基于E1音頻傳輸?shù)姆治雠c研究

黃亦群 尹 亮

（作者單位：紫金電視調(diào)頻轉(zhuǎn)播臺(tái)）

數(shù)字音頻信號(hào)的傳輸方式多樣，各有所長(zhǎng)。遠(yuǎn)距離傳輸采用光纖，鋪設(shè)難度大，費(fèi)用高?；诠不ヂ?lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，偶發(fā)的速率波動(dòng)會(huì)造成丟包卡頓，安全性和私密性很差。

基于E1信道的音頻傳輸，采用同步時(shí)分復(fù)用技術(shù)將多個(gè)語(yǔ)音信道和控制信道復(fù)合在一條速率為2 048 Mbps的高速信道上。并且運(yùn)行在同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy, SDH）上，中間環(huán)節(jié)通過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)的干線網(wǎng)，自動(dòng)化、智能化程度高，擁有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自愈、重組能力，并且做到專線專用，不易受到攻擊和干擾。E1專線作為SDH的一種使用形式，提供了一種性價(jià)比極高的信道傳輸方案，在廣播電臺(tái)得到廣泛使用。

1 系統(tǒng)方案

1.1 E1傳輸幀格式

利用E1線路傳輸非壓縮的數(shù)字音頻信號(hào)時(shí)，采樣頻率為48 kHz。在數(shù)據(jù)位寬為20位數(shù)據(jù)格式下，每一個(gè)幀包含幀頭、輔助數(shù)據(jù)指示、保留數(shù)據(jù)，48對(duì)A、B通道的子幀（見(jiàn)圖1）。幀頭供給幀同步使用，定義為16 bit二進(jìn)制數(shù)，“111010111001000”，記為X；“0001010001101111”，記為Y。兩種幀頭交替使用，即相鄰兩幀分別使用幀頭X和幀頭Y。A1到B48子幀對(duì)，共96個(gè)子幀，每個(gè)子幀21 bit，其中20 bit為音頻取樣值，最后一位為保留位?？値L(zhǎng)度為2 048 bit，幀周期為1ms，每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為2.048 Mbps。

圖1 傳輸幀格式圖

1.2 系統(tǒng)總體方案

E1音頻編碼器是將輸入的立體聲音頻信號(hào)或AES/EBU數(shù)字音頻信號(hào)，經(jīng)A/D數(shù)字編碼變換或數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，重新成幀，形成串行數(shù)據(jù)流，由E1接口輸出。音頻解碼器是將接收E1線路傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)，經(jīng)時(shí)鐘恢復(fù)、經(jīng)拆幀后，恢復(fù)出音頻信號(hào)，輸出立體聲音頻和AES數(shù)字音頻[1]。音頻顯示部分用作設(shè)備外部顯示使用，便于實(shí)時(shí)監(jiān)看節(jié)目播出狀態(tài)。網(wǎng)口模塊用于和外部服務(wù)器交換控制數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)模塊

2.1 數(shù)字音頻I2S發(fā)送和接收

如圖2所示，外部輸入的模擬左右立體聲信號(hào)（L/R）經(jīng)過(guò)AK5383音頻編碼器，轉(zhuǎn)換為I2S格式的串行數(shù)字格式。AK5383是一個(gè)24位、128倍過(guò)采樣的雙通道A/D轉(zhuǎn)換器，采用增強(qiáng)型雙比特架構(gòu)，能夠達(dá)到110 dB的寬動(dòng)態(tài)范圍。CS8412用于將輸入的AES/EBU數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為I2S格式的串行數(shù)字格式。

圖2 系統(tǒng)框圖

通過(guò)判斷AES數(shù)字音頻信號(hào)是否存在，程序自動(dòng)切換分別來(lái)自模擬和數(shù)字通道的I2S信號(hào)。當(dāng)數(shù)字和模擬通道都存在信號(hào)時(shí)，數(shù)字通道優(yōu)先通過(guò)E1線路發(fā)送。

從E1線路最終恢復(fù)出來(lái)的I2S信號(hào)，會(huì)被同時(shí)送到數(shù)字音頻編碼芯片CS8402和模擬DA轉(zhuǎn)換芯片AK4393，轉(zhuǎn)換出音頻信號(hào)。模擬和數(shù)字輸出通道的音頻信號(hào)將同時(shí)輸出[2]。

