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行业视角
数字音频信号的传输与测量
作者:文/国家广电总局594台 刘红 日期:2010/12/10 11:57:05 人气: 标签:

 

摘要:本文结合实际应用讲述了AES/EBU数字音频信号的三种传输方式和传输方式之间的转换方法,并对AES/EBU数字音频信号的电气参数和数据帧结构进行了详细的描述。

关键词:AES/EBU  数字音频信号  传输方式  数字帧结构  测量

                     

1 序言

随着广播设备数字化技术的飞速发展,广播发射机节目源已从原来的模拟音频信号逐步过渡到了数字音频信号。数字信号有诸多优点,主要表现在数字信号对干扰不敏感、基本上与传输距离无关、可以再生、可由处理器进行修正以及更好地集成等。数字音频的标准有SPDIF、AES/EBU、MADI等,其中,AES/EBU又称为AES3,是音频工程协会和欧洲广播联盟共同制定的标准,它是传输和接收数字音频信号的数字设备接口协议。

我台广播节目传输的数字音频信号采用的就是AES/EBU标准,其节目传输示意图如图1所示。从图1中我们可以看到,从卫星接收机解码输出的AES/EBU数字音频信号,经音频分配器后,其中一路经平衡/不平衡转换器,将数字音频信号由110Ω平衡信号转换为75Ω不平衡信号后通过同轴电缆送到发射机;另一路110Ω平衡数字音频信号送到数字音频光端机,通过光缆送到发射机。

2 数字音频信号的传输

从目前来看,传输AES/EBU数字音频信号不外乎如下几种方式,即:屏蔽双绞线电缆传输、同轴电缆传输和光纤传输三种。下面结合我台数字音频传输实例,分别介绍三种不同的传输方式。

2.1 双绞屏蔽线电缆传输

用双绞线屏蔽电缆传输模拟音频信号是最早使用的手段之一,它的优点是:在传输距离较短时,铺线较容易,比起其他传输手段来说,投资相对少,技术较成熟,维护方便等。其缺点是:传输距离较远时频响较差。

模拟音频的频带为20Hz到20kHz,它可以通过双绞线屏蔽电缆从一处传输到另一处。由于音频电缆上所使用的插头从RCA到专业的XLR接插头,种类繁多,因此,当人们刚开始考虑专业数字音频信号的传输时,就很自然地选择使用带有XLR插头的双绞线屏蔽电缆。数字音频双绞电缆与标准模拟音频双绞电缆的区别关键在于特性阻抗指标。AES/EBU标准由于公差范围宽,特性阻抗范围可以从88Ω到132Ω;标准模拟音频电缆的特性阻抗从45Ω到70Ω。如使用模拟音频电缆线传输数字音频信号,因阻抗不匹配,会导致信号反射及抖动,从而在接收端产生误码,由于这个原因,推荐使用100Ω到120Ω的屏蔽双绞线数字音频电缆用于数字音频传送(电缆的阻抗不是直流阻抗,而是高频信号下的交流阻抗,万用表是测量不出来的)。数字音频信号通过平衡屏蔽的双绞线电缆从一个发送器传输到另一个接收器的距离可达100m。

图2是AES数字音频双绞线传输的电路示意图。在AES数字音频信号传输中,通常使用RS-422A数据通讯的标准驱动器和接收器芯片,而使用变压器耦合可获得较好的共模拟制,且避免了信号的大地回路,电缆较长时也可使用均衡补偿。

2.2  同轴电缆传输

如果通过某种方法将AES数字音频信号电平变为1V,阻抗变为非平衡75Ω,那么就可以将数字音频信号如同视频信号一样传输。图3为使用同轴电缆进行数字音频传输的原理示意图。其传输规范为AES发布的一份文件AES3ID,在该文件中,描述了同轴分配装置的优越性,还包括了电缆、电缆平衡器以及接收器电路等方面的信息,在接收器的信息中,还包括当需要将AES3格式的信号长距离(1000m)传输时或在模拟视频分配设备的环境中使用时,标准AES3设备与电缆系统进行转换的变换器。我台广播节目通过平衡至不平衡变换器将110Ω阻抗变换为75Ω阻抗,并通过同轴电缆进行节目传送,其稳定传输距离已达500m,平衡/不平衡转换器原理图如图4所示。

需要指出的是,平衡和不平衡传输系统不能直接对接,原因主要有两个:

(1)电平不匹配

AES数字音频信号是TTL的5V电平,遵循RS422的接口,而BNC的AES/EBU接口的电平是0.5V,比较低幅度的信号送入XLR的5V接口容易发生电平不翻转的问题(AES/EBU平衡的接收器最低的输入幅度要求大于200mV,0.5V的BNC接口外加线路损耗,尤其是低频的电阻损耗和高频的介质损耗,往往中长线路不能保证其衰减控制在-6dB以内)。此外,用平衡直接连接到不平衡,输入信号太大,加重了发送端的负载。

