數(shù)字音頻系統(tǒng)中的字時鐘同步方式

　　1 字時鐘同步方式的基本理論

　　為了應對高清時代所帶來的挑戰(zhàn)，滿足環(huán)繞立體聲的制作條件，國內(nèi)各大電視臺都在陸續(xù)投入使用的高清電視演播室及轉(zhuǎn)播車中采用了全數(shù)字化的音頻系統(tǒng)。因此，有必要明確一些關(guān)于字時鐘同步方式的基本理論。

　　1.1 字時鐘同步方式

　　從模擬時代開始最常見的同步方式是時間碼(Time Code，即TC 碼) 同步方式，即在一個音頻系統(tǒng)中，確定一個統(tǒng)一的時間碼，所有的設備都以這個時間碼為基準，從相同的時間點開始進行重放或錄制。在整個過程中，所有設備上顯示的時間碼刻度是完全一致的。這種同步方式至今也運用在數(shù)字音頻系統(tǒng)之中。

　　字時鐘同步方式只能用于數(shù)字音頻系統(tǒng)。字時鐘(Word Clock) 被看作是一種脈沖信號，用于將不同采樣頻率的數(shù)字音頻信號協(xié)調(diào)后在同一系統(tǒng)中進行交流。

　　字時鐘信號具有精確而穩(wěn)定的采樣頻率，可以確保在數(shù)字音頻系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中，信號的發(fā)送端和接收端采用相同的采樣頻率進行工作，并且發(fā)送和接收信號中的比特同時開始。在字時鐘信號的作用下，系統(tǒng)中的各個設備即達到頻率上的同步，又達到相位上的同步，可以在穩(wěn)定的條件下持續(xù)進行正常工作。

　　字時鐘同步方式為穩(wěn)定系統(tǒng)中數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量起到了極大的作用。但當系統(tǒng)的字時鐘同步狀態(tài)出現(xiàn)問題，而導致信號質(zhì)量嚴重降低( 例如字時鐘信號的傳輸發(fā)生錯誤而導致系統(tǒng)中突然產(chǎn)生極大的噪聲)時，有時常常會被忽視而從字時鐘的方向去解決問題。這是由于這種同步方式在實際操作中所產(chǎn)生的效果并沒有時間碼同步方式那么直觀。

　　1.2 設置系統(tǒng)的字時鐘同步狀態(tài)

　　要實現(xiàn)數(shù)字音頻系統(tǒng)的字時鐘同步狀態(tài)，必須要在系統(tǒng)中設置一個( 也是唯一的一個) 字時鐘信號發(fā)生源。實際上數(shù)字調(diào)音臺、數(shù)字音頻工作站等數(shù)字音頻設備內(nèi)部都可以自行產(chǎn)生字時鐘信號，但是每一個數(shù)字音頻系統(tǒng)中只能設置一個字時鐘信號發(fā)生源，這是因為每個設備中的字時鐘信號決定著這個設備中的采樣頻率，如果在一個系統(tǒng)中出現(xiàn)了不同的字時鐘信號，也就表示這個系統(tǒng)中的采樣頻率并不統(tǒng)一，就達不到同步工作狀態(tài)，會產(chǎn)生噪聲等問題。因此在使用一個數(shù)字音頻系統(tǒng)時，第一步就應該選擇其中一個設備，將其設置為這個系統(tǒng)中的字時鐘信號發(fā)生源，即同步主機。同步主機中產(chǎn)生的字時鐘信號被稱為這個音頻系統(tǒng)的主時鐘。

　　在實際工作中，通常選擇專用的字時鐘信號發(fā)生器或數(shù)字音頻調(diào)音臺、數(shù)字音頻工作站作為系統(tǒng)中的同步主機(MaSTer)。將被選為主機的設備的同步方式設置為“內(nèi)部”，此時主機內(nèi)部產(chǎn)生的字時鐘信號會作為整個系統(tǒng)的主時鐘被傳輸?shù)叫枰M行同步的各個從屬設備(Slave) 中去。系統(tǒng)中每個從屬設備的同步方式都要被設置為“外部”，并且要確保每個從屬設備都可以穩(wěn)定地接收來自主機的字時鐘信號。當整個系統(tǒng)達到同步狀態(tài)之后，系統(tǒng)中所有的從機都將按照主機的主時鐘所決定的采樣頻率進行工作。

