD機(jī)、DAT、MD機(jī)、數(shù)字調(diào)音臺(tái)、數(shù)字音頻工作站等都支持AES/EBU。

　　AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)是AES和EBU一起開發(fā)的一個(gè)數(shù)字音頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，它是傳輸和接收數(shù)字音頻信號(hào)的數(shù)字設(shè)備接口協(xié)議，規(guī)定音頻數(shù)據(jù)必須以2的補(bǔ)碼進(jìn)行編碼。傳輸介質(zhì)是電纜，允許高帶寬容量和由A /D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的并行數(shù)據(jù)字節(jié)的串行傳輸。在串行傳輸16～20 bit的并行字節(jié)時(shí)先傳輸最低有效位，必須加入字節(jié)時(shí)鐘標(biāo)志以表明每個(gè)樣值的開始，最后的數(shù)據(jù)流為雙相標(biāo)志碼編碼，另外時(shí)鐘信息也內(nèi)嵌進(jìn)了AES/EBU信號(hào)流中。

　　AES/EBU通過基于單根絞合線對(duì)來(lái)傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，使用串行位傳輸協(xié)議，無(wú)須均衡即可在長(zhǎng)達(dá)100 m的距離上傳輸數(shù)據(jù)。它提供兩個(gè)信道的音頻數(shù)據(jù)(最高24比特量化) ，信道是自動(dòng)計(jì)時(shí)和自同步的。

　　它也提供了傳輸控制的方法和狀態(tài)信息的表示( chan2nel status bit)和一些誤碼的檢測(cè)能力，它的時(shí)鐘信息是由傳輸端控制，來(lái)自AES/EBU的位流。

　　AES/EBU的普通物理連接媒質(zhì)有: ( 1)平衡或差分連接，使用XLR (卡儂)連接器的三芯話筒屏蔽電纜，參數(shù)為阻抗110Ω，電平范圍0. 2 ～5 Vpp，抖動(dòng)為±20 ns。(2)單端非平衡連接，使用RCA插頭的音頻同軸電纜。(3)光學(xué)連接，使用光纖連接器。

　　AES/EBU自1992年修訂以來(lái)，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在錄音制作、數(shù)字影院和廣播電視行業(yè)廣泛應(yīng)用，成為最常見的數(shù)字音頻格式，相關(guān)設(shè)備、接口、線纜、配件等應(yīng)有盡有，而且價(jià)格低廉。

　　3　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　3. 1　系統(tǒng)的總體方案

　　整個(gè)數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)分為發(fā)送端、接收端和傳輸介質(zhì)(電纜) 3個(gè)部分，如圖1所示。傳輸介質(zhì)主要有雙絞屏蔽線電纜、同軸電纜、光纖和無(wú)線傳輸(如PDH或SDH數(shù)字微波) ，根據(jù)具體場(chǎng)合及傳輸距離來(lái)選用。

　　圖1　數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)原理框圖。

　　發(fā)送端主要是完成對(duì)信號(hào)的接入、A /D 轉(zhuǎn)換、格式編碼、時(shí)鐘產(chǎn)生等工作。為了增加信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)防止A /D轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)混疊失真，在模擬輸入通道中應(yīng)設(shè)置信號(hào)調(diào)理電路和抗混疊濾波器。

　　接收端主要是完成對(duì)AES/EBU 格式數(shù)據(jù)的接收、解碼，恢復(fù)出主時(shí)鐘信號(hào)、同步信號(hào)，再對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行D /A轉(zhuǎn)換等工作。

　　3. 2　發(fā)送端電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)前節(jié)所述的系統(tǒng)方案，我們選用Cirrus Logic公司的CS5381和CS8406分別完成模擬信號(hào)的A /D轉(zhuǎn)換和AES/EBU格式編碼發(fā)送，電路原理如圖2 所示。