(2) 阻抗严重不匹配

75Ω与110Ω直接对接,在整个传输系统中会出现回波,它重叠在原信号上,使得传输系统的孔径变小(眼图抖动变大,开度减小),当小到接收器不能正常解码而时常出现误码时,AES/EBU每个子帧的校验位将出错,接收器会将这个错误子帧丢弃,造成音频传输错误。

在平衡和不平衡传输系统之间通常要加装变压器,用来进行电平和阻抗的转换。

2.3 光纤传输

光纤传输信息时,是将电信号转变为光信号,然后在光导纤维内部进行传输,因此光纤传输具有很强的抗干扰性、保密性和可靠性;它的传输损耗小,传输容量大,不会因大气条件变化而带来质量损伤,也不存在带宽瓶颈问题;它还具有体积小、重量轻、铺设容易等一系列优点。目前,光纤传输设备使用简便,没有同轴电缆的均衡需求,光纤传输设备几乎不需维护,且可靠、稳定、便宜,因此,采用光纤通讯技术,可以大大提高广播电视节目的传输质量。目前,一条单模光纤可以传输2.488Gb/s的数字信号。采用 1550nm光波长时,中继距离可在100km以上,图5是数字音频光缆传输的原理图。

图5数字音频光缆传输原理方框图

采用光缆传输在发送与接收端需要增加额外的光端机,相对于无源的电缆传输,也增加了一个故障环节,但其在抗干扰性能和传输距离上却有着电缆无法比拟的优点。

3  数字音频信号的测量

AES/EBU数字音频信号可采用平衡传输方式,也可采用非平衡传输方式,虽然这两种传输方式输入/输出接口的阻抗和电气特性有所不同,但是两种传输方式所传输的数据帧结构却是一致的,都是遵循AES/EBU帧结构标准。

3.1电气特性

数字音频信号采用不同的传输方式,其对应的接口和电平都各不相同,表 1为采用平衡双绞线进行数字音频传输时的电气接口参数,表2为采用同轴电缆进行数字音频传输时的电器接口参数。

 

3.2 数据帧结构

要对数字音频信号进行测量,首先要了解AES/EBU数字信号的结构特点以及各个校验位与状态帧的含义,测量时可采用专用设备,也可采用数字存储示波器来完成。在AES/EBU数据帧中包含了时钟信息、音频数据帧、非音频数据三种数据类型,下面将分别对这三部分数据信息进行介绍。

3.2.1 时钟信息

在AES/EUB数字音频信号中,采用“双相位”编码方式,将信号的时钟信息嵌入AES/EBU数字音频信号流中。

在“双相位”编码方式中,把每一个逻辑“1”和逻辑“0”位所占用的时间称为一个“时间片”,在逻辑“0”位时,只在“时间片”的开始与结束处信号进行高、低电平的跳变;在逻辑“1”位时,不仅在“时间片”的开始和结束处信号进行高、低电平的跳变,同时还要在“时间片”的中央再进行一次高、低电平的跳变。如一段001010的数据经过“双相位”编码后的电平图如图6所示。

在图6中,时间片1、2、4、6中传输的是“0”,时间片3、5中传输的是“1”,则除了在时间片的开始和结束处分别有一个电平的跳变外,在时间片的中央还有一个电平的跳变过程。

通过这种传输编码方式有以下两方面的好处:第一,接收端可以从传输的信号中重建信号的传输速率,从而得到所接收信号的时钟信息;第二,通过这种传输编码,可以消除传输链路上由于“常1”或“常0”而造成的积累电平,使传输链路上的电平处于0V。

3.2.2 音频数据帧

在AES/EBU数字音频信号中,音频信息以数据帧的方式传输,其中每个音频数据帧包含左、右两个子帧,并以串行的方式排列传输,左子帧在前、右子帧在后。左、右两个子帧的结构是一致的,其构成如图7所示。

从图7中可以看到,在左、右子帧中各占有24bit的长度的音频数据,其内容为一个采样信号的量化数值。LSB为最低有效位,MSB为最高有效位。24bit音频数据表示最高的量化深度为24bit,同时在传输量化深度为16或20bit的音频数据时,可以采用最低有效位向右移动相应位,将最低有效位左边的数据位给予置“0”的方式来完成。图8为一个音频数据是16bit长的左、右子帧示意图。