　　1.3 字時鐘信號在系統(tǒng)中的傳輸方式

　　字時鐘信號可以通過兩種方式進行傳輸。

　　(1) 使用BNC 接頭的同軸電纜直接將同步主機中的字時鐘信號傳輸?shù)綇臋C

　　按照這種方式，數(shù)字音頻系統(tǒng)中的字時鐘信號傳輸結(jié)構(gòu)可以采用星形結(jié)構(gòu)或菊花鏈結(jié)構(gòu)。

　　在圖1 所示的星形結(jié)構(gòu)中，主機的字時鐘信號由主機的字時鐘信號專用輸出接口WC Out 輸出后，通過一個信號分配放大器被傳輸?shù)礁鱾€從機的字時鐘信號專用輸入接口WC In。此時系統(tǒng)中的各個從機獨立地接收來自主機的字時鐘信號，互不干涉。

　　圖1　星形結(jié)構(gòu)。

　　在圖2 所示的菊花鏈結(jié)構(gòu)中，主機的字時鐘信號由主機的字時鐘信號專用輸出接口WC Out 輸出后，直接輸入至從機A 的字時鐘信號專用輸入接口WCIn，再依此規(guī)律不斷向下級傳輸，直到字時鐘信號輸入系統(tǒng)中最后一個從機的WC In 中。

　　菊花鏈結(jié)構(gòu)與星形結(jié)構(gòu)相比具有一定的缺點，因為在這種信號傳輸結(jié)構(gòu)中，各個從機之間是相互依賴的關(guān)系，一旦其中一個從機發(fā)生了故障，字時鐘信號將無法傳輸?shù)竭@臺從機下級的所有的從機中。而且在正常工作中，系統(tǒng)中所有采用菊花鏈結(jié)構(gòu)連接的設備無論是否使用都必須開機，并且設置為正常的字時鐘同步狀態(tài)，否則會導致下級設備得不到字時鐘信號的輸入。

　　圖2　菊花鏈結(jié)構(gòu)。

　　(2) 從系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)字音頻信號中讀取字時鐘信號

　　并不是所有格式的數(shù)字音頻信號都適合作為字時鐘信號的讀取源，在選擇字時鐘信號的讀取源時需要參考具體設備數(shù)字接口的互聯(lián)標準。在目前的數(shù)字音頻系統(tǒng)中, 從常見的AES/EBU、MADI 等格式的信號中都可以讀取出穩(wěn)定的時鐘信息。

　　AES/EBU 格式也被稱為AES3，它建立了一種利用單根雙絞線傳送被周期采樣和均勻量化的雙通道音頻信號的標準，無需均衡，即可將數(shù)據(jù)傳送到距離100 m 以上的地方。AES/EBU 格式的音頻信號在大多數(shù)情況下使用平衡傳輸方式，即在輸入/ 輸出端使用XLR 接頭，但也可以使用非平衡傳輸方式，即在輸入/ 輸出端使用BNC 接頭。當一個設備按照AES/EBU的格式傳輸信號時，這個設備中的時鐘信息按照雙相位標記方式被編碼后，內(nèi)嵌進了AES/EBU 信號的數(shù)據(jù)流中。此時接收這個AES/EBU 信號的設備可以在信號中讀取到來自輸出信號的設備的字時鐘信號，從而與輸出信號的設備達到同步。

　　多通道數(shù)字音頻接口格式(Multichannel AudioDigital Interface)， 即MADI， 也稱為AES10， 可以在50 m 的距離內(nèi)通過一根帶BNC 接頭的75 Ω 同軸電纜串行傳輸56 個通道的數(shù)字音頻信號。在字時鐘信號的傳輸方面，MADI 與AES/EBU 有所區(qū)別。輸出MADI 信號的設備的時鐘信息并沒有被包含在MADI信號中與其他的音頻信息一起傳輸，這被稱為異步工作方式。為了使接收MADI 信號的設備能夠與輸出信號的設備進行同步，MADI 標準中規(guī)定，MADI 信號在傳輸中每幀至少傳送一次來自輸出信號的設備的10 bit 的同步標志，這樣接收信號的設備就可以從傳輸來的數(shù)據(jù)中抽取出時基信息，將它轉(zhuǎn)化為可以使自己與輸出信號的設備進行同步的字時鐘信號。

