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一种袖珍式AES数字音频监听仪的设计制作与应用

作者:刘勇,李琚门,胡保祯,魏大鹏(青岛市广播电视台,山东青岛 266071)时间:2022-08-16来源:电子产品世界

摘要:本文详细介绍了一种袖珍式AES监听仪的设计和制作过程,对该仪器在领域中的应用场景进行分析。仪器采用紧凑的一体化设计,具备数字接口、转换电路、电池和扬声器。仪器操作简单、功耗低、体积小,极大方便了音频技术人员的日常使用。在大型音频工程或广播电台等专业音频领域,通常使用AES/EBU格式进行数据传输,该仪器在涉及数字音频领域的工程建设、系统维护等应用场景中应用广泛。

本文引用地址:http://846420.com/article/202208/437399.htm

关键词;数字音频

0 引言

广播电台机房的音频传输标准采用国际标准 (AES/EBU,音频工程协会 / 欧洲广播联盟)[1] 格式,目前绝大多数正在广播电台的机房设备、大型音频工程、高端民用音响,相互之间的音频信号传输均采用这一标准。AES 也是一种单向传输,相对于早期的模拟信号,音频数字化以后进行传输,能够消除线路上的噪声和干扰,实现基本无损失的信号传递。特别是 CD 机等设备自带 数字信号输出口,发射机端带有 AES3 数字信号输入口,能够实现从音源到发射机之间完全无损失的传输路径。维护一个全数字化机房的设备和布线,相应地需要数字化的检修维护仪器。

1 全数字化机房的检修问题

1.1 数字化机房运维

早期的模拟音频信号线路,通过插接一个耳机或功放进行监听,用一个音频电平表或万用表测量信号电平,但数字信号无法直接监听,也不能直接使用电平表进行检查。在发生故障时,只能使用专业仪器进行故障判定,目前的专业音频测试仪器功能强大,但操作也很复杂,对值班人员的要求高,检修速度也不能很快,体积大,不利于随身携带。大多数情况下,数字传输体系可靠性较高,故障多数来源于双绞线断开、插头开焊、接线错误、光端机异常等。还有一类故障是调音台等数字设备的参数设置有误,造成音频信号缺声道等“软故障”,多发生在变更设备或工程建设初期的调试阶段。现代化的数字音频设备复杂度很高,如果发生故障,一般是厂家才能对设备本身进行检修,或整机更换。本文所述仪器,功能定位于判断某台设备或某段线路的故障。

1.2 AES3信号的关键指标

使用示波器能够观察卡侬插座的 AES3 信号波形。如图 1 是 AES3 信号实测的波形图,其中最重要的特征有三个。

1)X 轴的电压幅度,代表了实际电缆中传输的信号幅度,这个信号如果没有或者太低,就不能被接收设备识别。总局发布的有关标准 [1] 规定了这个信号的峰峰值电压,不低于 2 V,不高于 7 V。一般在 5 V 左右。(图 1 中是单端测量的 2.5 V)

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2)波形的频率、上升下降沿时间和噪声,波形应该清晰明确,具有合适的上升下降时间。如果波形含糊不清,带有明显噪声,将导致误码率高,接收设备工作异常。

3)数字编码所代表的音频内容。解码是否正确只有解码这个 AES3 信号以后才能知道。

1.3 现状和需求

音频工程建设或系统维护期间,数字音频传输是否准确,设备参数是否正常,通常使用一台器加一个耳机能够 简单判断,无需更专业的仪器设备。但专业的模数转换器体积较大,在机房的维护区搬运移动不方便,还需要额外电源,对 技术人员来说,负担较重。

2 总体方案设计

袖珍式 AES 数字音频监听仪,目的是解决上述一系列问题。该设备在一个紧凑的小体积壳体内集成了数字接口、转换电路、参数监看、测试按钮、电池、功放和喇叭等电路,能够作为日常检修时随身携带的仪器,能够直观听到 AES3 线路承载的音频内容,快速排查线路故障。设计时还预留了有关 AES3 数据传输的附加信息测量接口,能够进一步扩展功能。整体电路示意图如图 2 所示。

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2.1 AES3接口电平转换

AES3 接口采用差分传输,插头座的形式是卡侬 3 芯,其中 1 脚是地,2、3 脚是信号,不分极性。信号以不归零调相编码传输,但在每个数据块的开头,采用了特殊的编码方式作为标记[2]。AES3线路电平是2-7 V,实际工程中基本采用 5 V 电平。信号在输入到解码电路时,要做电平转换和平衡 - 不平衡适配。电路图 2 中, X1 是卡侬母座,平衡的 AES 信号经过隔直电容和变压器耦合,然后经过一个可调电阻进入下一级电路。使用这种电平转换电路,通过事先校准 R2 的阻值,能够测试到电平过高或过低的情形。

