數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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€應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在很多場合，模擬音頻已經(jīng)無法適應(yīng)整個擴聲系統(tǒng)最基本的要求。大型體育場擴聲系統(tǒng)設(shè)計中極為關(guān)鍵的問題是如何解決微弱的音頻信號的遠距離優(yōu)質(zhì)傳輸。對于大型場館，需要傳送的距離通常達到幾百米遠。采用傳統(tǒng)的模擬傳輸方式，難以解決信號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遠優(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。采用數(shù)字信號進行傳輸和處理的優(yōu)點是數(shù)字信號對干擾不敏感，整個系統(tǒng)的信噪比及失真與傳輸距離無關(guān)，對于長距離傳輸，其優(yōu)良的性能指標(biāo)是模擬傳輸所無法比擬的。

　　目前無論電臺還是電視臺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)備都是進口設(shè)備，且價格昂貴。本文研究設(shè)計的正是應(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/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、DAT、MD機、數(shù)字調(diào)音臺、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的補碼進行編碼。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)時先傳輸最低有效位，必須加入字節(jié)時鐘標(biāo)志以表明每個樣值的開始，最后的數(shù)據(jù)流為雙相標(biāo)志碼編碼，另外時鐘信息也內(nèi)嵌進了AES/EBU信號流中。

　　AES/EBU通過基于單根絞合線對來傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，使用串行位傳輸協(xié)議，無須均衡即可在長達100 m的距離上傳輸數(shù)據(jù)。它提供兩個信道的音頻數(shù)據(jù)(最高24比特量化) ，信道是自動計時和自同步的。

　　它也提供了傳輸控制的方法和狀態(tài)信息的表示( chan2nel status bit)和一些誤碼的檢測能力，它的時鐘信息是由傳輸端控制，來自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，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，而且價格低廉。

　　3　系統(tǒng)電路設(shè)計

　　3. 1　系統(tǒng)的總體方案

　　整個數(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、光纖和無線傳輸(如PDH或SDH數(shù)字微波) ，根據(jù)具體場合及傳輸距離來選用。

　　圖1　數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)原理框圖。

　　發(fā)送端主要是完成對信號的接入、A /D 轉(zhuǎn)換、格式編碼、時鐘產(chǎn)生等工作。為了增加信號的動態(tài)范圍，同時防止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)置信號調(diào)理電路和抗混疊濾波器。

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

　　3. 2　發(fā)送端電路設(shè)計

　　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)來進行，本設(shè)計工作在主模式。CS5381采樣率可以通過MD IV、M0和M1這3個管腳邏輯電平控制，主時鐘選擇可以根據(jù)所選的采樣頻率和MD IV引腳作選擇。本設(shè)計中選擇的是48 kHz單倍速采樣率，采用12. 288MHz有源晶振做時鐘源。CS5381轉(zhuǎn)換結(jié)果是24位補碼形式串行數(shù)據(jù)，且左右通道交替輸出，可用LRCK高低電平來進行區(qū)分。輸出數(shù)據(jù)有兩種格式即左對齊和I2S格式，本設(shè)計采用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 ) ， 主時鐘頻率OMCK選為256 ×FS (HWCK1 = 1， HWCK0 = 1) 。IL2RCK、ISCLK、SD IN是來自CS5381的左右時鐘信號、串行時鐘信號和音頻數(shù)據(jù); TXN、TXP是串行數(shù)據(jù)輸出端，通過這兩個引腳發(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

　　接收端電路我們選用與CS8406對應(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)字音頻信號至模擬信號的轉(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的極低抖動性能。CS8416接收和解碼數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的采樣頻率高達192 kHz，并采用一個極低的抖動時鐘恢復(fù)裝置，從進入的音頻流中產(chǎn)生一個清晰的恢復(fù)時鐘。一個8∶2輸入多路器允許多達8個數(shù)字音頻輸入源，多路器的第二輸出提供一個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檢測和CD - Q子碼解碼功能，并允許信號可選擇通往3個通用輸出(GPO)引腳。

　　工作在軟件模式下，在CS8416中可以同時接入8路數(shù)字音頻信號，當(dāng)SDOUT對地接47 kΩ 電阻時，器件工作在硬件模式下，此時RXP4、RXP5、RXP6、RXP7將工作在第二功能下，用它們來設(shè)置所選定RXP0、RXP1、RXP2、RXP3做為接收引腳。在本設(shè)計中接收端只有一路合成的左右聲道數(shù)字音頻信號，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是信號接收確認引腳，它連接一個發(fā)光二極管，當(dāng)沒有接收到信號時，發(fā)光二極管亮，接收到信號時，發(fā)光二極管滅。OLRCK、OSCLK、SDOUT是在AES/EBU數(shù)據(jù)中提取出來的左右時鐘信號、串行時鐘信號和音頻數(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分別是左右時鐘信號、串行時鐘信號和音頻數(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。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和反相信號的輸出端，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、光纖傳輸以及無線傳輸。前3種方式是AES/EBU建議的標(biāo)準(zhǔn)傳輸方式，無線傳輸可以使用調(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AES/EBU數(shù)字音頻信號進行碼速調(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)字音頻信號插人到視頻信號的行、場同步脈沖(行、場消隱)期間與數(shù)字分量視頻信號同時傳輸。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合并到一個視頻通道中傳輸，從而大大簡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)測試與結(jié)論

　　圖4是數(shù)字音頻發(fā)送器與接收器實物圖。發(fā)送端與接收端采用同軸電纜相連，使用惠普HP8903B音頻測試儀對整個傳輸系統(tǒng)進行測試，測得主要技術(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>94 dB。

　　(3) 失真度: < 0. 1%。

　　(4) 動態(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、縣一級廣播電視播出傳輸設(shè)備及相關(guān)的擴聲系統(tǒng)數(shù)字化改造中必將得到進一步廣泛的應(yīng)用。