數(shù)字音頻信號(hào)的傳輸及其測(cè)量分析

【摘 要】隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，廣播電視領(lǐng)域也在逐漸進(jìn)行改變，數(shù)字化模式逐漸被運(yùn)用到廣播電視設(shè)備中，也使原來(lái)模擬信號(hào)的發(fā)射方式變成了數(shù)字音頻信號(hào)。這種數(shù)字音頻信號(hào)具有很多優(yōu)點(diǎn)，主要有與傳輸距離關(guān)系不大、干擾不敏感、利用處理器進(jìn)行修正和集成以及可以再生等。數(shù)字音頻的主要標(biāo)準(zhǔn)有MADI、SPDIF以及AES/EBU等，AES/EBS也可以叫做AES3，是歐洲廣播聯(lián)盟和音頻工程協(xié)會(huì)共同定下的標(biāo)準(zhǔn)，是一種可以接收和傳輸數(shù)字信號(hào)的設(shè)備接口協(xié)議。本文主要研究了數(shù)字音頻信號(hào)的傳輸及其測(cè)量。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字；音頻信號(hào)；傳輸；測(cè)量

1.數(shù)字音頻信號(hào)的傳輸

現(xiàn)階段，在傳輸AES/EBU數(shù)字音頻的時(shí)候主要有以下幾種方式為：同軸電纜傳輸、屏蔽雙絞線電纜傳輸以及光纖傳輸。

1.1屏蔽雙絞線電纜傳輸

最早使用的模擬音頻信號(hào)就是利用雙絞線屏蔽電聯(lián)進(jìn)行傳輸?shù)?，主要?yōu)點(diǎn)為在相對(duì)距離比較近的時(shí)候，很容易進(jìn)行鋪線，相較于別的傳輸方式來(lái)說(shuō)，技術(shù)比較成熟，投資相對(duì)比較少以及方便維護(hù)等，但是一旦距離相對(duì)比較遠(yuǎn)的時(shí)候，傳輸效果就相對(duì)比較差。當(dāng)模擬音頻的頻響在20Hz～20kHz的時(shí)候們可以合理使用屏蔽雙絞線電纜的形式從一側(cè)傳輸?shù)搅硗獾牡胤?。一般在音頻上使用的都是從RCA或者相對(duì)比較專業(yè)的XLR接頭，種類相對(duì)比較繁多，在最開始的時(shí)候一般都會(huì)選擇XLR形式的屏蔽雙絞線電纜。這種數(shù)字形式的傳輸方式相比較于標(biāo)準(zhǔn)模擬音頻雙絞線電纜的最大區(qū)別就是特性阻抗指標(biāo)。在AES數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候，需要一定的RS-422A數(shù)據(jù)信息作為通信標(biāo)準(zhǔn)和接收器芯片，保證變壓器耦合的時(shí)候可以得到相對(duì)比較好的共模擬制，避免出現(xiàn)一些大地回路，就算時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，也可以使用均衡補(bǔ)償[1]。

1.2同軸電纜傳輸

如果存在一種可以把AES數(shù)字音頻信號(hào)變?yōu)?V，阻抗變?yōu)椴黄胶馇闆r達(dá)到75歐姆，就可以把數(shù)字信號(hào)如同視頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的傳輸，主要的依據(jù)傳輸規(guī)范就是AES發(fā)布的一種文件，為AES31D，此文件主要包含了電纜平衡器、電纜、接收器電路等信息，在進(jìn)行信息接收的時(shí)候，還需要在一定程度上把AES3形式的信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，或者相應(yīng)的使用在模擬視頻分配過(guò)程中，電纜系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)AES3的轉(zhuǎn)換器沒利用把平衡與非平衡轉(zhuǎn)化器，合理的把110歐姆阻抗變?yōu)?5歐姆，利用同軸電纜進(jìn)行一定的傳輸，傳輸?shù)姆€(wěn)定距離為500m。不能聯(lián)系非平衡和平衡系統(tǒng)，其最主要的原因就是：電平不匹配、阻抗不匹配。在轉(zhuǎn)換平衡和非平衡系統(tǒng)的時(shí)候需要一定的變壓器，來(lái)轉(zhuǎn)化阻抗和電平[2]。

1.3光纖傳輸

在進(jìn)行光纖傳輸?shù)臅r(shí)候，可以把電信號(hào)合理的變?yōu)楣庑盘?hào)，在光導(dǎo)纖維內(nèi)部進(jìn)行一定的傳輸，所以，這種傳輸方式具有很好的保密性和抗干擾性以及可靠性，傳輸量比較大、損耗比較小，不會(huì)由于環(huán)境變化出現(xiàn)一定的損害，也沒有帶寬瓶頸。還擁有重量輕、體積小以及容易鋪設(shè)等特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，光纖傳輸?shù)脑O(shè)備操作比較簡(jiǎn)單，不需要均衡需求，也不需要進(jìn)行一定的維護(hù)，并且偏移、可靠、穩(wěn)定，所以，使用這種技術(shù)進(jìn)行傳輸可以在一定程度上提高信號(hào)質(zhì)量。利用光纖傳輸進(jìn)行接收和發(fā)送的時(shí)候，需要一定的光端機(jī)，相較于電纜傳輸，增加了出現(xiàn)故障的幾率，但是在距離和抗干擾方面具有很大優(yōu)勢(shì)[3]。

2.數(shù)字音頻信號(hào)的測(cè)量

在使用AES/EBU數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候可以使用不平衡方式，也可以使用平衡方式，雖然這兩種方式具有不同的電氣特性和阻抗，但是數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)是一樣的，基本都遵守AES/EBU幀結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：

