數(shù)字音頻系統(tǒng)中的字時(shí)鐘同步理論

1 字時(shí)鐘同步方式的基本理論

　　為了應(yīng)對(duì)高清時(shí)代所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，滿足環(huán)繞立體聲的制作條件，國(guó)內(nèi)各大電視臺(tái)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(shí)鐘同步方式的基本理論。

　　1.1 字時(shí)鐘同步方式

　　從模擬時(shí)代開始最常見的同步方式是時(shí)間碼(Time Code，即TC 碼) 同步方式，即在一個(gè)音頻系統(tǒng)中，確定一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間碼，所有的設(shè)備都以這個(gè)時(shí)間碼為基準(zhǔn)，從相同的時(shí)間點(diǎn)開始進(jìn)行重放或錄制。在整個(gè)過(guò)程中，所有設(shè)備上顯示的時(shí)間碼刻度是完全一致的。這種同步方式至今也運(yùn)用在數(shù)字音頻系統(tǒng)之中。

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

　　字時(shí)鐘信號(hào)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(gè)環(huán)節(jié)中，信號(hào)的發(fā)送端和接收端采用相同的采樣頻率進(jìn)行工作，并且發(fā)送和接收信號(hào)中的比特同時(shí)開始。在字時(shí)鐘信號(hào)的作用下，系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備即達(dá)到頻率上的同步，又達(dá)到相位上的同步，可以在穩(wěn)定的條件下持續(xù)進(jìn)行正常工作。

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

　　1.2 設(shè)置系統(tǒng)的字時(shí)鐘同步狀態(tài)

　　要實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻系統(tǒng)的字時(shí)鐘同步狀態(tài)，必須要在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)( 也是唯一的一個(gè)) 字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生源。實(shí)際上數(shù)字調(diào)音臺(tái)、數(shù)字音頻工作站等數(shù)字音頻設(shè)備內(nèi)部都可以自行產(chǎn)生字時(shí)鐘信號(hào)，但是每一個(gè)數(shù)字音頻系統(tǒng)中只能設(shè)置一個(gè)字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生源，這是因?yàn)槊總€(gè)設(shè)備中的字時(shí)鐘信號(hào)決定著這個(gè)設(shè)備中的采樣頻率，如果在一個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)了不同的字時(shí)鐘信號(hào)，也就表示這個(gè)系統(tǒng)中的采樣頻率并不統(tǒng)一，就達(dá)不到同步工作狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生噪聲等問題。因此在使用一個(gè)數(shù)字音頻系統(tǒng)時(shí)，第一步就應(yīng)該選擇其中一個(gè)設(shè)備，將其設(shè)置為這個(gè)系統(tǒng)中的字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生源，即同步主機(jī)。同步主機(jī)中產(chǎn)生的字時(shí)鐘信號(hào)被稱為這個(gè)音頻系統(tǒng)的主時(shí)鐘。

　　在實(shí)際工作中，通常選擇專用的字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器或數(shù)字音頻調(diào)音臺(tái)、數(shù)字音頻工作站作為系統(tǒng)中的同步主機(jī)(MaSTer)。將被選為主機(jī)的設(shè)備的同步方式設(shè)置為“內(nèi)部”，此時(shí)主機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的字時(shí)鐘信號(hào)會(huì)作為整個(gè)系統(tǒng)的主時(shí)鐘被傳輸?shù)叫枰M(jìn)行同步的各個(gè)從屬設(shè)備(Slave) 中去。系統(tǒng)中每個(gè)從屬設(shè)備的同步方式都要被設(shè)置為“外部”，并且要確保每個(gè)從屬設(shè)備都可以穩(wěn)定地接收來(lái)自主機(jī)的字時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到同步狀態(tài)之后，系統(tǒng)中所有的從機(jī)都將按照主機(jī)的主時(shí)鐘所決定的采樣頻率進(jìn)行工作。

