為什么A2B能夠支持更復雜的新數據和音頻傳輸系統

摘要

ADI公司A2B^?總線(xiàn)的全新增強功能為數據和音頻傳輸與分發(fā)帶來(lái)新的發(fā)展。智能樓宇、大廳、房間或智能家居均可從新型收發(fā)器的眾多集成特性中獲益。新的A2B增強功能包括總線(xiàn)長(cháng)度更長(cháng)，可達300米，并且總線(xiàn)功率更高，可達50 W。本文重點(diǎn)介紹了這些增強功能如何幫助打造更復雜的系統。文中展示了一些應用示例，其中A2B總線(xiàn)可以幫助簡(jiǎn)化布線(xiàn)架構，而涉及的硬件和軟件工作量非常少。

引言

A2B是一種雙向高帶寬數字音頻總線(xiàn)，能夠在很長(cháng)的距離上（節點(diǎn)間的距離長(cháng)達30 m，整個(gè)總線(xiàn)長(cháng)度為300 m），使用一條2線(xiàn)式非屏蔽雙絞線(xiàn)(UTP)電纜傳輸I2S/TDM/PDM數據、I2C/SPI控制信息以及時(shí)鐘和供電信號。該總線(xiàn)在汽車(chē)應用和統一通信應用中已經(jīng)非常成熟。通過(guò)不斷的深入開(kāi)發(fā)，A2B還可用于許多商業(yè)和工業(yè)用途。

商業(yè)、辦公和公共建筑要求公共廣播系統(PA)持續可用。PA是由麥克風(fēng)、放大器、揚聲器和相關(guān)設備組成的電子系統。它能提高人聲、樂(lè )器或其他聲源的響度。舉例而言，這種系統可以取代傳統的警報系統。在緊急情況下，清晰的語(yǔ)音指示比傳統的警報器更能有效地引導人們做出正確的反應，幫助人們更好地理解情況，并有可能避免災難的發(fā)生。

此外，音樂(lè )分發(fā)、語(yǔ)音警報、廣播和對講功能可以成為該系統的一部分，系統的復雜性因而會(huì )增加。隨著(zhù)系統不斷發(fā)展，以及對額外廣播功能的需求不斷增加，設計變得越來(lái)越復雜。A2B技術(shù)可能有助于滿(mǎn)足這一需求。

為了服務(wù)大量節點(diǎn)，使用以太網(wǎng)作為物理層時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)都需要配備昂貴的微控制器。此方法常用于簡(jiǎn)單的音頻和控制設備。除以太網(wǎng)外，100V線(xiàn)路也被使用，并具有通過(guò)電纜傳輸電力的優(yōu)勢，但它們在一個(gè)方向上只能傳輸一個(gè)音頻信號，無(wú)法添加數據通信，并且所需的變壓器非常笨重。

這就是A2B發(fā)揮作用的地方。A2B讓本地相關(guān)設備（如揚聲器、麥克風(fēng)、對講站、控制面板和傳感器）能夠通過(guò)簡(jiǎn)單線(xiàn)纜以菊花鏈形式連接起來(lái)。

A2B易于使用和實(shí)施，是理想的解決方案。A2B收發(fā)器可以連接到設備，用戶(hù)將獲得64個(gè)雙向音頻通道（32個(gè)下行通道和32個(gè)上行通道），這些通道可以配對，與位于端點(diǎn)的外圍設備進(jìn)行I2C/SPI/GPIO通信。無(wú)需開(kāi)發(fā)或使用更復雜的時(shí)隙協(xié)議棧。

A2B是一種高速雙向時(shí)間同步總線(xiàn)，可傳輸I2S/TDM以及I2C、SPI、GPIO數據，數據速率為50 Mbps。這種高速數據傳輸的優(yōu)勢是任意兩個(gè)節點(diǎn)之間的延遲低至50 μs。

借助非屏蔽雙絞線(xiàn)(UTP)，可將多達17個(gè)節點(diǎn)（包括主節點(diǎn)）以菊花鏈形式連接到一條總線(xiàn)上?？偩€(xiàn)長(cháng)度可長(cháng)達300米，而每個(gè)節點(diǎn)之間的距離可達30米。通信可以從一個(gè)節點(diǎn)到另一個(gè)節點(diǎn)，這意味著(zhù)如果選擇48 kHz和16位，則每個(gè)節點(diǎn)都可以向任何其他節點(diǎn)發(fā)送32個(gè)音頻通道。數據大小可以根據不同的需求確定，數據速率可以設置為1.5 kHz至192 kHz之間。數據寬度越小、數據速率越低，可用通道數越多。

另一大亮點(diǎn)是總線(xiàn)功率，整條總線(xiàn)可以傳輸高達50 W的功率。因此，節點(diǎn)可以通過(guò)總線(xiàn)遠程供電，而無(wú)需額外的本地電源。中等輸出功率的揚聲器節點(diǎn)也可以通過(guò)A2B總線(xiàn)供電。但是，如果功率需求更高，則需要外部電源。

