高性能数字音频传输系统的设计与实现

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  1 引言

  随着电子技术和数字化技术的飞速发展,数字音频已经在广播电视的录制、播出、传输等各个应用领域得到了广泛的应用。在很多场合,模拟音频已经无法适应整个扩声系统最基本的要求。大型体育场扩声系统设计中极为关键的问题是如何解决微弱的音频信号的远距离优质传输。对于大型场馆,需要传送的距离通常达到几百米远。采用传统的模拟传输方式,难以解决信号损耗和电磁干扰及接地干扰等难题。数字音频的各种性能远远优于模拟模式,因此广播电视设备的数字化已经成了必然的趋势。采用数字信号进行传输和处理的优点是数字信号对干扰不敏感,整个系统的信噪比及失真与传输距离无关,对于长距离传输,其优良的性能指标是模拟传输所无法比拟的。

  目前无论电台还是电视台的演播室都在朝着数字化方向发展,作为数字化电视制作的主要功能手段,数字音频的基本理论、接口方式、音频格式和系统设计同样成为广播电视节目制作领域的重大课题。然而,当前绝大多数高性能的数字播出、传输设备都是进口设备,且价格昂贵。本文研究设计的正是应用于这一领域的一款高性能数字音频传输系统。

  2 数字音频接口标准

  目前常用的数字音频接口标准主要有AES/EBU(AES3 - 1992)接口、S/PD IF接口、MAD I接口等。S/PD IF主要是作为民用数字音频格式标准,MAD I接口是以双通道AES/EBU 接口为基础而制定的,在专业数字音频领域中主要使用AES/EBU接口标准。

  AES/EBU的全称是Audio Engineering Society/Eu2ropean B roadcast Union (录音师协会/欧洲广播系统联盟) ,现已成为专业数字音频较为流行的标准,大量民用产品和专业音频数字设备如CD机、DAT、MD机、数字调音台、数字音频工作站等都支持AES/EBU。

  AES/EBU标准是AES和EBU一起开发的一个数字音频传输标准,它是传输和接收数字音频信号的数字设备接口协议,规定音频数据必须以2的补码进行编码。传输介质是电缆,允许高带宽容量和由A /D转换器产生的并行数据字节的串行传输。在串行传输16~20 bit的并行字节时先传输最低有效位,必须加入字节时钟标志以表明每个样值的开始,最后的数据流为双相标志码编码,另外时钟信息也内嵌进了AES/EBU信号流中。

  AES/EBU通过基于单根绞合线对来传输数字音频数据,使用串行位传输协议,无须均衡即可在长达100 m的距离上传输数据。它提供两个信道的音频数据(最高24比特量化) ,信道是自动计时和自同步的。

  它也提供了传输控制的方法和状态信息的表示( chan2nel status bit)和一些误码的检测能力,它的时钟信息是由传输端控制,来自AES/EBU的位流。

  AES/EBU的普通物理连接媒质有: ( 1)平衡或差分连接,使用XLR (卡侬)连接器的三芯话筒屏蔽电缆,参数为阻抗110Ω,电平范围0. 2 ~5 Vpp,抖动为±20 ns。(2)单端非平衡连接,使用RCA插头的音频同轴电缆。(3)光学连接,使用光纤连接器。

  AES/EBU自1992年修订以来,该标准已经在录音制作、数字影院和广播电视行业广泛应用,成为最常见的数字音频格式,相关设备、接口、线缆、配件等应有尽有,而且价格低廉。

  3 系统电路设计

  3. 1 系统的总体方案

  整个数字音频传输系统分为发送端、接收端和传输介质(电缆) 3个部分,如图1所示。传输介质主要有双绞屏蔽线电缆、同轴电缆、光纤和无线传输(如PDH或SDH数字微波) ,根据具体场合及传输距离来选用。

  图1 数字音频传输系统原理框图。

  发送端主要是完成对信号的接入、A /D 转换、格式编码、时钟产生等工作。为了增加信号的动态范围,同时防止A /D转换中出现混叠失真,在模拟输入通道中应设置信号调理电路和抗混叠滤波器。

  接收端主要是完成对AES/EBU 格式数据的接收、解码,恢复出主时钟信号、同步信号,再对音频数据进行D /A转换等工作。

  3. 2 发送端电路设计

  根据前节所述的系统方案,我们选用Cirrus Logic公司的CS5381和CS8406分别完成模拟信号的A /D转换和AES/EBU格式编码发送,电路原理如图2 所示。

图2发送端原理图。

  CS5381是CirrusLogic公司推出120 dB、192 kHz高性能24 bit立体声模数转换芯片。CS5381可工作在主、从两种模式下。模式选择可通过管脚2 (M /S)来进行,本设计工作在主模式。CS5381采样率可以通过MD IV、M0和M1这3个管脚逻辑电平控制,主时钟选择可以根据所选的采样频率和MD IV引脚作选择。本设计中选择的是48 kHz单倍速采样率,采用12. 288MHz有源晶振做时钟源。CS5381转换结果是24位补码形式串行数据,且左右通道交替输出,可用LRCK高低电平来进行区分。输出数据有两种格式即左对齐和I2S格式,本设计采用I2S格式。