　　按照這種方式，系統(tǒng)中字時鐘信號的傳輸結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)中數(shù)字音頻信號的傳輸結(jié)構(gòu)相同。

　　實際工作中的數(shù)字音頻系統(tǒng)往往較為復雜，可能會出現(xiàn)系統(tǒng)中一部分設備從連接字時鐘信號專用輸入接口的同軸電纜中直接接收字時鐘信號，而另一部分設備則從系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)字音頻信號中讀取字時鐘信號的情況。也可能出現(xiàn)同樣是采用BNC 接頭的同軸電纜直接傳輸字時鐘信號的設備，一部分采用星形結(jié)構(gòu)連接，一部分采用菊花鏈結(jié)構(gòu)連接的情況。無論何種情況，只要確保每個設備所使用的字時鐘信號都來源于系統(tǒng)的主時鐘，系統(tǒng)就能夠維持同步狀態(tài)。

　　2 字時鐘同步方式的應用

　　下面介紹在具體的數(shù)字音頻系統(tǒng)中，如何將互連的各個數(shù)字音頻設備設置為字時鐘同步狀態(tài)。

　　該系統(tǒng)是一套可以用于制作音樂錄音， 也可以用于影視節(jié)目后期制作的支持5.1 聲道環(huán)繞立體聲制作的大型數(shù)字音頻系統(tǒng)，其核心是大型數(shù)字調(diào)音臺SOUNDTRACS DS-00 以及Pyramix 數(shù)字音頻工作站，簡要信號流程如圖3 所示。

　　圖3　音樂錄音棚中音頻系統(tǒng)的信號流程。

　　如圖3 所示， 箭頭方向代表音頻信號的傳輸方向，DS-00 調(diào)音臺的控制面板是整個信號流程的中心，負責接收和分配來自系統(tǒng)中各個設備的信號。在調(diào)音臺的控制面板上有兩組MADI 格式的信號接口，分別為MADI A 與MADI B。系統(tǒng)中所有設備( 除了Pyramix 音頻工作站之外) 的輸入端與輸出端都通過音頻線(XLR 接頭) 連接到調(diào)音臺的I/O RACK 上的相應信號格式( 模擬或AES/EBU) 接口中。I/O RACK 與調(diào)音臺的控制面板之間采用MADI 格式傳輸信號，通過BNC 接頭的兩根同軸電纜連接到控制面板背后的MADI LINKS A IN/OUT 接口中。Pyramix 音頻工作站與控制面板之間同樣使用MADI 格式傳輸信號，通過兩根BNC 接頭的同軸電纜連接到控制面板背后的MADILINKS B IN/OUT 接口中。

　　2.1 采用專用的字時鐘信號發(fā)生器作為系統(tǒng)同步主機

　　在這套數(shù)字音頻系統(tǒng)中安裝了高精度數(shù)字時鐘發(fā)生器LUCID SSG192， 見圖4。它適用于大多數(shù)數(shù)字音頻系統(tǒng)，具有操作直觀便捷的控制面板，只占用單機架空間，可以長時間穩(wěn)定地輸出采樣頻率在32~192 kHz 之間的字時鐘信號。

　　圖4　專用的字時鐘信號發(fā)生器LUCID SSG192。

　　LUCID SSG192 作為這套數(shù)字音頻系統(tǒng)的同步主機，產(chǎn)生所需要的字時鐘信號后，通過同軸電纜將信號傳輸至信號分配放大器LUCID CLK×6。LUCIDCLK×6 的機身上共有6 個可以輸出字時鐘信號的接口，可以將字時鐘信號分配到DS-00 調(diào)音臺、Pyramix音頻工作站、TC SYSTEM-6000 效果器、DAT 機等數(shù)字設備。

