AES 多功能監(jiān)聽耳機(jī)的開發(fā)及在數(shù)字化廣播電臺中的應(yīng)用

張科峰

（河南廣播電視臺，河南 鄭州 450003）

0 引言

在廣電行業(yè)數(shù)字化的今天，廣播節(jié)目的各個環(huán)節(jié)使用了大量數(shù)字音頻設(shè)備。雖然數(shù)字設(shè)備優(yōu)點(diǎn)諸多，但它也存在一些不便。因此，根據(jù)實際工作需要開發(fā)了一款具有數(shù)字音分功能并可同時監(jiān)聽AES/EBU 數(shù)字信號、模擬信號和調(diào)頻信號的多功能監(jiān)聽耳機(jī)。目前，該款耳機(jī)在河南廣播電視臺的實際工作應(yīng)用中取得了令人滿意的效果。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

多功能數(shù)字監(jiān)聽耳機(jī)的整體設(shè)計方案如圖1所示。調(diào)頻收音機(jī)的輸出信號經(jīng)過“信號切換2”選擇后輸出到耳機(jī)左右單元。數(shù)字/模擬音頻信號進(jìn)入“信號切換1”，根據(jù)輸入信號類型分為兩種情況進(jìn)行處理。如果輸入的音頻信號是模擬信號，直接送到“信號切換2”，選擇后輸出到耳機(jī)的左右單元；如果輸入的音頻信號是數(shù)字信號，則送到“數(shù)字音分”模塊并分成兩路［1］，一路直接輸出數(shù)字信號，另一路送入“AES 解碼模塊”，解碼后的信號再送到“D/A 模塊”，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后的模擬信號再通過“信號切換2 ”選擇后送到耳機(jī)的左右單元輸出。

2 AES/EBU 分配解碼轉(zhuǎn)換設(shè)計

數(shù)字信號分配解碼轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計是系統(tǒng)核心，其電路設(shè)計主要由數(shù)字音分、AES/EBU 解碼及D/A 轉(zhuǎn)換3 部分組成，各部分使用的芯片分別為SN75176B、CS8416 及CS4344。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 數(shù)字音分模塊SN75176B

解碼器數(shù)字信號的輸入和輸出通常采用RS-422 方案，而SN75176B 是一款標(biāo)準(zhǔn)的RS-422 通信芯片。SN75176B 是差分總線收發(fā)器［2］，專為雙向多點(diǎn)總線傳輸線路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，符合或超過ANSI TIA/EIA-422-B 標(biāo) 準(zhǔn)、TIA/EIA-485-A 標(biāo) 準(zhǔn)以及ITU-T V.11/X.27 標(biāo)準(zhǔn)的建議。SN75176B 作為數(shù)字信號音頻分配單元，最多可以設(shè)計32 路數(shù)字音分［3］。

2.2 解碼模塊CS8416

CS8416 是Cirrus 公司的一款單片8 通道音頻解碼芯片，符合IEC 60958、S/PDIF、EIAJ CP1201 及AES3 接口標(biāo)準(zhǔn)。它的采樣頻率最高可達(dá)192 kHz，可用于消費(fèi)類和專業(yè)音頻設(shè)備交換AES/EBU 和S/PDIF 音頻數(shù)據(jù)［4］。它擁有超低抖動時鐘恢復(fù)機(jī)制，可從AES3 音頻流中產(chǎn)生非常干凈的恢復(fù)時鐘。CS8416 還有一個串行數(shù)字音頻輸出端口，使得用戶可以通過軟件模式下的可選控制端口或硬件模式下的可選引腳對芯片的解碼過程進(jìn)行設(shè)置。

2.2.1 CS8416 硬件配置模式

CS8416 工作模式的選擇、各種功能的設(shè)置及工作狀態(tài)的讀取，都是通過對相應(yīng)引腳外接上拉或下拉電阻（47 000Ω）實現(xiàn)的。它的主要的設(shè)置 引 腳 有RXSEL1、RXSEL0、SDOUT、RCBL、NV/RERR、AUDIO、C、U 及96 kHz 等。其 中，SDOUT 引腳用來配置芯片的工作模式（硬件/軟件）；AUDIO 和C 引腳通過不同的組合共同確定芯片輸出的音頻數(shù)據(jù)格式，共有I2C 24 bit、Right justified、Left justified 及Direct AES3 這4 種格式，對應(yīng)關(guān)系如表1所示，其中“↑”代表外接上拉電阻，“↓”代表外接下拉電阻。

設(shè)計中，CS8416 選擇以硬件和主模式進(jìn)行工作，芯片的引腳配置如表2 所示。其中，“↑”代表外接上拉電阻，“↓”代表外接下拉電阻。

2.2.2 CS8416 設(shè)計注意事項

CS8416 共有3 個引腳連接外部提供的電源，在電源接入芯片前應(yīng)對電壓進(jìn)行濾波處理，并對模擬地與數(shù)字地做隔離處理。FILT 引腳是一個低頻模擬信號輸入端口，設(shè)計時應(yīng)將PLL 電路的地與模擬地直接連接，并將電容盡可能靠近FILT 放置，以提高音頻時鐘重建的質(zhì)量。另外，在繪制PCB 時應(yīng)該把模擬元器件和數(shù)字元器件分開放置，以減少干擾。

