数字音频接口技术

数字音频接口技术
一、AES/EBU标准概述
AES/EBU标准定义了单线单向传输数字音频数据的串行通信接口。遵照它的协议，各种数字音频设备如CD机、DAT、DAC等可以相互交换数字音频数据、定时信息、控制信息等。它分为专业用途和民用用途两部分。
1.标准演变过程
专业用途的标准和民用用途的标准非常相似，它们由各种组织分别发布。
早期内部串行数字音频总线格式是SONY公司在其PCM-F1数字音频处理机中应用的，这种连接方式包括三条信号线DATA、BCK、LRCK。DATA是交替传输的左右声道数据，BCK是位时钟，LRCK是左右声道标记时钟，用来识别DATA信号中左右声道数据，另一个较早的格式是SONY公司用在其转盘PCM1610/1630上的SDIF-2（索尼数字接口-2）。
这种格式包括三种信号：左声道数据、右声道数据、字时钟。主要的数字音频接口出现在SDIF-2格式之后，它们是SONY和philips。
公司联合制定的是S/PDIF（Sony/Philips Digital Interface）和AES/EBU规格。AES是美国的声频工程协会，EBU是欧洲广播联盟。AES/EBU格式是为专业用途制定的，它于1985年成为标准，在1992年进行过修订。S/PDIF是为民用设计的，在早期CD唱机中应用广泛。这两种接口格式1987在日本由EIAJ完成标准化，命名为CP-340数字音频接口规范。AES/EBU专业格式命名类型I或广播级。S/PDIF格式命名为类型II或民用级。1989年国际电工委员会在IEC-958数字音频接口规范的名称下发表了相同的标准。此标准是目前最新的民用产品的规范。虽说标准的名称有很多，实际上只有专业和民用的区分。
在硬件方面，专业用途采用平衡方式传输，信号幅度较大，为5Vp-po信号线为平衡数码线。配SLR卡侬接口，阻抗110欧姆。民用用途采用单端方式传输，信号幅度为0.5Vp-p，常用的信号线为75欧姆同轴数码线。按道理75欧姆同轴线应选用BNC接口，可保证阻抗匹配，减小信号反射，减小时基误差。但市面上所见的商品化的数码线，均采用RCA莲花插头。RCA接口一般用来传输音频信号。接口阻抗不稳定，现用来传输数兆的数字信号，用在此处似乎不妥。另外，常见的传输媒介有Toslink光纤、AT&T.光纤的好处在于能够实现电气隔离，防止数字噪音通过地线传输。缺点是要经过电光、光电转换，会引进较大的时基误差。也有把专业用途的平衡传输方式应用在民用机上的。
专业用途和民用用途在软件上的唯一区别就是子码中的通道状态块的不同。两者有不同的定义。除此之外，并没有其它不同的地方。
2.数字音频接口数据结构
数字音频接口是一种单线单向串行传输数字音频数据的接口。它能够传输两个声道的数字音频数据、相关的控制信息，有一