　　在實際操作中，需要在LUCID SSG192 的控制面板上選擇所需要的采樣頻率，然后在各個需要接收字時鐘信號的數(shù)字音頻設備的菜單中進行設置，將它們的同步方式都選擇為與外部字時鐘信號同步。這樣字時鐘信號通過同軸電纜直接輸入到各個設備的字時鐘信號專用接口中后，各個設備將按照字時鐘信號的采樣頻率調(diào)整自己的采樣頻率，最終與LUCID SSG192達成同步，此時系統(tǒng)中的字時鐘信號傳輸結(jié)構(gòu)是標準的星形結(jié)構(gòu)，見圖5。

　　圖5　采用專用的字時鐘信號發(fā)生器作為系統(tǒng)同步主機。

　　2.2 采用Pyramix數(shù)字音頻工作站作為系統(tǒng)同步主機

　　在一般情況下，當系統(tǒng)中有專用的字時鐘信號發(fā)生器時，推薦使用專用的字時鐘信號發(fā)生器作為系統(tǒng)的同步主機，因為專用的字時鐘信號發(fā)生器所產(chǎn)生的字時鐘信號更為穩(wěn)定。當系統(tǒng)中沒有專用的字時鐘信號發(fā)生器或字時鐘信號發(fā)生器不能使用的時候，通常采用數(shù)字調(diào)音臺或數(shù)字音頻工作站作為系統(tǒng)的同步主機。下面介紹采用Pyramix 音頻工作站作為系統(tǒng)的同步主機的方法。

　　首先需要在Pyramix 音頻工作站的菜單中將它的同步方式選擇為與內(nèi)部時鐘同步(Master)，接下來要根據(jù)系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘柛袷綖楦鱾€設備選擇字時鐘信號的讀取源。例如DS-00 調(diào)音臺與Pyramix 音頻工作站之間采用MADI 格式傳輸信號， 因此可以在DS-00 的同步設置菜單中選擇MADI 選項， 并且選擇一個自Pyramix 向DS-00 輸出信號的MADI 通道，將這個通道中傳輸?shù)男盘栕鳛樽謺r鐘信號的讀取源。此時DS-00 從由Pyramix 向DS-00 傳輸信號的同軸電纜中讀取根據(jù)MADI 格式發(fā)送的同步標志，并且將它轉(zhuǎn)化為字時鐘信號用來調(diào)整自己的采樣頻率。TC SYSTEM-6000 效果器與Pyramix 音頻工作站并沒有直接連接， 它的輸入/ 輸出接口通過音頻線連接到調(diào)音臺的I/O RACK 上， 并且與調(diào)音臺的I/ORACK 之間采用AES/EBU 的格式傳輸信號，因此需要在SYSTEM-6000 效果器的同步設置菜單中選擇AES/EBU 選項， 并且選擇一個自調(diào)音臺的I/O RACK 向SYSTEM-6000 輸入信號的AES/EBU 通道， 將這個通道中傳輸?shù)男盘栕鳛樽謺r鐘信號的讀取源。此時由于DS-00 調(diào)音臺與Pyramix 音頻工作站之間達到同步狀態(tài)，DS-00 調(diào)音臺與Pyramix 音頻工作站在工作中使用的采樣頻率相同，在這種情況下SYSTEM-6000 使用來自DS-00 調(diào)音臺的音頻信號中的時鐘信息來調(diào)整自身的采樣頻率，使SYSTEM-6000 和Pyramix 音頻工作站的采樣頻率實際上也達成了一致。這時系統(tǒng)中的字時鐘信號傳輸方向與音頻信號的傳輸方向一致，見圖6。

　　圖6　以Pyramix數(shù)字音頻工作站作為系統(tǒng)同步主機。

　　3 結(jié)語

　　數(shù)字音頻系統(tǒng)中的字時鐘同步方式是一個較為復雜的問題。在廣播電視技術(shù)的發(fā)展日新月異、數(shù)字音頻設備的使用越來越普遍、數(shù)字音頻系統(tǒng)越來越復雜的今天，筆者認為有必要繼續(xù)對這個問題進行更加深入的研究。除了文中所介紹的實例之外，在日常工作中還有很多種將數(shù)字音頻系統(tǒng)設置為字時鐘同步狀態(tài)的方法。只要掌握了字時鐘信號同步方式的基本原理，在任何情況下都能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字音頻系統(tǒng)的同步。