  数字音频的格式编码与发送由Cirrus Logic公司的数字音频发射器CS8406完成。CS8406可支持192kHz采样率,并满足下一代音频格式,可接收和编码音频和数字数据,再经过多路复用和编码后,将其传送至电缆/光纤接口处。

  器件的工作模式选为硬件模式(H /S = 1) ,输入数据格式为I2S ( SFMT1 = 0, SFMT0 = 1 ) , 主时钟频率OMCK选为256 ×FS (HWCK1 = 1, HWCK0 = 1) 。IL2RCK、ISCLK、SD IN是来自CS5381的左右时钟信号、串行时钟信号和音频数据; TXN、TXP是串行数据输出端,通过这两个引脚发送出编码好了的AES/EBU 格式数据。

  3. 3 接收端电路设计

  接收端电路我们选用与CS8406对应的数字音频接收电路CS8416完成AES/EBU 格式音频数据的接收和解码,采用CS4397完成数字音频信号至模拟信号的转换,电路原理如图3所示。

图3接收端原理图。

  CS8416是业界领先的192 kHz数字音频接收器,具有200 p s的极低抖动性能。CS8416接收和解码数字音频数据的采样频率高达192 kHz,并采用一个极低的抖动时钟恢复装置,从进入的音频流中产生一个清晰的恢复时钟。一个8∶2输入多路器允许多达8个数字音频输入源,多路器的第二输出提供一个SPD IF直通特性,增添了系统灵活性。CS8416集成了压缩音频输入流的自动检测和CD - Q子码解码功能,并允许信号可选择通往3个通用输出(GPO)引脚。

  工作在软件模式下,在CS8416中可以同时接入8路数字音频信号,当SDOUT对地接47 kΩ 电阻时,器件工作在硬件模式下,此时RXP4、RXP5、RXP6、RXP7将工作在第二功能下,用它们来设置所选定RXP0、RXP1、RXP2、RXP3做为接收引脚。在本设计中接收端只有一路合成的左右声道数字音频信号,所以我们选择RXP0和RXN做为接收引脚(相应的设置RXP4= 0 RXP5 = 0) ,其他不用的接收引脚悬空; AD0是信号接收确认引脚,它连接一个发光二极管,当没有接收到信号时,发光二极管亮,接收到信号时,发光二极管灭。OLRCK、OSCLK、SDOUT是在AES/EBU数据中提取出来的左右时钟信号、串行时钟信号和音频数据。

  AUD IO是非音频数据流指示引脚,也是输入数据格式选择位SFSEL1; C (19脚)是通道状态指示位,也是输入数据格式选择位SFSEL0。这两个引脚通过47kΩ电阻接地或接高电平可以决定输出数据的格式。图3中接法选择的是I2S 24 bit数据格式。U为用户数据位,通过47 kΩ 电阻接地,选择恢复主时钟频率MRCK为256 ×FS。

  CS4397是Cirrus Logic公司推出一种完善的高品质24位48 /96 /192千赫立体声数字至模拟转换芯片。

  图中CS4397的LRCK、SCLK、SDATA分别是左右时钟信号、串行时钟信号和音频数据引脚,直接与数字音频接收电路CS8416相应引脚相接,用于接收解码后的数字音频信号。C /H引脚接低电平是器件工作在硬件模式。M4~M0引脚用于设置采样频率及输入数据格式,图中接法选择48 kHz单速度采样频率和I2S24bit数据格式输入。A INL +、A INL - 、A INR +、A INR- 分别是D /A转换后的左右声道同相信号和反相信号的输出端,连接到由NE5532组成的低通滤波电路,滤除20 kHz以上的高频分量。

  3. 4 传输介质

  如前所述,传输数字音频信号主要有以下4种方式:双绞屏蔽线电缆传输、同轴电缆传输、光纤传输以及无线传输。前3种方式是AES/EBU建议的标准传输方式,无线传输可以使用调频或专用的数字微波信道,如使用PDH数字微波E1接口。但由于E1接口和AES/EBU标准的传送速率不一致,需要对AES/EBU数字音频信号进行码速调整,使之适合于E1接口。

  目前数字音频传输还有一种新的方式,利用音频嵌入技术通过电视信道传送,也就是将数字音频信号插人到视频信号的行、场同步脉冲(行、场消隐)期间与数字分量视频信号同时传输。音频嵌入技术可以使以往必须分开传送的音频和视频信号合并到一个视频通道中传输,从而大大简化演播室中音视频互联所需放大、切换处理设备,并可实现音频和视频的同步传输与播放,这也是数字音频在数字电视领域的一种重要应用。

  4 系统测试与结论

  图4是数字音频发送器与接收器实物图。发送端与接收端采用同轴电缆相连,使用惠普HP8903B音频测试仪对整个传输系统进行测试,测得主要技术指标如下:

  图4 数字音频发送器与接收器电路实物图。

  (1) 频率响应: 20~20 kHz内不平坦度< ±0. 1 dB。

  (2) 信噪比:全频域范围内>90 dB, 1 kHz时>94 dB。

  (3) 失真度: <0. 1%。

  (4) 动态范围: >90 dB。

  目前,该数字音频传输系统已经在某广播电台使用,通过E1接口接入PDH数字微波,替代原有的模拟音频系统,性能稳定,效果显着。该数字音频传输系统在市、县一级广播电视播出传输设备及相关的扩声系统数字化改造中必将得到进一步广泛的应用。