一種袖珍式AES數(shù)字音頻監(jiān)聽儀的設(shè)計(jì)制作與應(yīng)用
摘要:本文詳細(xì)介紹了一種袖珍式AES數(shù)字音頻監(jiān)聽儀的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程,對(duì)該儀器在數(shù)字音頻領(lǐng)域中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。儀器采用緊湊的一體化設(shè)計(jì),具備數(shù)字接口、轉(zhuǎn)換電路、電池和揚(yáng)聲器。儀器操作簡(jiǎn)單、功耗低、體積小,極大方便了音頻技術(shù)人員的日常使用。在大型音頻工程或廣播電臺(tái)等專業(yè)音頻領(lǐng)域,通常使用AES/EBU格式進(jìn)行數(shù)字音頻數(shù)據(jù)傳輸,該儀器在涉及數(shù)字音頻領(lǐng)域的工程建設(shè)、系統(tǒng)維護(hù)等應(yīng)用場(chǎng)景中應(yīng)用廣泛。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202208/437399.htm關(guān)鍵詞:AES3;數(shù)模轉(zhuǎn)換;數(shù)字音頻
0 引言
廣播電臺(tái)機(jī)房的音頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) AES3 (AES/EBU,音頻工程協(xié)會(huì) / 歐洲廣播聯(lián)盟)[1] 格式,目前絕大多數(shù)正在廣播電臺(tái)的機(jī)房設(shè)備、大型音頻工程、高端民用音響,相互之間的音頻信號(hào)傳輸均采用這一標(biāo)準(zhǔn)。AES 也是一種單向傳輸,相對(duì)于早期的模擬信號(hào),音頻數(shù)字化以后進(jìn)行傳輸,能夠消除線路上的噪聲和干擾,實(shí)現(xiàn)基本無(wú)損失的信號(hào)傳遞。特別是 CD 機(jī)等設(shè)備自帶 AES3 數(shù)字信號(hào)輸出口,發(fā)射機(jī)端帶有 AES3 數(shù)字信號(hào)輸入口,能夠?qū)崿F(xiàn)從音源到發(fā)射機(jī)之間完全無(wú)損失的傳輸路徑。維護(hù)一個(gè)全數(shù)字化機(jī)房的設(shè)備和布線,相應(yīng)地需要數(shù)字化的檢修維護(hù)儀器。
1 全數(shù)字化機(jī)房的檢修問題
1.1 數(shù)字化機(jī)房運(yùn)維
早期的模擬音頻信號(hào)線路,通過(guò)插接一個(gè)耳機(jī)或功放進(jìn)行監(jiān)聽,用一個(gè)音頻電平表或萬(wàn)用表測(cè)量信號(hào)電平,但數(shù)字信號(hào)無(wú)法直接監(jiān)聽,也不能直接使用電平表進(jìn)行檢查。在發(fā)生故障時(shí),只能使用專業(yè)儀器進(jìn)行故障判定,目前的專業(yè)音頻測(cè)試儀器功能強(qiáng)大,但操作也很復(fù)雜,對(duì)值班人員的要求高,檢修速度也不能很快,體積大,不利于隨身攜帶。大多數(shù)情況下,數(shù)字傳輸體系可靠性較高,故障多數(shù)來(lái)源于雙絞線斷開、插頭開焊、接線錯(cuò)誤、光端機(jī)異常等。還有一類故障是調(diào)音臺(tái)等數(shù)字設(shè)備的參數(shù)設(shè)置有誤,造成音頻信號(hào)缺聲道等“軟故障”,多發(fā)生在變更設(shè)備或工程建設(shè)初期的調(diào)試階段?,F(xiàn)代化的數(shù)字音頻設(shè)備復(fù)雜度很高,如果發(fā)生故障,一般是廠家才能對(duì)設(shè)備本身進(jìn)行檢修,或整機(jī)更換。本文所述儀器,功能定位于判斷某臺(tái)設(shè)備或某段線路的故障。
1.2 AES3信號(hào)的關(guān)鍵指標(biāo)
使用示波器能夠觀察卡儂插座的 AES3 信號(hào)波形。如圖 1 是 AES3 信號(hào)實(shí)測(cè)的波形圖,其中最重要的特征有三個(gè)。
1)X 軸的電壓幅度,代表了實(shí)際電纜中傳輸?shù)男盘?hào)幅度,這個(gè)信號(hào)如果沒有或者太低,就不能被接收設(shè)備識(shí)別??偩职l(fā)布的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) [1] 規(guī)定了這個(gè)信號(hào)的峰峰值電壓,不低于 2 V,不高于 7 V。一般在 5 V 左右。(圖 1 中是單端測(cè)量的 2.5 V)