些检测错误能力。一个声音样本附带有一位控制信息，这些控制信息汇集成一个控制块。信号是双相调制的，可以从信号中恢复时钟。引导符用来区分块边界和每一个声音样本。
a）帧、子帧和块的结构音频数据放在一个被称为子帧（Sub-frames）有结构里。包含一个4位的引导符，4位的辅助数据，20位的音频数据。三位分别称为合法标记、用户位、通道状态。另外还有一个校验位。引导符标识子帧的开始。按照子帧的数据容量，音频样本最大可达到24位，这点非常令人激动，只要把时钟频率加倍，我们就能够通过数字音频接口传输24位96kHz的数字音频信号。在音频样本大于20位时，数据同时占据辅助和音频数据域。在音频样本小于等于20位时，数据存放在音频数据域中，辅导数据可用于其它应用方面，例如语音数据。音频数据在子帧中是最低有效位在先，最高有效位在后。合法标记位，表示此音频样本是正确的，没有包含错误，适合作数模转换。如果音频样本有错，例如CD唱片上的不可恢复的缺陷，CD-DSP无法进行纠错，它将把此音频样本标记为含有错误，留待以后的电路部分作适当的处理。用户位没有定义，可由用户随意使用。通道状态位包含有重要信息。通道状态块由192位组成，每个音频样本附带一位通道状态位，左右声道的通道状态块是独立的。每192帧通道状态块更新一次。校验位为偶校验位，可检出子帧中奇数个错。
两个前后相连的子帧组成一个帧，192个帧组成一块。引导符用来区分每一个通道及块的开始。
b）双相调制及引导符
信号的调制方法为双相标记编码，这种方法能够减小直流分量，并且可以从数据中恢复时钟成份。这是个优点也是个缺点，优点是能够用一根线同时传输和时钟，缺点是数据对时钟稳定性的干扰比较大，容易引起较大的时基误差。
数据为“1”时信号翻转一次，数据为“0”时信号不翻转，在数据的边界要翻转一次。通过判别信号翻转情况就能恢复出原始数据，并且与信号极性无关，所以信号传输时不必考虑极性问题，可反相传输。
每一个子帧都从引导符开始，这样，接收器能够很容易地识别出每一个子帧。引导符有三种类型。X、Y、Z。X代表通道A，Y代表通道B，Z代表通道A，并且代表开始，它们的作用是一致的。
引导符的编码与普通数据有很大不同。普通数据编码最长2个时钟要翻转一次，引导符最长3个时钟才翻转，这样，接收器很容易识别引导符。在一个块中有192个Y引导符，191个X引导符，一个Z引导符，在块的开始，Z引导符代替了一个X引导符。
在一个块中，通道A、B各有一个192位长的块。组成24字

节的通道状态。通道状态块的第一个位用来区分专业用途和民用用途。“0”表示民用用途，“1”表示专业用途。
c）专业用途、民用用途
3、媒介接口（Media Interface）
数字音频信号是通过特定的传输媒介传送的，常见的有同轴电缆、Toslink光纤、AT&T光纤、平衡线等。
不同的传输媒介其接收器电路和器件是不同的，下面分别予以介绍。
a）Toslink光纤
Toslink光纤是东芝公司开发的一种光纤连接技术。它以Toshiba+link= Toslink为名。Toslink光纤大量应用在普通的CD唱机上，许多中低价位的CD唱机都有Toslink发送器。
在CD转盘或唱机上装有光纤发送器，CD-DSP芯片输出的双相调制的数字音频信号，送到Toslink光纤发送器，在那里由电信号转化为光信号，再通过光纤中的光导纤维传输此光信号，直到DAC侧的光纤接收器，由接收器把光信号变回电信号。光纤连接方式的优点是可以实现电气隔离，有利于提高DAC的信噪比。缺点是信号经过两次转换，容易引起严重的时基抖动。光纤常用的材料有塑料、玻璃、石英，以石英光纤性能最好，价格也最昂贵。光纤发送器、接收器常见的品牌有NEC、SHARP、TOSHIBA等，相互间电气性能是一致的，可以通过光纤互相连接。下面以NEC PLR102为例，介绍光纤接收器的规格特性。表1、表2为其电参数。
b）数字同轴接口
数字同轴接口采用阻抗75Ω的同轴电缆为传输媒介，同轴电缆的优点是阻抗恒定，传输频带宽，优质的同轴同电缆频宽可达数百兆赫。在几种传输媒介中，数字同轴是时基误差最小的。同轴电缆的接头采用仪器上常见的BNC头，BNC头的阻抗为75Ω，与75Ω的同轴电缆配合，可保证阻抗恒定，减小传输中的反射现象。现在市面上所见的成品数码线，均采用RCA莲花头，其实是不规范的做法。RCA头本身没有稳定的阻抗特性，随着使用情况的不同，它的阻抗时高时低，对声音有可闻的影响，但积习难返，目前很难改变这种局面。数字同轴接口传输的电平为0.5Vp-p，需要一个接口电路把它转换为标准的TTL电平。
数字同轴接口电路应用东芝产74HCU04逻辑芯片信号线性放大，每个逻辑门加上220KΩ的的偏置电阻，使之工作于线性放大区。输入信号经过二次整形、放大，输出标准的TTL电平到双相解调芯片，双相调制信号和相位无关，所以电路不必考虑正反相问题。