數字音頻傳輸系統(tǒng)的設計與實現

　　1　引言

　　隨著電子技術和數字化技術的飛速發(fā)展，數字音頻已經在廣播電視的錄制、播出、傳輸等各個應用領域得到了廣泛的應用。在很多場合，模擬音頻已經無法適應整個擴聲系統(tǒng)最基本的要求。大型體育場擴聲系統(tǒng)設計中極為關鍵的問題是如何解決微弱的音頻信號的遠距離優(yōu)質傳輸。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。數字音頻的各種性能遠遠優(yōu)于模擬模式，因此廣播電視設備的數字化已經成了必然的趨勢。采用數字信號進行傳輸和處理的優(yōu)點是數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，對于長距離傳輸，其優(yōu)良的性能指標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字化方向發(fā)展，作為數字化電視制作的主要功能手段，數字音頻的基本理論、接口方式、音頻格式和系統(tǒng)設計同樣成為廣播電視節(jié)目制作領域的重大課題。然而，當前絕大多數高性能的數字播出、傳輸設備都是進口設備，且價格昂貴。本文研究設計的正是應用于這一領域的一款高性能數字音頻傳輸系統(tǒng)。

　　2　數字音頻接口標準

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

　　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) ，現已成為專業(yè)數字音頻較為流行的標準，大量民用產品和專業(yè)音頻數字設備如CD機、DAT、MD機、數字調音臺、數字音頻工作站等都支持AES/EBU。

　　AES/EBU標準是AES和EBU一起開發(fā)的一個數字音頻傳輸標準，它是傳輸和接收數字音頻信號的數字設備接口協(xié)議，規(guī)定音頻數據必須以2的補碼進行編碼。傳輸介質是電纜，允許高帶寬容量和由A /D轉換器產生的并行數據字節(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)時鐘標志以表明每個樣值的開始，最后的數據流為雙相標志碼編碼，另外時鐘信息也內嵌進了AES/EBU信號流中。

　　AES/EBU通過基于單根絞合線對來傳輸數字音頻數據，使用串行位傳輸協(xié)議，無須均衡即可在長達100 m的距離上傳輸數據。它提供兩個信道的音頻數據(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)光學連接，使用光纖連接器。

　　AES/EBU自1992年修訂以來，該標準已經在錄音制作、數字影院和廣播電視行業(yè)廣泛應用，成為最常見的數字音頻格式，相關設備、接口、線纜、配件等應有盡有，而且價格低廉。

　　3　系統(tǒng)電路設計

　　3. 1　系統(tǒng)的總體方案

　　整個數字音頻傳輸系統(tǒng)分為發(fā)送端、接收端和傳輸介質(電纜) 3個部分，如圖1所示。傳輸介質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數字微波) ，根據具體場合及傳輸距離來選用。

　　圖1　數字音頻傳輸系統(tǒng)原理框圖。

　　發(fā)送端主要是完成對信號的接入、A /D 轉換、格式編碼、時鐘產生等工作。為了增加信號的動態(tài)范圍，同時防止A /D轉換中出現混疊失真，在模擬輸入通道中應設置信號調理電路和抗混疊濾波器。

　　接收端主要是完成對AES/EBU 格式數據的接收、解碼，恢復出主時鐘信號、同步信號，再對音頻數據進行D /A轉換等工作。

　　3. 2　發(fā)送端電路設計

　　根據前節(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立體聲模數轉換芯片。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所選的采樣頻率和MD IV引腳作選擇。本設計中選擇的是48 kHz單倍速采樣率，采用12. 288MHz有源晶振做時鐘源。CS5381轉換結果是24位補碼形式串行數據，且左右通道交替輸出，可用LRCK高低電平來進行區(qū)分。輸出數據有兩種格式即左對齊和I2S格式，本設計采用I2S格式。

　　數字音頻的格式編碼與發(fā)送由Cirrus Logic公司的數字音頻發(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字數據，再經過多路復用和編碼后，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) ，輸入數據格式為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據; TXN、TXP是串行數據輸出端，通過這兩個引腳發(fā)送出編碼好了的AES/EBU 格式數據。

　　3. 3　接收端電路設計

　　接收端電路我們選用與CS8406對應的數字音頻接收電路CS8416完成AES/EBU 格式音頻數據的接收和解碼，采用CS4397完成數字音頻信號至模擬信號的轉換，電路原理如圖3所示。

　　圖3　接收端原理圖。

　　CS8416是業(yè)界領先的192 kHz數字音頻接收器，具有200 p s的極低抖動性能。CS8416接收和解碼數字音頻數據的采樣頻率高達192 kHz，并采用一個極低的抖動時鐘恢復裝置，從進入的音頻流中產生一個清晰的恢復時鐘。一個8∶2輸入多路器允許多達8個數字音頻輸入源，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路數字音頻信號，當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，用它們來設置所選定RXP0、RXP1、RXP2、RXP3做為接收引腳。在本設計中接收端只有一路合成的左右聲道數字音頻信號，所以我們選擇RXP0和RXN做為接收引腳(相應的設置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數據中提取出來的左右時鐘信號、串行時鐘信號和音頻數據。

　　AUD IO是非音頻數據流指示引腳，也是輸入數據格式選擇位SFSEL1; C (19腳)是通道狀態(tài)指示位，也是輸入數據格式選擇位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據的格式。圖3中接法選擇的是I2S 24 bit數據格式。U為用戶數據位，通過47 kΩ 電阻接地，選擇恢復主時鐘頻率MRCK為256 ×FS。

　　CS4397是Cirrus Logic公司推出一種完善的高品質24位48 /96 /192千赫立體聲數字至模擬轉換芯片。

　　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據引腳，直接與數字音頻接收電路CS8416相應引腳相接，用于接收解碼后的數字音頻信號。C /H引腳接低電平是器件工作在硬件模式。M4～M0引腳用于設置采樣頻率及輸入數據格式，圖中接法選擇48 kHz單速度采樣頻率和I2S24bit數據格式輸入。A INL +、A INL - 、A INR +、A INR- 分別是D /A轉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

　　如前所述，傳輸數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建議的標準傳輸方式，無線傳輸可以使用調頻或專用的數字微波信道，如使用PDH數字微波E1接口。但由于E1接口和AES/EBU標準的傳送速率不一致，需要對AES/EBU數字音頻信號進行碼速調整，使之適合于E1接口。

　　目前數字音頻傳輸還有一種新的方式，利用音頻嵌入技術通過電視信道傳送，也就是將數字音頻信號插人到視頻信號的行、場同步脈沖(行、場消隱)期間與數字分量視頻信號同時傳輸。音頻嵌入技術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、切換處理設備，并可實現音頻和視頻的同步傳輸與播放，這也是數字音頻在數字電視領域的一種重要應用。

　　4　系統(tǒng)測試與結論

　　圖4是數字音頻發(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，測得主要技術指標如下:

　　圖4　數字音頻發(fā)送器與接收器電路實物圖。

　　(1) 頻率響應: 20～20 kHz內不平坦度< ±0. 1 dB。

　　(2) 信噪比:全頻域范圍內>90 dB， 1 kHz時>94 dB。

　　(3) 失真度: < 0. 1%。

　　(4) 動態(tài)范圍: > 90 dB。

　　目前，該數字音頻傳輸系統(tǒng)已經在某廣播電臺使用，通過E1接口接入PDH數字微波，替代原有的模擬音頻系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，效果顯著。該數字音頻傳輸系統(tǒng)在市、縣一級廣播電視播出傳輸設備及相關的擴聲系統(tǒng)數字化改造中必將得到進一步廣泛的應用。