基于LPC2138的AES3數(shù)字音頻接口設(shè)計

當今數(shù)字技術(shù)的發(fā)展越來越快，人們對廣播電視節(jié)目的質(zhì)量需求也越來越高。AES／EBU(Audio Engineering Society／European Broad cast Union)現(xiàn)已成為專業(yè)數(shù)字音頻較為流行的標準。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AES3接口。AES3通過單根絞合線對來串行傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮了數(shù)字信號易處理、音質(zhì)優(yōu)良和抗干擾能力強的優(yōu)勢。它提供兩個信道的音頻數(shù)據(jù)，信道自動計時和自同步，同時提供了傳輸控制的方法和狀態(tài)信息的表示和一些誤碼的檢測能力。
鑒于入們對高質(zhì)量音樂的追求以及AES3接口的縱多優(yōu)點，設(shè)計出一個能夠接收和發(fā)送AES3音頻信號的簡單系統(tǒng)是很有價值的。本設(shè)計由LPC2138控制音響設(shè)備專用芯片實現(xiàn)AES3接口，只需簡單地修改芯片配置，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的特性調(diào)整及性能擴展，簡單穩(wěn)定，具有較強地實用價值。

1 AES3數(shù)字音頻接口簡介
AES3接口在單根傳輸線上串行傳輸兩路數(shù)字音頻信號。每個音頻塊(Audio block)包含192幀，每幀包括2個子幀，即左有兩個通道，每個通道包含32個時隙(slot)。0～3時隙為X、Y、Z 3種幀頭，其中X和Y表示一個子幀的開始，Z表示一個塊(block)的開始。4～7時隙為輔助數(shù)據(jù)，8～27時隙為音頻數(shù)據(jù)位，音頻數(shù)據(jù)位可以多達24位。如果音頻數(shù)據(jù)超過20位，則4～7位將被用作音頻數(shù)據(jù)位。最后的4個時隙分別為有效位、用戶數(shù)據(jù)位、通道狀態(tài)位和奇偶校驗位。每192幀信號的通道狀態(tài)位組成通道狀態(tài)數(shù)據(jù)，通道狀態(tài)中含有豐富的音頻特征信息，通過獲取通道狀態(tài)數(shù)據(jù)便可以得知音頻信號是否是專業(yè)型，是否預(yù)加重，以及采樣頻率等信息。每一位的具體含義請參考文獻，本設(shè)計不做詳細介紹。AES3接口傳輸?shù)臄?shù)字音頻信號格式如圖1所示。

2 總體設(shè)計
本設(shè)計的信號源為模擬音頻信號、J2S串行音頻信號和傳輸線上接收到的AES3數(shù)字音頻信號。
模擬音頻信號經(jīng)調(diào)節(jié)后，送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過48 k的采樣頻率采樣(本設(shè)計統(tǒng)一使用48 k的采樣率)，轉(zhuǎn)換成I2S數(shù)字音頻信號。I2S信號(包括模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的I2S和I2S信號源的信號)送入SRC4382，SRC4382將I2S信號的采樣頻率轉(zhuǎn)換為48 k，并進行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到的AES3信號可以通過單根絞合線進行傳輸。相反過程，接收到的AES3數(shù)字音頻信號經(jīng)過采樣頻率轉(zhuǎn)換和格式轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換為采樣率為48k的I2S信號。I2S信號可以直接作為輸出，也可以經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器后，再經(jīng)過濾波放大處理，轉(zhuǎn)化為模擬音頻信號輸出。整體框架的部署如圖2所示。

3 主要的硬件設(shè)計
3．1 LPC2138控制模塊
本設(shè)計中的微控制芯片需要提供I2C總線來控制CS5368、CS4382和SRC4382的操作模式，并且提供外部中斷接口來接收外部的中斷。LPC2 138微控制芯片是Philips公司的ARM7芯片，它擁有豐富的外部串行接口(UART、SPI以及I2C)，向量中斷控制器，支持實時調(diào)試和高速跟蹤執(zhí)行代碼，是一款高性能低功耗的32位微控制器，在微控制領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。鑒于以上特性，本設(shè)計選用LPC2138作為微控制芯片，通過I2C總線接口實現(xiàn)CS5368、CS4382和SRC4382的內(nèi)部寄存器配置，使這些器件工作在合適的工作狀態(tài)，并通過外部中斷接口實現(xiàn)中斷管理。
3．2 電源模塊設(shè)計
硬件系統(tǒng)平臺要求的供電電源電壓有：±12 V、5 V、3．3 V、2．5 V和1．8 V。其中±12 V和5 V是由變壓器直接輸入得到．3．3 V、2．5 V和1．8 V由電源IC轉(zhuǎn)換得到?！?2 V主要為運放供電，3．3 V、2．5 V和1．8 V電源芯片的輸入電壓均為5 V。其中，3．3 V電壓、2．5 V電壓和1．8 V電壓分別由芯片LM1085、TPS79325和LM1117-1．8輸出提供，輸出的2．5 V電壓提供給運放NE5532做基準電壓。
3．3 輸入模擬音頻調(diào)節(jié)模塊
模擬信號輸入前置電路，包括濾波限幅電路、阻容耦合電路和低通濾波衰減電路。模擬信號輸入前置電路主要用來隔離后級直流分量對前級的影響，限制輸入信號的幅度，濾去輸入信號中的高頻分量，濾除串擾噪聲。輸入模擬音頻信號電壓幅度比較大，不能直接作為A／D轉(zhuǎn)換器的輸入，因此前置電路必須對信號進行衰減，同時基準電壓提高到2．5 V。如圖3所示。信號的衰減系數(shù)為：

3．4 輸出模擬音頻調(diào)節(jié)模塊
人耳能聽見的音頻信號頻率范圍在20 Hz～20 kHz之間，而數(shù)字音頻信號經(jīng)過傳輸和D／A轉(zhuǎn)換后可能會引入各種噪聲，因此需要在D／A轉(zhuǎn)換后進行低通模擬濾波來濾除噪聲。此處由一個隔直流電路(由C5與R15組成高通濾波器)和二階巴特沃茲低通濾波器，如圖4所示。圖中，二階巴特沃茲低通濾波電路引入正負反饋，用來去除信號的高頻分量。