想要測(cè)量數(shù)字音頻信號(hào)，就應(yīng)該充分了解數(shù)字信號(hào)AES/EBU結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和每個(gè)狀態(tài)幀與校驗(yàn)位的含義。利用專用設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，也可以使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行一定的測(cè)量。主要包含以下三個(gè)方面的內(nèi)容為：音頻數(shù)據(jù)幀、時(shí)鐘信息以及非音頻數(shù)據(jù)。

2.1時(shí)鐘信息

在進(jìn)行數(shù)字音頻傳輸?shù)臅r(shí)候，使用雙相位的編碼方式，合理的把時(shí)鐘信號(hào)放置到AES/EBU音頻信號(hào)中、雙相位編碼方式，把邏輯0和邏輯1占用的時(shí)間稱之為時(shí)間片，在0邏輯位置的時(shí)候，只有開始和結(jié)束的時(shí)候處于低、高電平的變動(dòng)。確定邏輯位置的時(shí)候，不但需要在開始和結(jié)束的時(shí)候進(jìn)行變換，還需要在時(shí)間片任何位置進(jìn)行變換。這種雙相位傳輸方式有以下優(yōu)勢(shì)：一是，這種方式進(jìn)行傳輸，可以相應(yīng)的消除傳輸過(guò)程中常0或者常1導(dǎo)致的累積電平，保證一直處于0電平。二是，接收端可以在進(jìn)行傳輸重建的時(shí)候，接收到一定的時(shí)鐘信息。

2.2音頻數(shù)據(jù)的幀

在AES數(shù)字信號(hào)中，利用數(shù)據(jù)幀的方式來(lái)進(jìn)行音頻信息的傳輸，每個(gè)音頻數(shù)據(jù)都包含左右兩個(gè)子幀，利用串行的方式進(jìn)行一定的排列，右子幀在后，左子幀在前，結(jié)構(gòu)保持一致，從而形成如圖所示的結(jié)構(gòu)：

從上圖可以看出，左、右子幀都具有24bit的音頻數(shù)據(jù)，主要為采樣信號(hào)的量化值。MSB為最高有效值，LSB為最低有效值。24bit為最高量化深度為24bit，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳疃葹?0bit或者16bit音頻數(shù)據(jù)段的時(shí)候，可以利用最低有效位合理的向右移動(dòng)一定的位移，把最低有效位左邊的數(shù)據(jù)歸到0。各段字母和標(biāo)識(shí)的含義為：Preamble，為標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，不遵循雙相位編碼方式，同時(shí)也是在AES數(shù)字信號(hào)中唯一一個(gè)不符合雙相位編碼方式的數(shù)據(jù)，占有四個(gè)時(shí)間片，在長(zhǎng)的時(shí)間片脈沖中，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)1.5長(zhǎng)度的時(shí)間片邏輯1或者0脈沖。主要有三種類型的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)位：X型數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)；Y型數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)；Z型數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)。V：表示有效位，主要功能就是確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，一旦把有效性設(shè)置為1，就會(huì)表示相應(yīng)的數(shù)字音頻信號(hào)不符合實(shí)際的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換原則，在一般情況下，例如傳輸?shù)臄?shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，或者出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不是線性的音頻數(shù)據(jù)，都會(huì)導(dǎo)致有效位變?yōu)?。U：用戶數(shù)據(jù)位。在使用AES數(shù)字信號(hào)的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)。C：通道狀態(tài)位。在AES數(shù)字信號(hào)中，一般把192個(gè)一音頻設(shè)置為一個(gè)數(shù)據(jù)塊，主要包括192個(gè)右?guī)?92個(gè)左幀，在一個(gè)塊的開頭都有一個(gè)Z型數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，在塊中所有的右?guī)妥髱瑪?shù)據(jù)共同構(gòu)成了通道狀態(tài)為192bit長(zhǎng)度的右狀態(tài)數(shù)據(jù)信息和左狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，也可以說(shuō)是，在數(shù)據(jù)幀中單個(gè)幀是沒有多大意義的，利用塊中所有幀組合的通道情況來(lái)進(jìn)行音頻的數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)類型的收集。P：奇偶校驗(yàn)位。可以校驗(yàn)子幀的奇偶[4]。

2.3非音頻數(shù)據(jù)

總之，每一個(gè)音頻都具有192個(gè)幀，所有的右?guī)妥髱膬?nèi)部通道共同構(gòu)成了狀態(tài)位，形成了192bit的左狀態(tài)數(shù)據(jù)信息和右狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，192為可以分為24個(gè)字節(jié)，明確說(shuō)明塊中的音頻數(shù)據(jù)信息，表明了傳輸?shù)男畔⒌牧炕疃?、采樣頻率以及循環(huán)校驗(yàn)碼等。

3.結(jié)束語(yǔ)

總而言之，隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，廣播電視行業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬音頻輸出方式已經(jīng)被數(shù)字音頻所取代，充分發(fā)揮數(shù)字音頻的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，明確數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，從而保證可以及時(shí)的處理信號(hào)傳輸中的問題，保證廣播信息發(fā)送的質(zhì)量以及可以不間斷進(jìn)行傳輸運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]余秋花.淺議數(shù)字音頻信號(hào)傳輸中的阻抗匹配[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（10）：94-95.

[2]方芳.字抖動(dòng)在數(shù)字音頻信號(hào)傳輸中的影響[J].廣播電視信息，2010（10）：73-76.

[3]羅興華.關(guān)于ASI編碼技術(shù)在電視信號(hào)傳輸中的研究[J].中國(guó)傳媒科技，201（6）：135.

[4]趙子涵，易巍.數(shù)字音頻系統(tǒng)中的字時(shí)鐘同步方式[J].音響技術(shù)，2010（4）：18-21.