基于LPC2138的AES3數字音頻接口設計

當今數字技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快，人們對廣播電視節目的質(zhì)量需求也越來(lái)越高。AES／EBU(Audio Engineering Society／European Broad cast Union)現已成為專(zhuān)業(yè)數字音頻較為流行的標準。大量民用產(chǎn)品和專(zhuān)業(yè)音頻數字設備如CD機、DAT、MD機、數字調音臺、數字音頻工作站等都支持AES3接口。AES3通過(guò)單根絞合線(xiàn)對來(lái)串行傳輸數字音頻數據，充分發(fā)揮了數字信號易處理、音質(zhì)優(yōu)良和抗干擾能力強的優(yōu)勢。它提供兩個(gè)信道的音頻數據，信道自動(dòng)計時(shí)和自同步，同時(shí)提供了傳輸控制的方法和狀態(tài)信息的表示和一些誤碼的檢測能力。
鑒于入們對高質(zhì)量音樂(lè )的追求以及AES3接口的縱多優(yōu)點(diǎn)，設計出一個(gè)能夠接收和發(fā)送AES3音頻信號的簡(jiǎn)單系統是很有價(jià)值的。本設計由LPC2138控制音響設備專(zhuān)用芯片實(shí)現AES3接口，只需簡(jiǎn)單地修改芯片配置，即可實(shí)現系統的特性調整及性能擴展，簡(jiǎn)單穩定，具有較強地實(shí)用價(jià)值。

1 AES3數字音頻接口簡(jiǎn)介
AES3接口在單根傳輸線(xiàn)上串行傳輸兩路數字音頻信號。每個(gè)音頻塊(Audio block)包含192幀，每幀包括2個(gè)子幀，即左有兩個(gè)通道，每個(gè)通道包含32個(gè)時(shí)隙(slot)。0～3時(shí)隙為X、Y、Z 3種幀頭，其中X和Y表示一個(gè)子幀的開(kāi)始，Z表示一個(gè)塊(block)的開(kāi)始。4～7時(shí)隙為輔助數據，8～27時(shí)隙為音頻數據位，音頻數據位可以多達24位。如果音頻數據超過(guò)20位，則4～7位將被用作音頻數據位。最后的4個(gè)時(shí)隙分別為有效位、用戶(hù)數據位、通道狀態(tài)位和奇偶校驗位。每192幀信號的通道狀態(tài)位組成通道狀態(tài)數據，通道狀態(tài)中含有豐富的音頻特征信息，通過(guò)獲取通道狀態(tài)數據便可以得知音頻信號是否是專(zhuān)業(yè)型，是否預加重，以及采樣頻率等信息。每一位的具體含義請參考文獻，本設計不做詳細介紹。AES3接口傳輸的數字音頻信號格式如圖1所示。

2 總體設計
本設計的信號源為模擬音頻信號、J2S串行音頻信號和傳輸線(xiàn)上接收到的AES3數字音頻信號。
模擬音頻信號經(jīng)調節后，送至模數轉換器，經(jīng)過(guò)48 k的采樣頻率采樣(本設計統一使用48 k的采樣率)，轉換成I2S數字音頻信號。I2S信號(包括模數轉換得到的I2S和I2S信號源的信號)送入SRC4382，SRC4382將I2S信號的采樣頻率轉換為48 k，并進(jìn)行格式轉換，轉換后得到的AES3信號可以通過(guò)單根絞合線(xiàn)進(jìn)行傳輸。相反過(guò)程，接收到的AES3數字音頻信號經(jīng)過(guò)采樣頻率轉換和格式轉換后，轉換為采樣率為48k的I2S信號。I2S信號可以直接作為輸出，也可以經(jīng)過(guò)數模轉換器后，再經(jīng)過(guò)濾波放大處理，轉化為模擬音頻信號輸出。整體框架的部署如圖2所示。

3 主要的硬件設計
3．1 LPC2138控制模塊
本設計中的微控制芯片需要提供I2C總線(xiàn)來(lái)控制CS5368、CS4382和SRC4382的操作模式，并且提供外部中斷接口來(lái)接收外部的中斷。LPC2 138微控制芯片是Philips公司的ARM7芯片，它擁有豐富的外部串行接口(UART、SPI以及I2C)，向量中斷控制器，支持實(shí)時(shí)調試和高速跟蹤執行代碼，是一款高性能低功耗的32位微控制器，在微控制領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應用。鑒于以上特性，本設計選用LPC2138作為微控制芯片，通過(guò)I2C總線(xiàn)接口實(shí)現CS5368、CS4382和SRC4382的內部寄存器配置，使這些器件工作在合適的工作狀態(tài)，并通過(guò)外部中斷接口實(shí)現中斷管理。
3．2 電源模塊設計
硬件系統平臺要求的供電電源電壓有：±12 V、5 V、3．3 V、2．5 V和1．8 V。其中±12 V和5 V是由變壓器直接輸入得到．3．3 V、2．5 V和1．8 V由電源IC轉換得到?！?2 V主要為運放供電，3．3 V、2．5 V和1．8 V電源芯片的輸入電壓均為5 V。其中，3．3 V電壓、2．5 V電壓和1．8 V電壓分別由芯片LM1085、TPS79325和LM1117-1．8輸出提供，輸出的2．5 V電壓提供給運放NE5532做基準電壓。
3．3 輸入模擬音頻調節模塊
模擬信號輸入前置電路，包括濾波限幅電路、阻容耦合電路和低通濾波衰減電路。模擬信號輸入前置電路主要用來(lái)隔離后級直流分量對前級的影響，限制輸入信號的幅度，濾去輸入信號中的高頻分量，濾除串擾噪聲。輸入模擬音頻信號電壓幅度比較大，不能直接作為A／D轉換器的輸入，因此前置電路必須對信號進(jìn)行衰減，同時(shí)基準電壓提高到2．5 V。如圖3所示。信號的衰減系數為：

3．4 輸出模擬音頻調節模塊
人耳能聽(tīng)見(jiàn)的音頻信號頻率范圍在20 Hz～20 kHz之間，而數字音頻信號經(jīng)過(guò)傳輸和D／A轉換后可能會(huì )引入各種噪聲，因此需要在D／A轉換后進(jìn)行低通模擬濾波來(lái)濾除噪聲。此處由一個(gè)隔直流電路(由C5與R15組成高通濾波器)和二階巴特沃茲低通濾波器，如圖4所示。圖中，二階巴特沃茲低通濾波電路引入正負反饋，用來(lái)去除信號的高頻分量。