　　圖2　發(fā)送端原理圖。
　CS5381是CirrusLogic公司推出120 dB、192 kHz高性能24 bit立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。CS5381可工作在主、從兩種模式下。模式選擇可通過管腳2 (M /S)來(lái)進(jìn)行，本設(shè)計(jì)工作在主模式。CS5381采樣率可以通過MD IV、M0和M1這3個(gè)管腳邏輯電平控制，主時(shí)鐘選擇可以根據(jù)所選的采樣頻率和MD IV引腳作選擇。本設(shè)計(jì)中選擇的是48 kHz單倍速采樣率，采用12. 288MHz有源晶振做時(shí)鐘源。CS5381轉(zhuǎn)換結(jié)果是24位補(bǔ)碼形式串行數(shù)據(jù)，且左右通道交替輸出，可用LRCK高低電平來(lái)進(jìn)行區(qū)分。輸出數(shù)據(jù)有兩種格式即左對(duì)齊和I2S格式，本設(shè)計(jì)采用I2S格式。

　　數(shù)字音頻的格式編碼與發(fā)送由Cirrus Logic公司的數(shù)字音頻發(fā)射器CS8406完成。CS8406可支持192kHz采樣率，并滿足下一代音頻格式，可接收和編碼音頻和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，再經(jīng)過多路復(fù)用和編碼后，將其傳送至電纜/光纖接口處。

　　器件的工作模式選為硬件模式(H /S = 1) ，輸入數(shù)據(jù)格式為I2S ( SFMT1 = 0， SFMT0 = 1 ) ， 主時(shí)鐘頻率OMCK選為256 ×FS (HWCK1 = 1， HWCK0 = 1) 。IL2RCK、ISCLK、SD IN是來(lái)自CS5381的左右時(shí)鐘信號(hào)、串行時(shí)鐘信號(hào)和音頻數(shù)據(jù); TXN、TXP是串行數(shù)據(jù)輸出端，通過這兩個(gè)引腳發(fā)送出編碼好了的AES/EBU 格式數(shù)據(jù)。

　　3. 3　接收端電路設(shè)計(jì)

　　接收端電路我們選用與CS8406對(duì)應(yīng)的數(shù)字音頻接收電路CS8416完成AES/EBU 格式音頻數(shù)據(jù)的接收和解碼，采用CS4397完成數(shù)字音頻信號(hào)至模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，電路原理如圖3所示。

　　圖3　接收端原理圖。

　　CS8416是業(yè)界領(lǐng)先的192 kHz數(shù)字音頻接收器，具有200 p s的極低抖動(dòng)性能。CS8416接收和解碼數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的采樣頻率高達(dá)192 kHz，并采用一個(gè)極低的抖動(dòng)時(shí)鐘恢復(fù)裝置，從進(jìn)入的音頻流中產(chǎn)生一個(gè)清晰的恢復(fù)時(shí)鐘。一個(gè)8∶2輸入多路器允許多達(dá)8個(gè)數(shù)字音頻輸入源，多路器的第二輸出提供一個(gè)SPD IF直通特性，增添了系統(tǒng)靈活性。CS8416集成了壓縮音頻輸入流的自動(dòng)檢測(cè)和CD - Q子碼解碼功能，并允許信號(hào)可選擇通往3個(gè)通用輸出(GPO)引腳。

　　工作在軟件模式下，在CS8416中可以同時(shí)接入8路數(shù)字音頻信號(hào)，當(dāng)SDOUT對(duì)地接47 kΩ 電阻時(shí)，器件工作在硬件模式下，此時(shí)RXP4、RXP5、RXP6、RXP7將工作在第二功能下，用它們來(lái)設(shè)置所選定RXP0、RXP1、RXP2、RXP3做為接收引腳。在本設(shè)計(jì)中接收端只有一路合成的左右聲道數(shù)字音頻信號(hào)，所以我們選擇RXP0和RXN做為接收引腳(相應(yīng)的設(shè)置RXP4= 0 RXP5 = 0) ，其他不用的接收引腳懸空; AD0是信號(hào)接收確認(rèn)引腳，它連接一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)沒有接收到信號(hào)時(shí)，發(fā)光二極管亮，接收到信號(hào)時(shí)，發(fā)光二極管滅。OLRCK、OSCLK、SDOUT是在AES/EBU數(shù)據(jù)中提取出來(lái)的左右時(shí)鐘信號(hào)、串行時(shí)鐘信號(hào)和音頻數(shù)據(jù)。