2.2 解码和电路

解码部分采用了专用集成电路 CS8416,这个集成电路把 AES3 信号转换成 I2S 信号。数模转换部分采用了常用的CS4334集成电路,完成I2S到模拟音频的转换。两个集成电路均采用典型电路,在图 2 中作为一个组件 IC1。

2.3 声道测试按钮

针对立体声广播的测试需要 [3],设置了两个按钮 S1 和 S3,按下其中一个,可以单独测试某一个声道。具体电路如电路图 2 所示,实际上是两个音频信号对地短路的开关,按下时能够短路掉一个声道,从而仅能听到另一个声道。立体声缺声道问题在系统调试和检修中是一种较为隐蔽的故障。

2.4 功放和喇叭

功放 AMP1 采用了 D802 这个集成电路,是一个传统的线性功放。相对于 D 类功放来说,元件数量少,没有电磁干扰,喇叭中安静无杂音。D802 是常用的功放集成电路,工作电压为 3-5 V, 适用于单节锂电池供电的设备,输出功率超过 2 W,能够提供足够大的音量。

功放前面加入一个电位器 R6 用作音量调节。这个电位器通常旋转到合适的某个位置就固定不动了,作为对照测量时的参考 [4];为避免误动作,并没有安装旋钮,而是暗装在壳体内部,通过壳体的小孔,用螺丝刀调节。

2.5 锂电池和充电电路

电源部分采用了带有充放电保护板的锂电池如图 2 中的 G1,容量 600 mAH。实测待机电流 20 mA,工作电流取决于音量大小,约 100-500 mA。也就是电池可以待机 30 小时或者工作 1-6 小时左右,能够满足要求。 X2S 是一个 Micro USB 充电接口。二极管 D2 和 D3 组成“或门”电路,驱动电源开关内部附带的指示灯,在充电时和工作时都能亮起,作为指示。

2.6 备用的数据接口

AES 信号中,在数字音频的数据以外,还同时传输附加的其他信息位,用来描述音频信号格式和设备工作状态。解码这些信息需要采用单片机,图中 IC2 和 X3 是预留的数据接口。

3 样机制作和测试

实验用的样机采用了一个尺寸较小的成品塑料外壳,如图 3 所示为内部结构和实物外观的照片。外壳开孔,也作为喇叭的共鸣腔体,使声音浑厚响亮。

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图3样机内部结构和外观

样机制作比较粗糙,主要是功能验证。经过实测,完全达到了预期效果。

图 4 是正在开发中的另一个测试仪电路板,采用了一块 3.5 英寸(1 英寸 =2.54 cm)带触摸的彩色液晶屏显示实测波形和数据信息,功能更加完善。附带的网络接口能够适应未来 IP 化场景,相应的,软硬件也更复杂一些。

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图4 正在开发的新版本

由电路原理能看出,这种测试方法,不是完备的测试方法,仍存在一些缺陷有待解决。例如,信号存在超量的抖动或时间同步出现问题时 [5],仍然可能“测试正常”,这是因为解码芯片的默认工作状态对这些异常没有严格限定,导致冗余量太大,对故障反应不敏感。仪器在使用中不断改进,运维团队群策群力,在确保廉价、便携易用、低耗电的原则下,正在逐渐完善此测试仪器。未来也将适应 IP 化需求,研制 IP 网络环境下的类似仪器,提高运维水准。

4 结语

袖珍式 AES 数字音频监听仪具有 AES/EBU 信号的音频监听、参数监看功能,电池供电,体积小,便于携带,可以满足在数字音频工程施工和系统维护的需求,可广泛应用于音频工程建设、广播电视行业等数字音频领域。

参考文献

[1] GY/T 158-2000 演播室数字音频信号接口[S].北京:国家新闻出版广电总局,2000.

[2] GY/T 156-2000 演播室数字音频参数[S].北京:国家新闻出版广电总局,2000.

[3] GY/T 275-2013电台节目制播质量监测技术规范[S].北京:国家新闻出版广电总局,201.

[4] GY/T 285-2004 数字音频设备音频特性测量方法[S].北京:国家新闻出版广电总局,2004.

[5] GY/T 193-2003 数字音频系统同步[S].北京:国家新闻出版广电总局,2003.

(注:本文转载自《电子产品世界》杂志2022年8月期)

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