图7,图8中,各字段和字母的含义如下。

(1) Preamble:标识数据。其编码方式不遵循“双相位”编码规则,也是在AES/EBU信号流中唯一不遵循“双相位”编码规则的数据。其占有的时长为四个“时间片”,在这四个“时间片”长的脉冲中,会出现一个或两个持续时长为1.5个“时间片”长度的逻辑“1”或逻辑“0”脉冲。如图9所示。

图9 标识数据preamble结构图

Preamble通常有如下三种类型的标识数据:

① X类型的标识数据,表示在标识数据后跟的是左声道的音频帧;

② Y类型的标识数据,表示在标识数据后跟的是右声道的音频帧;

③ Z类型的标识数据,表示在标识数据后跟的是一个左声道的音频帧,同时也表示是一个新的状态数据块的开始。

(2)V:有效位(Validity bit)。其功能主要是确认传输数据的有效性。如果有效位被置为“1”,表示接收到的数字音频信号不适合转换成模拟信号,在其它情况下,比如传输的数据产生了一些错误或在帧中传输的数据不是线性的PCM音频数据,都会使有效位置“1”。

(3)U:用户数据位(Use bit)。在AES/EBU信号中没有使用。

(4)C:通道状态位(Channel status bit)。在AES/EBU数字音频信号协议中,规定每192个音频数据帧为一块,块中包含有192个左帧、192个右帧,每个块的开头标识为Z类型的标识数据。在块中所有的左帧和右帧内的通道状态位就分别组成了一个192bit长度的左状态信息数据和右状态信息数据,也就是说,单个帧中的通道状态位是没有意义的,一个音频块的数据类型、采样频率等信息是通过块中所有帧的通道状态位组合起来实现的。

(5)P:奇偶校验位。为该子帧的奇偶校验位。

3.2.3 非音频数据

如上所述,每个音频块含有192个帧,其中所有的左帧和右帧内的通道状态位,组成了一个192bit长度的左状态信息数据和右状态信息数据,这192位作为192/8=24个字节,对块中的音频数据进行说明,表示了所传数据的采样频率、量化深度、循环校验码等信息。

3.3 数字音频信号的码率

我们知道,一个音频数据块有192个帧组成,每个帧由两个子帧组成,帧在使用的采样率下重复。第一个子帧包含来自通道A中的采样数据或是立体声中在左声道的采样数据;第二个子帧为通道B或是立体声右声道的采样数据,每个子帧含有32bit的数据。在48kHz采样频率下,其码率为:

32 × 48000 × 2(立体声)

=1.536Mbps × 2=3.072Mbps

帧中的一个数据比特持续时间为:1/3.072Mbps=325.5ns,每个音频帧包括64bit,每个音频帧的持续时间为:325.5ns× 64=20.83μs,在双相标志码编码后,数据传输率将提高到两倍,即:3.072× 2=6.144Mbps,一个双相标志码比特单元时间为325.5ns/2=163ns。

知道了码率和数据比特和音频帧的持续时间,在使用数字存储示波器进行测量时,就能根据要测量的内容调整时间参数了。比如要查看一个音频帧,那么我们可以根据音频帧的持续时间20.83μs,将扫描时间调整到大于21μs等。

3.4 专业数字音频测试仪器

目前,许多厂家针对AES/EBU数字音频生产出了一些专业测试仪器,这些仪器可按AES/EBU和S/PDIF(IEC60958标准)标准,对数字音频信号进行电学和定时同步(抖动)分析以及其他测量;仪器可通过对“连通性”的检查,再结合其内置的自动测试程序,可在各种环境和场合下快速且可靠地完成正常/失效的判断指示,提供比示波器更专业的测量和检查手段,以确保数字音频系统的可靠运行。

有些仪器还具有详细诊断功能,比如,音频、通道状态数据内容及电学参数等诊断,其中电学参数包括:信号源及同数据相关的抖动、振幅和眼图闭合诊断等。甚至有些仪器还提供了信号发生器功能,可通过一系列特别设计的AES/EBU标准数字音频接口测试信号,包括:信号源恶化的信号、与数据相关的抖动信号、用于bit误码检测的伪随机序列信号(PRS)等,用来测试传输通路的可靠性和传输媒介的损耗情况。

4  小结

随着电台广播节目数字化的普及,数字音频已逐渐取代了模拟音频的传输与调度,为充分发挥数字音频的优势,只靠使用万用表简单地测试信号通路的连通与否,已无法满足数字音频信号传输的要求。只有明确了数字信号传输的电气特性和数据帧结构,才能发现数字信号传输过程中出现的问题并及时进行处理,用以确保广播传输发射工作高质量、不间断地运行。

 

                                   稿件来源:广播电视信息2010.5期

 

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