高性能數(shù)字音頻傳輸?shù)慕涌跇?biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)設(shè)計并對其測試

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。

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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。