2)波形的頻率、上升下降沿時(shí)間和噪聲,波形應(yīng)該清晰明確,具有合適的上升下降時(shí)間。如果波形含糊不清,帶有明顯噪聲,將導(dǎo)致誤碼率高,接收設(shè)備工作異常。
3)數(shù)字編碼所代表的音頻內(nèi)容。解碼是否正確只有解碼這個(gè) AES3 信號(hào)以后才能知道。
1.3 現(xiàn)狀和需求
音頻工程建設(shè)或系統(tǒng)維護(hù)期間,數(shù)字音頻傳輸是否準(zhǔn)確,設(shè)備參數(shù)是否正常,通常使用一臺(tái)數(shù)模轉(zhuǎn)換器加一個(gè)耳機(jī)能夠 簡(jiǎn)單判斷,無(wú)需更專業(yè)的儀器設(shè)備。但專業(yè)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器體積較大,在機(jī)房的維護(hù)區(qū)搬運(yùn)移動(dòng)不方便,還需要額外電源,對(duì) 技術(shù)人員來(lái)說(shuō),負(fù)擔(dān)較重。
2 總體方案設(shè)計(jì)
袖珍式 AES 數(shù)字音頻監(jiān)聽儀,目的是解決上述一系列問題。該設(shè)備在一個(gè)緊湊的小體積殼體內(nèi)集成了數(shù)字接口、轉(zhuǎn)換電路、參數(shù)監(jiān)看、測(cè)試按鈕、電池、功放和喇叭等電路,能夠作為日常檢修時(shí)隨身攜帶的儀器,能夠直觀聽到 AES3 線路承載的音頻內(nèi)容,快速排查線路故障。設(shè)計(jì)時(shí)還預(yù)留了有關(guān) AES3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)母郊有畔y(cè)量接口,能夠進(jìn)一步擴(kuò)展功能。整體電路示意圖如圖 2 所示。
2.1 AES3接口電平轉(zhuǎn)換
AES3 接口采用差分傳輸,插頭座的形式是卡儂 3 芯,其中 1 腳是地,2、3 腳是信號(hào),不分極性。信號(hào)以不歸零調(diào)相編碼傳輸,但在每個(gè)數(shù)據(jù)塊的開頭,采用了特殊的編碼方式作為標(biāo)記[2]。AES3線路電平是2-7 V,實(shí)際工程中基本采用 5 V 電平。信號(hào)在輸入到解碼電路時(shí),要做電平轉(zhuǎn)換和平衡 - 不平衡適配。電路圖 2 中, X1 是卡儂母座,平衡的 AES 信號(hào)經(jīng)過(guò)隔直電容和變壓器耦合,然后經(jīng)過(guò)一個(gè)可調(diào)電阻進(jìn)入下一級(jí)電路。使用這種電平轉(zhuǎn)換電路,通過(guò)事先校準(zhǔn) R2 的阻值,能夠測(cè)試到電平過(guò)高或過(guò)低的情形。
2.2 解碼和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
解碼部分采用了專用集成電路 CS8416,這個(gè)集成電路把 AES3 信號(hào)轉(zhuǎn)換成 I2S 信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換部分采用了常用的CS4334集成電路,完成I2S到模擬音頻的轉(zhuǎn)換。兩個(gè)集成電路均采用典型電路,在圖 2 中作為一個(gè)組件 IC1。
2.3 聲道測(cè)試按鈕
針對(duì)立體聲廣播的測(cè)試需要 [3],設(shè)置了兩個(gè)按鈕 S1 和 S3,按下其中一個(gè),可以單獨(dú)測(cè)試某一個(gè)聲道。具體電路如電路圖 2 所示,實(shí)際上是兩個(gè)音頻信號(hào)對(duì)地短路的開關(guān),按下時(shí)能夠短路掉一個(gè)聲道,從而僅能聽到另一個(gè)聲道。立體聲缺聲道問題在系統(tǒng)調(diào)試和檢修中是一種較為隱蔽的故障。
2.4 功放和喇叭
功放 AMP1 采用了 D802 這個(gè)集成電路,是一個(gè)傳統(tǒng)的線性功放。相對(duì)于 D 類功放來(lái)說(shuō),元件數(shù)量少,沒有電磁干擾,喇叭中安靜無(wú)雜音。D802 是常用的功放集成電路,工作電壓為 3-5 V, 適用于單節(jié)鋰電池供電的設(shè)備,輸出功率超過(guò) 2 W,能夠提供足夠大的音量。
功放前面加入一個(gè)電位器 R6 用作音量調(diào)節(jié)。這個(gè)電位器通常旋轉(zhuǎn)到合適的某個(gè)位置就固定不動(dòng)了,作為對(duì)照測(cè)量時(shí)的參考 [4];為避免誤動(dòng)作,并沒有安裝旋鈕,而是暗裝在殼體內(nèi)部,通過(guò)殼體的小孔,用螺絲刀調(diào)節(jié)。
