一種袖珍式AES數字音頻監聽(tīng)儀的設計制作與應用

摘要：本文詳細介紹了一種袖珍式AES數字音頻監聽(tīng)儀的設計和制作過(guò)程，對該儀器在數字音頻領(lǐng)域中的應用場(chǎng)景進(jìn)行分析。儀器采用緊湊的一體化設計，具備數字接口、轉換電路、電池和揚聲器。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等專(zhuān)業(yè)音頻領(lǐng)域，通常使用AES/EBU格式進(jìn)行數字音頻數據傳輸，該儀器在涉及數字音頻領(lǐng)域的工程建設、系統維護等應用場(chǎng)景中應用廣泛。

關(guān)鍵詞：AES3；數模轉換；數字音頻

0 引言

廣播電臺機房的音頻傳輸標準采用國際標準 AES3 （AES/EBU，音頻工程協(xié)會(huì ) / 歐洲廣播聯(lián)盟）^[1] 格式，目前絕大多數正在廣播電臺的機房設備、大型音頻工程、高端民用音響，相互之間的音頻信號傳輸均采用這一標準。AES 也是一種單向傳輸，相對于早期的模擬信號，音頻數字化以后進(jìn)行傳輸，能夠消除線(xiàn)路上的噪聲和干擾，實(shí)現基本無(wú)損失的信號傳遞。特別是 CD 機等設備自帶 AES3 數字信號輸出口，發(fā)射機端帶有 AES3 數字信號輸入口，能夠實(shí)現從音源到發(fā)射機之間完全無(wú)損失的傳輸路徑。維護一個(gè)全數字化機房的設備和布線(xiàn)，相應地需要數字化的檢修維護儀器。

1 全數字化機房的檢修問(wèn)題

1.1 數字化機房運維

早期的模擬音頻信號線(xiàn)路，通過(guò)插接一個(gè)耳機或功放進(jìn)行監聽(tīng)，用一個(gè)音頻電平表或萬(wàn)用表測量信號電平，但數字信號無(wú)法直接監聽(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)音頻測試儀器功能強大，但操作也很復雜，對值班人員的要求高，檢修速度也不能很快，體積大，不利于隨身攜帶。大多數情況下，數字傳輸體系可靠性較高，故障多數來(lái)源于雙絞線(xiàn)斷開(kāi)、插頭開(kāi)焊、接線(xiàn)錯誤、光端機異常等。還有一類(lèi)故障是調音臺等數字設備的參數設置有誤，造成音頻信號缺聲道等“軟故障”，多發(fā)生在變更設備或工程建設初期的調試階段?，F代化的數字音頻設備復雜度很高，如果發(fā)生故障，一般是廠(chǎng)家才能對設備本身進(jìn)行檢修，或整機更換。本文所述儀器，功能定位于判斷某臺設備或某段線(xiàn)路的故障。

1.2 AES3信號的關(guān)鍵指標

使用示波器能夠觀(guān)察卡儂插座的 AES3 信號波形。如圖 1 是 AES3 信號實(shí)測的波形圖，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)際電纜中傳輸的信號幅度，這個(gè)信號如果沒(méi)有或者太低，就不能被接收設備識別?？偩职l(fā)布的有關(guān)標準 ^[1] 規定了這個(gè)信號的峰峰值電壓，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，將導致誤碼率高，接收設備工作異常。

3）數字編碼所代表的音頻內容。解碼是否正確只有解碼這個(gè) AES3 信號以后才能知道。

1.3 現狀和需求

音頻工程建設或系統維護期間，數字音頻傳輸是否準確，設備參數是否正常，通常使用一臺數模轉換器加一個(gè)耳機能夠 簡(jiǎn)單判斷，無(wú)需更專(zhuān)業(yè)的儀器設備。但專(zhuān)業(yè)的模數轉換器體積較大，在機房的維護區搬運移動(dòng)不方便，還需要額外電源，對 技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，負擔較重。

2 總體方案設計

袖珍式 AES 數字音頻監聽(tīng)儀，目的是解決上述一系列問(wèn)題。該設備在一個(gè)緊湊的小體積殼體內集成了數字接口、轉換電路、參數監看、測試按鈕、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(guān)聽(tīng)到 AES3 線(xiàn)路承載的音頻內容，快速排查線(xiàn)路故障。設計時(shí)還預留了有關(guān) AES3 數據傳輸的附加信息測量接口，能夠進(jìn)一步擴展功能。整體電路示意圖如圖 2 所示。