　　1.3 字時(shí)鐘信號(hào)在系統(tǒng)中的傳輸方式

　　字時(shí)鐘信號(hào)可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行傳輸。

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

　　按照這種方式，數(shù)字音頻系統(tǒng)中的字時(shí)鐘信號(hào)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(jī)的字時(shí)鐘信號(hào)由主機(jī)的字時(shí)鐘信號(hào)專用輸出接口WC Out 輸出后，通過(guò)一個(gè)信號(hào)分配放大器被傳輸?shù)礁鱾€(gè)從機(jī)的字時(shí)鐘信號(hào)專用輸入接口WC In。此時(shí)系統(tǒng)中的各個(gè)從機(jī)獨(dú)立地接收來(lái)自主機(jī)的字時(shí)鐘信號(hào)，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(jī)的字時(shí)鐘信號(hào)由主機(jī)的字時(shí)鐘信號(hào)專用輸出接口WC Out 輸出后，直接輸入至從機(jī)A 的字時(shí)鐘信號(hào)專用輸入接口WCIn，再依此規(guī)律不斷向下級(jí)傳輸，直到字時(shí)鐘信號(hào)輸入系統(tǒng)中最后一個(gè)從機(jī)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(diǎn)，因?yàn)樵谶@種信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)中，各個(gè)從機(jī)之間是相互依賴的關(guān)系，一旦其中一個(gè)從機(jī)發(fā)生了故障，字時(shí)鐘信號(hào)將無(wú)法傳輸?shù)竭@臺(tái)從機(jī)下級(jí)的所有的從機(jī)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(shè)備無(wú)論是否使用都必須開機(jī)，并且設(shè)置為正常的字時(shí)鐘同步狀態(tài)，否則會(huì)導(dǎo)致下級(jí)設(shè)備得不到字時(shí)鐘信號(hào)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(hào)中讀取字時(shí)鐘信號(hào)

　　并不是所有格式的數(shù)字音頻信號(hào)都適合作為字時(shí)鐘信號(hào)的讀取源，在選擇字時(shí)鐘信號(hào)的讀取源時(shí)需要參考具體設(shè)備數(shù)字接口的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。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(hào)中都可以讀取出穩(wěn)定的時(shí)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(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)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(hào)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(dāng)一個(gè)設(shè)備按照AES/EBU的格式傳輸信號(hào)時(shí)，這個(gè)設(shè)備中的時(shí)鐘信息按照雙相位標(biāo)記方式被編碼后，內(nèi)嵌進(jìn)了AES/EBU 信號(hào)的數(shù)據(jù)流中。此時(shí)接收這個(gè)AES/EBU 信號(hào)的設(shè)備可以在信號(hào)中讀取到來(lái)自輸出信號(hào)的設(shè)備的字時(shí)鐘信號(hào)，從而與輸出信號(hào)的設(shè)備達(dá)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(guò)一根帶BNC 接頭的75 Ω 同軸電纜串行傳輸56 個(gè)通道的數(shù)字音頻信號(hào)。在字時(shí)鐘信號(hào)的傳輸方面，MADI 與AES/EBU 有所區(qū)別。輸出MADI 信號(hào)的設(shè)備的時(shí)鐘信息并沒有被包含在MADI信號(hào)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(hào)的設(shè)備能夠與輸出信號(hào)的設(shè)備進(jìn)行同步，MADI 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，MADI 信號(hào)在傳輸中每幀至少傳送一次來(lái)自輸出信號(hào)的設(shè)備的10 bit 的同步標(biāo)志，這樣接收信號(hào)的設(shè)備就可以從傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)中抽取出時(shí)基信息，將它轉(zhuǎn)化為可以使自己與輸出信號(hào)的設(shè)備進(jìn)行同步的字時(shí)鐘信號(hào)。

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

　　實(shí)際工作中的數(shù)字音頻系統(tǒng)往往較為復(fù)雜，可能會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)中一部分設(shè)備從連接字時(shí)鐘信號(hào)專用輸入接口的同軸電纜中直接接收字時(shí)鐘信號(hào)，而另一部分設(shè)備則從系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)字音頻信號(hào)中讀取字時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)的設(shè)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(wú)論何種情況，只要確保每個(gè)設(shè)備所使用的字時(shí)鐘信號(hào)都來(lái)源于系統(tǒng)的主時(shí)鐘，系統(tǒng)就能夠維持同步狀態(tài)。

　　2 字時(shí)鐘同步方式的應(yīng)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(gè)數(shù)字音頻設(shè)備設(shè)置為字時(shí)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(tái)SOUNDTRACS DS-00 以及Pyramix 數(shù)字音頻工作站，簡(jiǎn)要信號(hào)流程如圖3 所示。

　　圖3　音樂錄音棚中音頻系統(tǒng)的信號(hào)流程。
如圖3 所示， 箭頭方向代表音頻信號(hào)的傳輸方向，DS-00 調(diào)音臺(tái)的控制面板是整個(gè)信號(hào)流程的中心，負(fù)責(zé)接收和分配來(lái)自系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的信號(hào)。在調(diào)音臺(tái)的控制面板上有兩組MADI 格式的信號(hào)接口，分別為MADI A 與MADI B。系統(tǒng)中所有設(shè)備( 除了Pyramix 音頻工作站之外) 的輸入端與輸出端都通過(guò)音頻線(XLR 接頭) 連接到調(diào)音臺(tái)的I/O RACK 上的相應(yīng)信號(hào)格式( 模擬或AES/EBU) 接口中。I/O RACK 與調(diào)音臺(tái)的控制面板之間采用MADI 格式傳輸信號(hào)，通過(guò)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(hào)，通過(guò)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(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器作為系統(tǒng)同步主機(jī)

