一種袖珍式AES數字音頻監聽儀的設計制作與應用

劉勇 李琚門 胡保禎 魏大鵬

摘 要：本文詳細介紹了一種袖珍式AES數字音頻監聽儀的設計和制作過程，對該儀器在數字音頻領域中的應用場景進行分析。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。儀器操作簡單、功耗低、體積小，極大方便了音頻技術人員的日常使用。在大型音頻工程或廣播電臺等專業音頻領域，通常使用AES/EBU格式進行數字音頻數據傳輸，該儀器在涉及數字音頻領域的工程建設、系統維護等應用場景中應用廣泛。

關鍵詞：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，音頻工程協會/歐洲廣播聯盟）[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，音頻數字化以后進行傳輸，能夠消除線路上的噪聲和干擾，實現基本無損失的信號傳遞。特別是CD機等設備自帶AES3數字信號輸出口，發射機端帶有AES3數字信號輸入口，能夠實現從音源到發射機之間完全無損失的傳輸路徑。維護一個全數字化機房的設備和布線，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題

1.1 數字化機房運維

早期的模擬音頻信號線路，通過插接一個耳機或功放進行監聽，用一個音頻電平表或萬用表測量信號電平，但數字信號無法直接監聽，也不能直接使用電平表進行檢查。在發生故障時，只能使用專業儀器進行故障判定，目前的專業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，故障多數來源于雙絞線斷開、插頭開焊、接線錯誤、光端機異常等。還有一類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”，多發生在變更設備或工程建設初期的調試階段。現代化的數字音頻設備復雜度很高，如果發生故障，一般是廠家才能對設備本身進行檢修，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路的故障。

1.2 AES3信號的關鍵指標

使用示波器能夠觀察卡儂插座的AES3信號波形。如圖1是AES3信號實測的波形圖，其中最重要的特征有三個。

1）X軸的電壓幅度，代表了實際電纜中傳輸的信號幅度，這個信號如果沒有或者太低，就不能被接收設備識別。總局發布的有關標準[1]規定了這個信號的峰峰值電壓，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、上升下降沿時間和噪聲，波形應該清晰明確，具有合適的上升下降時間。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耳機能夠簡單判斷，無需更專業的儀器設備。但專業的模數轉換器體積較大，在機房的維護區搬運移動不方便，還需要額外電源，對技術人員來說，負擔較重。

2 總體方案設計

袖珍式AES數字音頻監聽儀，目的是解決上述一系列問題。該設備在一個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隨身攜帶的儀器，能夠直觀聽到AES3線路承載的音頻內容，快速排查線路故障。設計時還預留了有關 AES3數據傳輸的附加信息測量接口，能夠進一步擴展功能。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，但在每個數據塊的開頭，采用了特殊的編碼方式作為標記[2]。AES3線路電平是2-7 V，實際工程中基本采用5 V電平。信號在輸入到解碼電路時，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信號經過隔直電容和變壓器耦合，然后經過一個可調電阻進入下一級電路。使用這種電平轉換電路，通過事先校準R2的阻值，能夠測試到電平過高或過低的情形。

2.2 解碼和數模轉換電路

解碼部分采用了專用集成電路CS8416，這個集成電路把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。兩個集成電路均采用典型電路，在圖2中作為一個組件IC1。

2.3 聲道測試按鈕

針對立體聲廣播的測試需要[3]，設置了兩個按鈕S1和S3，按下其中一個，可以單獨測試某一個聲道。具體電路如電路圖2所示，實際上是兩個音頻信號對地短路的開關，按下時能夠短路掉一個聲道，從而僅能聽到另一個聲道。立體聲缺聲道問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這個集成電路，是一個傳統的線性功放。相對于D類功放來說，元件數量少，沒有電磁干擾，喇叭中安靜無雜音。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2 W，能夠提供足夠大的音量。

功放前面加入一個電位器R6用作音量調節。這個電位器通常旋轉到合適的某個位置就固定不動了，作為對照測量時的參考[4]；為避免誤動作，并沒有安裝旋鈕，而是暗裝在殼體內部，通過殼體的小孔，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小時或者工作1-6小時左右，能夠滿足要求。

X2S是一個Micro USB充電接口。二極管D2和D3組成“或門”電路，驅動電源開關內部附帶的指示燈，在充電時和工作時都能亮起，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，還同時傳輸附加的其他信息位，用來描述音頻信號格式和設備工作狀態。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

實驗用的樣機采用了一個尺寸較小的成品塑料外殼，如圖3所示為內部結構和實物外觀的照片。外殼開孔，也作為喇叭的共鳴腔體，使聲音渾厚響亮。

樣機制作比較粗糙，主要是功能驗證。經過實測，完全達到了預期效果。

圖4是正在開發中的另一個測試儀電路板，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測波形和數據信息，功能更加完善。附帶的網絡接口能夠適應未來IP化場景，相應的，軟硬件也更復雜一些。

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或時間同步出現問題時[5]，仍然可能“測試正常”，這是因為解碼芯片的默認工作狀態對這些異常沒有嚴格限定，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，運維團隊群策群力，在確保廉價、便攜易用、低耗電的原則下，正在逐漸完善此測試儀器。未來也將適應IP化需求，研制IP網絡環境下的類似儀器，提高運維水準。

4 結語

袖珍式AES數字音頻監聽儀具有AES/EBU信號的音頻監聽、參數監看功能，電池供電，體積小，便于攜帶，可以滿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、廣播電視行業等數字音頻領域。

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電臺節目制播質量監測技術規范[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.