音頻接口采用了標(biāo)準(zhǔn)的I2S音頻總線接口傳輸音頻數(shù)據(jù)。I2S主要用在音頻編碼、解碼的數(shù)據(jù)傳輸部分。早期的音頻編解碼轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸采用16位并行數(shù)據(jù)總線。隨著音頻采樣技術(shù)的發(fā)展，量化精度進(jìn)一步提高，目前的數(shù)字音頻采用的是24 bit量化標(biāo)準(zhǔn)。這就意味著并行傳輸需要24位并行數(shù)據(jù)總線，很不方便。為了簡(jiǎn)化音頻設(shè)備之間互相傳輸數(shù)據(jù)的流程，設(shè)計(jì)了串行輸出的數(shù)據(jù)格式I2S。

音頻信號(hào)數(shù)字采樣后，I2S格式采用3線的方式傳輸，也就是提供了2個(gè)時(shí)鐘線和1個(gè)數(shù)據(jù)線（見(jiàn)圖3）。其中一個(gè)時(shí)鐘是左右聲道時(shí)鐘（LRC），為“0”時(shí)表示左聲道，為“1”時(shí)表示右聲道；另外一個(gè)時(shí)鐘是數(shù)據(jù)位時(shí)鐘（BCLK），在時(shí)鐘上升沿采樣每一比特位音頻樣點(diǎn)數(shù)據(jù)；串行數(shù)據(jù)在每一個(gè)通道傳輸32 bit，I2S用其中的24 bit，數(shù)據(jù)最高位在LRC時(shí)鐘上升/下降沿延遲一個(gè)位時(shí)鐘后順序發(fā)送[3]。

圖3 I2S格式波形時(shí)序圖

數(shù)字音頻I2S發(fā)送模塊是將I2S數(shù)據(jù)格式的信號(hào)轉(zhuǎn)成20位并行的音頻數(shù)據(jù)，接收模塊是相反的過(guò)程，將并行數(shù)據(jù)串化為I2S格式。采用verilog語(yǔ)言進(jìn)行時(shí)序編寫，收發(fā)環(huán)路測(cè)試時(shí)，從SignalTapII上抓取到的波形圖來(lái)看（見(jiàn)圖4），收發(fā)的時(shí)序滿足使用要求。

圖4 波形圖

2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘模塊

鎖相環(huán)（Phase Locked Loops, PLL）時(shí)鐘模塊（見(jiàn)圖5）通過(guò)調(diào)用FPGA內(nèi)部的PLLIP核來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸出1個(gè)頻率為12.288 MHz的時(shí)鐘，作為音頻編解碼的主時(shí)鐘MCLK。

圖5 PLL鎖相環(huán)及時(shí)鐘分頻

對(duì)主時(shí)鐘進(jìn)行六分頻，得到2.048 MHz的時(shí)鐘，用于E1接口的數(shù)據(jù)收發(fā)同步時(shí)鐘。

對(duì)主時(shí)鐘進(jìn)行256分頻，用作I2S的幀時(shí)鐘；進(jìn)行64分頻，產(chǎn)生數(shù)字音頻位時(shí)鐘。

2.3 音頻緩存發(fā)送/接收模塊

音頻數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6）用于緩存20位的音頻樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)緩存的數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，控制發(fā)送/接收模塊開始發(fā)送/接收音頻數(shù)據(jù)。

圖6 音頻數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)

緩存部分沒(méi)有采用外置的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory, RAM）或者只讀存儲(chǔ)器（Read Only Memory, ROM），而是使用FPGA內(nèi)部邏輯單元構(gòu)成的先進(jìn)先出隊(duì)列（First Input First Output,FIFO）。FPGA使用的FIFO一般指的是對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)具有先進(jìn)先出特性的一個(gè)緩存器，常被用于數(shù)據(jù)的緩存或者高速異步數(shù)據(jù)的交互，即所謂的跨時(shí)鐘域信號(hào)傳遞[4]。采取順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，順序讀出數(shù)據(jù)的方式，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便。

收到I2S模塊轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的20 bit音頻信號(hào)數(shù)據(jù)后，控制寫FIFO模塊寫入512個(gè)字節(jié)的FIFO中。同時(shí)判斷FIFO緩存的個(gè)數(shù)，超過(guò)預(yù)設(shè)值，控制E1發(fā)送模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