　　在這套數(shù)字音頻系統(tǒng)中安裝了高精度數(shù)字時(shí)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(jī)架空間，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地輸出采樣頻率在32~192 kHz 之間的字時(shí)鐘信號(hào)。

　　圖4　專用的字時(shí)鐘信號(hào)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(jī)，產(chǎn)生所需要的字時(shí)鐘信號(hào)后，通過(guò)同軸電纜將信號(hào)傳輸至信號(hào)分配放大器LUCID CLK×6。LUCIDCLK×6 的機(jī)身上共有6 個(gè)可以輸出字時(shí)鐘信號(hào)的接口，可以將字時(shí)鐘信號(hào)分配到DS-00 調(diào)音臺(tái)、Pyramix音頻工作站、TC SYSTEM-6000 效果器、DAT 機(jī)等數(shù)字設(shè)備。

　　在實(shí)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(gè)需要接收字時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)字音頻設(shè)備的菜單中進(jìn)行設(shè)置，將它們的同步方式都選擇為與外部字時(shí)鐘信號(hào)同步。這樣字時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)同軸電纜直接輸入到各個(gè)設(shè)備的字時(shí)鐘信號(hào)專用接口中后，各個(gè)設(shè)備將按照字時(shí)鐘信號(hào)的采樣頻率調(diào)整自己的采樣頻率，最終與LUCID SSG192達(dá)成同步，此時(shí)系統(tǒng)中的字時(shí)鐘信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)的星形結(jié)構(gòu)，見圖5。

　　圖5　采用專用的字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器作為系統(tǒng)同步主機(jī)。

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

　　在一般情況下，當(dāng)系統(tǒng)中有專用的字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器時(shí)，推薦使用專用的字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器作為系統(tǒng)的同步主機(jī)，因?yàn)閷Ｓ玫淖謺r(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的字時(shí)鐘信號(hào)更為穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)中沒有專用的字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器或字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器不能使用的時(shí)候，通常采用數(shù)字調(diào)音臺(tái)或數(shù)字音頻工作站作為系統(tǒng)的同步主機(jī)。下面介紹采用Pyramix 音頻工作站作為系統(tǒng)的同步主機(jī)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(shí)鐘同步(Master)，接下來(lái)要根據(jù)系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)格式為各個(gè)設(shè)備選擇字時(shí)鐘信號(hào)的讀取源。例如DS-00 調(diào)音臺(tái)與Pyramix 音頻工作站之間采用MADI 格式傳輸信號(hào)， 因此可以在DS-00 的同步設(shè)置菜單中選擇MADI 選項(xiàng)， 并且選擇一個(gè)自Pyramix 向DS-00 輸出信號(hào)的MADI 通道，將這個(gè)通道中傳輸?shù)男盘?hào)作為字時(shí)鐘信號(hào)的讀取源。此時(shí)DS-00 從由Pyramix 向DS-00 傳輸信號(hào)的同軸電纜中讀取根據(jù)MADI 格式發(fā)送的同步標(biāo)志，并且將它轉(zhuǎn)化為字時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)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(guò)音頻線連接到調(diào)音臺(tái)的I/O RACK 上， 并且與調(diào)音臺(tái)的I/ORACK 之間采用AES/EBU 的格式傳輸信號(hào)，因此需要在SYSTEM-6000 效果器的同步設(shè)置菜單中選擇AES/EBU 選項(xiàng)， 并且選擇一個(gè)自調(diào)音臺(tái)的I/O RACK 向SYSTEM-6000 輸入信號(hào)的AES/EBU 通道， 將這個(gè)通道中傳輸?shù)男盘?hào)作為字時(shí)鐘信號(hào)的讀取源。此時(shí)由于DS-00 調(diào)音臺(tái)與Pyramix 音頻工作站之間達(dá)到同步狀態(tài)，DS-00 調(diào)音臺(tái)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(lái)自DS-00 調(diào)音臺(tái)的音頻信號(hào)中的時(shí)鐘信息來(lái)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(shí)際上也達(dá)成了一致。這時(shí)系統(tǒng)中的字時(shí)鐘信號(hào)傳輸方向與音頻信號(hào)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(jī)。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　數(shù)字音頻系統(tǒng)中的字時(shí)鐘同步方式是一個(gè)較為復(fù)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(shè)備的使用越來(lái)越普遍、數(shù)字音頻系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的今天，筆者認(rèn)為有必要繼續(xù)對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行更加深入的研究。除了文中所介紹的實(shí)例之外，在日常工作中還有很多種將數(shù)字音頻系統(tǒng)設(shè)置為字時(shí)鐘同步狀態(tài)的方法。只要掌握了字時(shí)鐘信號(hào)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。