2.1 AES3接口電平轉換

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，不分極性。信號以不歸零調相編碼傳輸，但在每個(gè)數據塊的開(kāi)頭，采用了特殊的編碼方式作為標記^[2]。AES3線(xiàn)路電平是2-7 V，實(shí)際工程中基本采用 5 V 電平。信號在輸入到解碼電路時(shí)，要做電平轉換和平衡 - 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)可調電阻進(jìn)入下一級電路。使用這種電平轉換電路，通過(guò)事先校準 R2 的阻值，能夠測試到電平過(guò)高或過(guò)低的情形。

2.2 解碼和數模轉換電路

解碼部分采用了專(zhuān)用集成電路 CS8416，這個(gè)集成電路把 AES3 信號轉換成 I²S 信號。數模轉換部分采用了常用的CS4334集成電路，完成I²S到模擬音頻的轉換。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 聲道測試按鈕

針對立體聲廣播的測試需要 ^[3]，設置了兩個(gè)按鈕 S1 和 S3，按下其中一個(gè)，可以單獨測試某一個(gè)聲道。具體電路如電路圖 2 所示，實(shí)際上是兩個(gè)音頻信號對地短路的開(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)題在系統調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)傳統的線(xiàn)性功放。相對于 D 類(lèi)功放來(lái)說(shuō)，元件數量少，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, 適用于單節鋰電池供電的設備，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 用作音量調節。這個(gè)電位器通常旋轉到合適的某個(gè)位置就固定不動(dòng)了，作為對照測量時(shí)的參考 ^[4]；為避免誤動(dòng)作，并沒(méi)有安裝旋鈕，而是暗裝在殼體內部，通過(guò)殼體的小孔，用螺絲刀調節。

2.5 鋰電池和充電電路

電源部分采用了帶有充放電保護板的鋰電池如圖 2 中的 G1，容量 600 mAH。實(shí)測待機電流 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 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，驅動(dòng)電源開(kāi)關(guān)內部附帶的指示燈，在充電時(shí)和工作時(shí)都能亮起，作為指示。

2.6 備用的數據接口

AES 信號中，在數字音頻的數據以外，還同時(shí)傳輸附加的其他信息位，用來(lái)描述音頻信號格式和設備工作狀態(tài)。解碼這些信息需要采用單片機，圖中 IC2 和 X3 是預留的數據接口。

3 樣機制作和測試

實(shí)驗用的樣機采用了一個(gè)尺寸較小的成品塑料外殼，如圖 3 所示為內部結構和實(shí)物外觀(guān)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樣機內部結構和外觀(guān)

樣機制作比較粗糙，主要是功能驗證。經(jīng)過(guò)實(shí)測，完全達到了預期效果。

圖 4 是正在開(kāi)發(fā)中的另一個(gè)測試儀電路板，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)測波形和數據信息，功能更加完善。附帶的網(wǎng)絡(luò )接口能夠適應未來(lái) IP 化場(chǎng)景，相應的，軟硬件也更復雜一些。

圖4 正在開(kāi)發(fā)的新版本

由電路原理能看出，這種測試方法，不是完備的測試方法，仍存在一些缺陷有待解決。例如，信號存在超量的抖動(dòng)或時(shí)間同步出現問(wèn)題時(shí) ^[5]，仍然可能“測試正?！?，這是因為解碼芯片的默認工作狀態(tài)對這些異常沒(méi)有嚴格限定，導致冗余量太大，對故障反應不敏感。儀器在使用中不斷改進(jìn)，運維團隊群策群力，在確保廉價(jià)、便攜易用、低耗電的原則下，正在逐漸完善此測試儀器。未來(lái)也將適應 IP 化需求，研制 IP 網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的類(lèi)似儀器，提高運維水準。

4 結語(yǔ)

袖珍式 AES 數字音頻監聽(tīng)儀具有 AES/EBU 信號的音頻監聽(tīng)、參數監看功能，電池供電，體積小，便于攜帶，可以滿(mǎn)足在數字音頻工程施工和系統維護的需求，可廣泛應用于音頻工程建設、廣播電視行業(yè)等數字音頻領(lǐng)域。

參考文獻：

[1] GY/T 158-2000 演播室數字音頻信號接口[S].北京:國家新聞出版廣電總局,2000.

[2] GY/T 156-2000 演播室數字音頻參數[S].北京:國家新聞出版廣電總局,2000.

[3] GY/T 275-2013電臺節目制播質(zhì)量監測技術(shù)規范[S].北京:國家新聞出版廣電總局,201.

[4] GY/T 285-2004 數字音頻設備音頻特性測量方法[S].北京:國家新聞出版廣電總局,2004.

[5] GY/T 193-2003 數字音頻系統同步[S].北京:國家新聞出版廣電總局,2003.

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)