從E1線路恢復(fù)出來(lái)的20 bit音頻數(shù)據(jù)被連續(xù)寫入音頻接收緩存，接收完單包數(shù)據(jù)后再開始讀FIFO，防止FIFO為空時(shí)被讀取。接收完單包數(shù)據(jù)后給出完成標(biāo)志，指示I2S接收模塊轉(zhuǎn)換音頻數(shù)據(jù)。

2.4 E1線路發(fā)送模塊

2.4.1 發(fā)送模塊狀態(tài)機(jī)

E1線路發(fā)送模塊收到來(lái)自緩存模塊的開始發(fā)送指示后，開始逐幀發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程采用狀態(tài)機(jī)來(lái)進(jìn)行描述（見(jiàn)圖7），將整個(gè)過(guò)程分為7個(gè)狀態(tài)。每一個(gè)狀態(tài)完成后，將跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)。

圖7 E1數(shù)據(jù)發(fā)送模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖

發(fā)送時(shí)沒(méi)有接收到發(fā)送指示，狀態(tài)機(jī)將一直處于初始狀態(tài)。在收到發(fā)送指示信號(hào)上升沿，跳變到幀頭發(fā)送狀態(tài)，依次發(fā)送XY幀頭、輔助數(shù)據(jù)和保留數(shù)據(jù)。發(fā)送模塊的代碼中定義了數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)E1的幀頭、輔助數(shù)據(jù)及保留數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)將初始化數(shù)組的值。輔助數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)用于說(shuō)明子幀數(shù)據(jù)格式中的4 bit輔助數(shù)據(jù)用途，定義為2位二進(jìn)制數(shù)?！?0”表示音頻模式；“01”表示語(yǔ)音模式；“10”表示加強(qiáng)糾錯(cuò)模式；“11”為未來(lái)預(yù)留。保留數(shù)據(jù)共10 bit，默認(rèn)值為全零。

發(fā)送通道音頻子幀時(shí)，會(huì)分別發(fā)送左右聲道對(duì)應(yīng)的21 bit子幀。采用乒乓方式交替發(fā)送，直到96個(gè)子幀發(fā)送完成，進(jìn)入校驗(yàn)碼發(fā)送狀態(tài)。每發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，兩種幀頭X和Y將會(huì)交替使用[5]。

2.4.2 HBD3編碼

數(shù)據(jù)流在2.048 MHz參考時(shí)鐘串行發(fā)送后，為了滿足信道的傳輸，還需要對(duì)數(shù)據(jù)流HBD3編碼。在E1線路傳輸時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不能直接在線路傳輸，會(huì)引起很大的誤碼，影響接收端還原數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)流出現(xiàn)長(zhǎng)串“0”時(shí)，接收端長(zhǎng)時(shí)間收到低電平，沒(méi)有時(shí)鐘跳變，就不能恢復(fù)時(shí)鐘。HDB3編碼解決了這些缺點(diǎn)，當(dāng)原信碼出現(xiàn)長(zhǎng)連“0”串時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)雙極性高密度編碼，比其他碼型更適合E1線路傳輸。

2.4.3 CRC32校驗(yàn)?zāi)K

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check,CRC）一共4 bit，添加在數(shù)據(jù)幀的末尾。采用校驗(yàn)和算法，用于檢測(cè)消息是否被修改以及進(jìn)行數(shù)據(jù)糾錯(cuò)。校驗(yàn)碼生成多項(xiàng)式為X4+x+1產(chǎn)生。E1編碼發(fā)送端校驗(yàn)編碼器的輸入是一幀中的全部音頻數(shù)據(jù)，即96個(gè)音頻字，1 920 bit產(chǎn)生一個(gè)4 bit校驗(yàn)字。

當(dāng)E1接收解碼端檢測(cè)到校驗(yàn)碼發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，將主動(dòng)重復(fù)前一幀的音頻數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)流出現(xiàn)中斷，引起音頻信號(hào)斷續(xù)播放。

2.5 E1線路接收模塊

2.5.1 接收模塊狀態(tài)機(jī)

