一種袖珍式AES數(shù)字音頻監(jiān)聽(tīng)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(tīng)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(zhuān)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。

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(wèn)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(tīng)，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(tīng)，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(zhuān)業(yè)儀器進(jìn)行故障判定，目前的專(zhuān)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(kāi)、插頭開(kāi)焊、接線錯(cuò)誤、光端機(jī)異常等。還有一類(lèi)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(méi)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(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備。但專(zhuān)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(tīng)儀，目的是解決上述一系列問(wèn)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(tīng)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(kāi)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(zhuān)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(kāi)關(guān)，按下時(shí)能夠短路掉一個(gè)聲道，從而僅能聽(tīng)到另一個(gè)聲道。立體聲缺聲道問(wèn)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(lèi)功放來(lái)說(shuō)，元件數(shù)量少，沒(méi)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(méi)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(mǎn)足要求。 X2S 是一個(gè) Micro USB 充電接口。二極管 D2 和 D3 組成“或門(mén)”電路，驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wèn)題時(shí) ^[5]，仍然可能“測(cè)試正?！保@是因?yàn)榻獯a芯片的默認(rèn)工作狀態(tài)對(duì)這些異常沒(méi)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(lèi)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(tīng)儀具有 AES/EBU 信號(hào)的音頻監(jiān)聽(tīng)、參數(shù)監(jiān)看功能，電池供電，體積小，便于攜帶，可以滿(mǎn)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。

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[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)