圖1 A2B網(wǎng)絡(luò )及其相連模塊的設置示例

圖1展示了A2B總線(xiàn)的靈活性，它能簡(jiǎn)化系統設計和配置。由于收發(fā)器已經(jīng)集成了許多模塊和接口，因此通常不需要單獨的微控制器即可運行。

如圖所示，簡(jiǎn)單的節點(diǎn)是一個(gè)麥克風(fēng)陣列，它采用AD2437收發(fā)器?？蛇B接多達四個(gè)PDM麥克風(fēng)。這種麥克風(fēng)陣列可用于定位噪聲源以執行噪聲消除，或找到音頻的到達方向。在這種情況下，可以從相鄰背景噪聲中提取該音頻源。由于總線(xiàn)延遲非常低，此陣列不一定需要位于同一個(gè)節點(diǎn)上。它可以輕松地分布于房間內不同位置的多個(gè)節點(diǎn)。電源將從總線(xiàn)獲取，因為此節點(diǎn)的功耗非常低，無(wú)需單獨的電源。因此，解決方案非常小且易于安裝。例如，我們設計過(guò)一個(gè)尺寸為35mm × 19mm的節點(diǎn)，其中包括導線(xiàn)連接器和總線(xiàn)電源電路。

如果需要更復雜的功能，可以通過(guò)I2S輸出將單獨的D類(lèi)或任何其他功率放大器連接到AD2437。此外，還可以連接音頻編解碼器。由于音頻通常不會(huì )隨時(shí)中斷，因此可以采用I2C接口來(lái)并行設置功率放大器或編解碼器。借助這種配置，可以創(chuàng )建一個(gè)簡(jiǎn)單的總線(xiàn)供電對講終端。AD2437還具有GPIO，其中一些提供脈沖寬度調制(PWM)輸出。這可以用作鍵盤(pán)端口輸入來(lái)與主機交互。如果按下某個(gè)鍵，主機就會(huì )收到中斷，從而可以建立通信。PWM輸出可用于指示通信是否處于活動(dòng)狀態(tài)，驅動(dòng)LED（指示連接狀態(tài)），以及指示所需的所有其他信息。這種簡(jiǎn)單但有效的功能不需要單獨的微控制器，整個(gè)系統的軟件工作得以簡(jiǎn)化。

復雜度更高的對講終端（如帶有圖形用戶(hù)界面(GUI)）可以使用微控制器通過(guò)SPI獲取數據。請注意，SPI總線(xiàn)最大速度為10 Mbps。

對于純揚聲器節點(diǎn)（可能位于天花板或建筑物的其他部分，需要更高輸出功率），外部電源將足以滿(mǎn)足需求?？偩€(xiàn)電源不需要插入到主機節點(diǎn)，可以將其插入到任何中間節點(diǎn)的某個(gè)位置，以減輕電纜內的電流壓力。

圖2 公共廣播系統示例

在很多其他應用中，功能豐富的A2B也優(yōu)于以前使用的技術(shù)，可以取而代之。這些應用包括需要通信和多通道音頻傳輸的應用。

護士呼叫/通知系統由以太網(wǎng)配置組成，復雜度較低。在這種情況下，將有一個(gè)房間控制器通過(guò)以太網(wǎng)連接，但與患者終端的連接將通過(guò)A2B運行。此配置能夠通過(guò)一根UTP電纜將所有必要的音頻、數據和電源傳輸到房間內分布的多達16張床位。每個(gè)終端都可以輕松配備一個(gè)小型微控制器，以便為每位患者提供豐富的音頻通道選擇。顯示屏可以指示通道選擇、時(shí)間和警報狀態(tài)。警報按鈕可以直接連接到其中一個(gè)GPIO，以觸發(fā)房間控制器上的中斷。此外，如果患者行動(dòng)受限，選定的終端可以即時(shí)將麥克風(fēng)信號傳輸到房間控制器。系統可以轉換選定的關(guān)鍵詞并觸發(fā)警報。

由于此環(huán)境的安裝可能變化多端，因此系統必須支持方便地修改其設置。網(wǎng)絡(luò )中終端的添加和刪除將由主機提供的即插即用協(xié)議棧處理。為了在移除的終端上保持菊花鏈配置，可以使用一個(gè)小型適配器來(lái)橋接缺失的節點(diǎn)。如果通信中斷，診斷程序將報告故障。

A2B總線(xiàn)的超低延遲和完全同步行為對柜臺對講系統也有益。多個(gè)麥克風(fēng)可以位于不同位置，使用波束成形技術(shù)清晰地分離柜臺前講話(huà)者的聲音通道。所有來(lái)自鄰近人員的背景噪音都將被抑制。任何隔音屏障（如玻璃墻）之間都可以建立清晰的對話(huà)。通常，柜臺、醫院的隔離區域或潔凈室設施都很適合采用此類(lèi)解決方案。

圖3 柜臺對講系統示例

類(lèi)似地，監獄對講系統中的所有麥克風(fēng)數據都可以傳輸到主機系統，許多音頻通道（如不同的無(wú)線(xiàn)電頻道）可以廣播到每間牢房。

使用波束成形的另一個(gè)典型例子是會(huì )議系統，允許在會(huì )議室中放置許多麥克風(fēng)。語(yǔ)音轉文本系統需要能夠將不同說(shuō)話(huà)者的音頻信號清晰分離。由于延遲低，所有麥克風(fēng)通道可以同時(shí)傳輸到主機控制器或數字信號處理器(DSP)，以計算不同的波束位置。