E1線路接收模塊收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙極性解碼，恢復(fù)出整個(gè)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)幀。

在進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)接收時(shí)，仍然用verilog語(yǔ)言編寫狀態(tài)機(jī)。接收的過(guò)程和E1數(shù)據(jù)發(fā)送模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)化正好完全相反（見(jiàn)圖7）。

接收空閑時(shí)處于idle狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)輸入指示后跳入幀頭接收狀態(tài)。這一步是恢復(fù)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，出錯(cuò)后將會(huì)導(dǎo)致后面的音頻數(shù)據(jù)亂序，出現(xiàn)爆破音。連續(xù)不停地進(jìn)行數(shù)據(jù)接收判斷，看X幀數(shù)據(jù)“111010111001000”和Y幀數(shù)據(jù)“0001010001101111”是否出現(xiàn)。出現(xiàn)后依次跳轉(zhuǎn)至輔助數(shù)據(jù)接收狀態(tài)和保留數(shù)據(jù)狀態(tài)，完成后就開始進(jìn)行AB音頻數(shù)據(jù)子幀的恢復(fù)。這里左右聲道的數(shù)據(jù)幀按照乒乓的方式進(jìn)行接收，分別將數(shù)據(jù)存到對(duì)應(yīng)的緩存區(qū)。完成所有數(shù)據(jù)幀接收后，進(jìn)行整個(gè)數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)和計(jì)算。如果計(jì)算結(jié)果和接收幀末尾的校驗(yàn)碼不吻合，判斷這一幀數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，主動(dòng)重復(fù)前一幀的音頻數(shù)據(jù)；如果結(jié)果吻合，就進(jìn)入下一個(gè)E1數(shù)據(jù)幀的接收。

2.5.2 延遲鎖相環(huán)

在接收來(lái)自發(fā)送端的數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸，必須解決接收端和發(fā)送端時(shí)鐘一致性的問(wèn)題。這時(shí)兩邊的參考時(shí)鐘頻率是有差異的，必須采用數(shù)字延遲鎖相環(huán)進(jìn)行鎖相（見(jiàn)圖8），使收端和發(fā)端的時(shí)鐘頻率保持一致。

圖8 數(shù)字延遲鎖相環(huán)

鑒相器將E1線路的輸入時(shí)鐘和設(shè)備參考時(shí)鐘進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位差控制接收端輸出時(shí)鐘變化。當(dāng)二者的頻率完全相等時(shí)，相位差將保持恒定，收發(fā)時(shí)鐘完全同步。準(zhǔn)確產(chǎn)生恢復(fù)時(shí)鐘后，就可以在適當(dāng)?shù)拈g隔對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣以恢復(fù)音頻數(shù)據(jù)。

3 傳輸測(cè)試結(jié)果

為了直觀地反映音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的編解碼處理以及E1線路傳輸之后引起的變化，對(duì)整個(gè)傳輸鏈路進(jìn)行了測(cè)試。

（1）將音樂(lè)節(jié)目送入音頻輸入端，從E1信道傳輸后，用耳機(jī)監(jiān)聽(tīng)接收端還原出來(lái)的音頻節(jié)目，聲音無(wú)斷點(diǎn)、無(wú)底噪、音質(zhì)無(wú)損，滿足節(jié)目傳輸需求。

（2）將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)送入音頻輸入端，從E1信道傳輸后，將接收端還原出來(lái)的音頻信號(hào)送入標(biāo)準(zhǔn)音頻分析儀進(jìn)行指標(biāo)分析，測(cè)試結(jié)果如表1所示，完全滿足國(guó)家廣播甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 音頻指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

基于E1信道傳輸?shù)囊纛l編解碼器，采用了數(shù)字處理芯片及大規(guī)模FPGA，集成度和穩(wěn)定性很高，能夠低失真地播出節(jié)目。利用SDH、PDH、微波的2M通道，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸音頻節(jié)目。配合E1接口分配器，還可以實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收的廣播式傳輸音頻節(jié)目?？梢栽谑?、市、縣、鄉(xiāng)級(jí)地區(qū)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離傳輸音頻。通過(guò)E1信道的時(shí)分復(fù)用特性，還可以任意在指定的區(qū)間添加其他節(jié)目和控制指令，為以后設(shè)計(jì)升級(jí)提供思路。