　　AUD IO是非音頻數(shù)據(jù)流指示引腳，也是輸入數(shù)據(jù)格式選擇位SFSEL1; C (19腳)是通道狀態(tài)指示位，也是輸入數(shù)據(jù)格式選擇位SFSEL0。這兩個(gè)引腳通過47kΩ電阻接地或接高電平可以決定輸出數(shù)據(jù)的格式。圖3中接法選擇的是I2S 24 bit數(shù)據(jù)格式。U為用戶數(shù)據(jù)位，通過47 kΩ 電阻接地，選擇恢復(fù)主時(shí)鐘頻率MRCK為256 ×FS。

　　CS4397是Cirrus Logic公司推出一種完善的高品質(zhì)24位48 /96 /192千赫立體聲數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換芯片。
　圖中CS4397的LRCK、SCLK、SDATA分別是左右時(shí)鐘信號(hào)、串行時(shí)鐘信號(hào)和音頻數(shù)據(jù)引腳，直接與數(shù)字音頻接收電路CS8416相應(yīng)引腳相接，用于接收解碼后的數(shù)字音頻信號(hào)。C /H引腳接低電平是器件工作在硬件模式。M4～M0引腳用于設(shè)置采樣頻率及輸入數(shù)據(jù)格式，圖中接法選擇48 kHz單速度采樣頻率和I2S24bit數(shù)據(jù)格式輸入。A INL +、A INL - 、A INR +、A INR- 分別是D /A轉(zhuǎn)換后的左右聲道同相信號(hào)和反相信號(hào)的輸出端，連接到由NE5532組成的低通濾波電路，濾除20 kHz以上的高頻分量。

　　3. 4　傳輸介質(zhì)

　　如前所述，傳輸數(shù)字音頻信號(hào)主要有以下4種方式:雙絞屏蔽線電纜傳輸、同軸電纜傳輸、光纖傳輸以及無(wú)線傳輸。前3種方式是AES/EBU建議的標(biāo)準(zhǔn)傳輸方式，無(wú)線傳輸可以使用調(diào)頻或?qū)Ｓ玫臄?shù)字微波信道，如使用PDH數(shù)字微波E1接口。但由于E1接口和AES/EBU標(biāo)準(zhǔn)的傳送速率不一致，需要對(duì)AES/EBU數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行碼速調(diào)整，使之適合于E1接口。

　　目前數(shù)字音頻傳輸還有一種新的方式，利用音頻嵌入技術(shù)通過電視信道傳送，也就是將數(shù)字音頻信號(hào)插人到視頻信號(hào)的行、場(chǎng)同步脈沖(行、場(chǎng)消隱)期間與數(shù)字分量視頻信號(hào)同時(shí)傳輸。音頻嵌入技術(shù)可以使以往必須分開傳送的音頻和視頻信號(hào)合并到一個(gè)視頻通道中傳輸，從而大大簡(jiǎn)化演播室中音視頻互聯(lián)所需放大、切換處理設(shè)備，并可實(shí)現(xiàn)音頻和視頻的同步傳輸與播放，這也是數(shù)字音頻在數(shù)字電視領(lǐng)域的一種重要應(yīng)用。

　　4　系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

　　圖4是數(shù)字音頻發(fā)送器與接收器實(shí)物圖。發(fā)送端與接收端采用同軸電纜相連，使用惠普HP8903B音頻測(cè)試儀對(duì)整個(gè)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得主要技術(shù)指標(biāo)如下:

　　圖4　數(shù)字音頻發(fā)送器與接收器電路實(shí)物圖。

　　(1) 頻率響應(yīng): 20～20 kHz內(nèi)不平坦度< ±0. 1 dB。

　　(2) 信噪比:全頻域范圍內(nèi)>90 dB， 1 kHz時(shí)>94 dB。

　　(3) 失真度: < 0. 1%。

　　(4) 動(dòng)態(tài)范圍: > 90 dB。

　　目前，該數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在某廣播電臺(tái)使用，通過E1接口接入PDH數(shù)字微波，替代原有的模擬音頻系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，效果顯著。該數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)在市、縣一級(jí)廣播電視播出傳輸設(shè)備及相關(guān)的擴(kuò)聲系統(tǒng)數(shù)字化改造中必將得到進(jìn)一步廣泛的應(yīng)用。