另一種方法是使用座位到座位桌面麥克風(fēng)或耳機，并將其連接到口譯系統。在這里，所有與會(huì )者都可以獲得自動(dòng)翻譯成各自母語(yǔ)的個(gè)性化音頻數據。通過(guò)使用較低質(zhì)量的音頻帶寬，系統可以支持相當多的通道。因此，主機可以接收所有麥克風(fēng)信號，并輕松進(jìn)行優(yōu)先級排序。排序方式可以基于信號強度從高到低，也可以采用系統控制的方式，僅向選定的人員開(kāi)放語(yǔ)音。在這種情況下，所有終端都可以通過(guò)總線(xiàn)供電，而不需要在桌子上布置局部電源。

家用自動(dòng)化系統日益普及，其便捷的燈光、暖氣、空調和卷簾控制功能廣為人知。除此之外，這些系統還需要將音頻分發(fā)到許多房間。這樣，您在房屋的任何位置都能聽(tīng)到門(mén)鈴聲，即使在浴室中聆聽(tīng)高音頻品質(zhì)的收藏播放列表也不例外。將音頻流傳輸到家中任何位置的功能，以及支持麥克風(fēng)通過(guò)語(yǔ)音命令控制房屋的功能，都非常實(shí)用。相較于通過(guò)WLAN進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接，有線(xiàn)連接可提供更可靠的鏈路并減輕無(wú)線(xiàn)流量負載。

A2B非常適合專(zhuān)業(yè)音頻系統、家庭錄音室和現場(chǎng)舞臺設施，利用CAT5或XLR等現有電纜技術(shù)就能輕松實(shí)現音頻連接。

讓我們來(lái)更深入了解A2B總線(xiàn)，以及它如何能夠雙向處理如此多的音頻通道。A2B總線(xiàn)以48 kHz心跳的方式通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送超幀。數據以1024倍的速率傳輸，總線(xiàn)上的數據流頻率達到49.152 MHz。超幀由兩部分組成：一部分是上行，另一部分是下行，通信由同步控制幀和同步響應幀啟動(dòng)。在下行/上行時(shí)隙內插入所有I2S/TDM數據、I2C數據、GPIO和中斷信息。

主機生成時(shí)鐘，所有節點(diǎn)與該時(shí)鐘同步，使得系統始終同步。同步控制幀中的前同步碼確保所有節點(diǎn)同步并且可向外設提供時(shí)鐘。這樣做的好處是整個(gè)音頻鏈不需要額外的時(shí)鐘、本地振蕩器或異步采樣速率轉換器。

圖4 A2B超幀

圖5 A2B數據流

啟動(dòng)時(shí)，直連到第一個(gè)A2B收發(fā)器芯片（如AD2437）的主機處理器將把它設置為主節點(diǎn)。主機處理器提供穩定的48 kHz信號，收發(fā)器將開(kāi)始用其鎖相環(huán)(PLL)鎖定該信號。主節點(diǎn)設置完成后，它開(kāi)始逐個(gè)啟動(dòng)子節點(diǎn)。

SigmaStudio+軟件支持全系統設置，包括音頻通道和節點(diǎn)配置。它是一款圖形化編程、診斷和調整工具，允許設計人員添加音頻編解碼器、D類(lèi)放大器等外設，輕松創(chuàng )建A2B網(wǎng)絡(luò )的圖形用戶(hù)界面。針對Linux系統的軟件協(xié)議棧和即插即用協(xié)議棧都已提供，便于在運行期間添加或刪除總線(xiàn)上的節點(diǎn)。

帶XLR或RJ45連接器的主評估模塊或子節點(diǎn)評估模塊支持A2B，包括電源傳輸。

結論

新型A2B收發(fā)器的功能進(jìn)一步增強，例如電纜更長(cháng)且總線(xiàn)功率更高，這為各種應用開(kāi)拓了廣泛的機會(huì )，尤其是在需要通過(guò)簡(jiǎn)單布線(xiàn)將多個(gè)音頻通道連接到控制數據的情況下。如果總線(xiàn)上連接的設備既有簡(jiǎn)單節點(diǎn)，也有復雜節點(diǎn)，那么總線(xiàn)允許即使在不太復雜的節點(diǎn)上也能采用低成本硬件實(shí)現。即使在非音頻應用中，例如準確同步的傳感器網(wǎng)絡(luò )，A2B也能顯著(zhù)簡(jiǎn)化應用。

關(guān)于作者

Roland Prager是ADI公司的一名現場(chǎng)應用工程師。他擁有維也納新城大學(xué)商業(yè)與工程專(zhuān)業(yè)DI (FH)學(xué)位。他的職業(yè)生涯始于對講系統電子設計師，后于2001年成為一名現場(chǎng)應用工程師。他于2018年加入ADI公司。