2.5 鋰電池和充電電路
電源部分采用了帶有充放電保護(hù)板的鋰電池如圖 2 中的 G1,容量 600 mAH。實(shí)測(cè)待機(jī)電流 20 mA,工作電流取決于音量大小,約 100-500 mA。也就是電池可以待機(jī) 30 小時(shí)或者工作 1-6 小時(shí)左右,能夠滿足要求。 X2S 是一個(gè) Micro USB 充電接口。二極管 D2 和 D3 組成“或門”電路,驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)內(nèi)部附帶的指示燈,在充電時(shí)和工作時(shí)都能亮起,作為指示。
2.6 備用的數(shù)據(jù)接口
AES 信號(hào)中,在數(shù)字音頻的數(shù)據(jù)以外,還同時(shí)傳輸附加的其他信息位,用來(lái)描述音頻信號(hào)格式和設(shè)備工作狀態(tài)。解碼這些信息需要采用單片機(jī),圖中 IC2 和 X3 是預(yù)留的數(shù)據(jù)接口。
3 樣機(jī)制作和測(cè)試
實(shí)驗(yàn)用的樣機(jī)采用了一個(gè)尺寸較小的成品塑料外殼,如圖 3 所示為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)物外觀的照片。外殼開孔,也作為喇叭的共鳴腔體,使聲音渾厚響亮。
圖3樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀
樣機(jī)制作比較粗糙,主要是功能驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè),完全達(dá)到了預(yù)期效果。
圖 4 是正在開發(fā)中的另一個(gè)測(cè)試儀電路板,采用了一塊 3.5 英寸(1 英寸 =2.54 cm)帶觸摸的彩色液晶屏顯示實(shí)測(cè)波形和數(shù)據(jù)信息,功能更加完善。附帶的網(wǎng)絡(luò)接口能夠適應(yīng)未來(lái) IP 化場(chǎng)景,相應(yīng)的,軟硬件也更復(fù)雜一些。
圖4 正在開發(fā)的新版本
由電路原理能看出,這種測(cè)試方法,不是完備的測(cè)試方法,仍存在一些缺陷有待解決。例如,信號(hào)存在超量的抖動(dòng)或時(shí)間同步出現(xiàn)問題時(shí) [5],仍然可能“測(cè)試正?!?,這是因?yàn)榻獯a芯片的默認(rèn)工作狀態(tài)對(duì)這些異常沒有嚴(yán)格限定,導(dǎo)致冗余量太大,對(duì)故障反應(yīng)不敏感。儀器在使用中不斷改進(jìn),運(yùn)維團(tuán)隊(duì)群策群力,在確保廉價(jià)、便攜易用、低耗電的原則下,正在逐漸完善此測(cè)試儀器。未來(lái)也將適應(yīng) IP 化需求,研制 IP 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的類似儀器,提高運(yùn)維水準(zhǔn)。
4 結(jié)語(yǔ)
袖珍式 AES 數(shù)字音頻監(jiān)聽儀具有 AES/EBU 信號(hào)的音頻監(jiān)聽、參數(shù)監(jiān)看功能,電池供電,體積小,便于攜帶,可以滿足在數(shù)字音頻工程施工和系統(tǒng)維護(hù)的需求,可廣泛應(yīng)用于音頻工程建設(shè)、廣播電視行業(yè)等數(shù)字音頻領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn):
[1] GY/T 158-2000 演播室數(shù)字音頻信號(hào)接口[S].北京:國(guó)家新聞出版廣電總局,2000.
[2] GY/T 156-2000 演播室數(shù)字音頻參數(shù)[S].北京:國(guó)家新聞出版廣電總局,2000.
[3] GY/T 275-2013電臺(tái)節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京:國(guó)家新聞出版廣電總局,201.
[4] GY/T 285-2004 數(shù)字音頻設(shè)備音頻特性測(cè)量方法[S].北京:國(guó)家新聞出版廣電總局,2004.
[5] GY/T 193-2003 數(shù)字音頻系統(tǒng)同步[S].北京:國(guó)家新聞出版廣電總局,2003.
(注:本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)
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