表1 AUDIO 和C 引腳不同組合和輸出音頻數(shù)據(jù)格式對應(yīng)表

表2 CS8416 芯片引腳配置表

2.3 D/A 轉(zhuǎn)換模塊CS4344

CS4344 是Cirrus 公司的一款立體聲D/A 轉(zhuǎn)換輸出系統(tǒng)，體積非常小。在一個10 腳的封裝中它包含了插值、多位D/A 轉(zhuǎn)換及模擬輸出濾波功能，可提供192 kHz 的采樣速率，動態(tài)范圍可達(dá)105 dB，同時支持主流的音頻數(shù)據(jù)接口格式和一些獨(dú)立器件。CS4344 采用I2C 24 bit 串行數(shù)據(jù)模式，這是CS8416 選擇I2C 24 bit 模式的原因。CS4344D/A部分設(shè)計原理如圖3 所示。

2.4 AES/EBU 解碼轉(zhuǎn)換設(shè)計原理圖

CS8416 解碼部分原理如圖4 所示。其中，STDV709 是SUMLINK 公司的一款小型音頻數(shù)字隔離耦合器，作用是避免電路在相互通信時受損［5］。

3 調(diào)頻收音模塊設(shè)計

在耳機(jī)中增加調(diào)頻收音機(jī)功能，主要是為了在設(shè)備檢修時可以及時方便地對比發(fā)射前信號和發(fā)射后信號，從而快速判斷信號傳輸鏈路是否正常。調(diào)頻收音模塊芯片選用的是RDA5807FP。RDA5807FP 是一款專業(yè)的數(shù)字收音芯片，靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)以及外接元件極少，輸出可以直驅(qū)耳機(jī)單元。調(diào)頻模塊實現(xiàn)的功能主要有頻率顯示、自動搜臺及頻率存取等。

4 耳機(jī)電源模塊設(shè)計

為了提高耳機(jī)的便攜性，同時考慮到耳機(jī)的空間局限性，耳機(jī)內(nèi)置了兩節(jié)串聯(lián)的5 號3.7 V 鋰電池作為電源，并設(shè)計了專門的供電模塊和充電模塊，為芯片分別提供3.3 V 和5 V 兩種穩(wěn)定電壓。電池總?cè)萘繛? 500 mA，充滿一次電可供耳機(jī)連續(xù)使用8 h。

5 電路板開發(fā)設(shè)計

由于耳機(jī)內(nèi)部空間有限，為了盡可能縮小電路板的尺寸，所有的電阻和電容采用貼片形式。其中，兩個切換開關(guān)采用歐姆龍的超小型信號繼電器G6K-2G-Y，因此整塊電路板尺寸只有4.7 cm×4.7 cm。

6 AES/EBU 數(shù)字監(jiān)聽耳機(jī)的應(yīng)用

在廣播播控中心，這款多功能監(jiān)聽耳機(jī)可以方便快捷地監(jiān)聽任意數(shù)字節(jié)點(diǎn)。直播狀態(tài)下，監(jiān)聽數(shù)字設(shè)備信號主要有通過跳線盤監(jiān)聽和對數(shù)字音頻設(shè)備的輸出信號直接監(jiān)聽兩種方式。

6.1 通過跳線盤監(jiān)聽

設(shè)計耳機(jī)時充分考慮了數(shù)字信號不能并行傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，利用數(shù)字音分原理為耳機(jī)設(shè)計了一路單獨(dú)的數(shù)字輸出，使得監(jiān)聽時可以從上排跳線孔中取出信號送到耳機(jī)，并把耳機(jī)的數(shù)字信號輸出到下排跳線孔，從而實現(xiàn)在不停播的情況下監(jiān)聽數(shù)字信號的功能。如圖5 所示，信號從“0103”取出，又從“0203”送回。

6.2 直接監(jiān)聽數(shù)字音頻設(shè)備的輸出信號

耳機(jī)可以直接對數(shù)字音頻設(shè)備進(jìn)行監(jiān)聽。具體地，拔掉設(shè)備的信號輸出線，與耳機(jī)的數(shù)字信號輸出對接，同時把耳機(jī)的輸入接頭插到設(shè)備的輸出口上，以實現(xiàn)在不中斷信號傳輸?shù)那闆r下監(jiān)聽數(shù)字信號，如圖6 所示，更適合于數(shù)字設(shè)備直接相連的情況。

7 結(jié)語

廣播播控中心存在著大量的數(shù)字信號和模擬信號。采用這款耳機(jī)可以輕松實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號間的切換監(jiān)聽。另外，耳機(jī)中增加的調(diào)頻收音機(jī)功能方便了技術(shù)人員對發(fā)射前和發(fā)射后的信號進(jìn)行快速對比監(jiān)聽。目前，這款耳機(jī)已經(jīng)獲得兩項國家實用新型專利證書，在河南廣播電視臺播控中心、節(jié)傳中心、發(fā)射中心及覆蓋中心廣泛使用，取得了令人滿意的效果，具有極高的商業(yè)推廣價值。