基於LPC2138的AES3數字音頻接口設計

2020-12-06 電子產品世界

當今數位技術的發展越來越快，人們對廣播電視節目的質量需求也越來越高。AES／EBU(Audio Engineering Society／European Broad cast Union)現已成為專業數字音頻較為流行的標準。大量民用產品和專業音頻數字設備如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通過單根絞合線對來串行傳輸數字音頻數據，充分發揮了數位訊號易處理、音質優良和抗幹擾能力強的優勢。它提供兩個信道的音頻數據，信道自動計時和自同步，同時提供了傳輸控制的方法和狀態信息的表示和一些誤碼的檢測能力。
鑑於入們對高質量音樂的追求以及AES3接口的縱多優點，設計出一個能夠接收和發送AES3音頻信號的簡單系統是很有價值的。本設計由LPC2138控制音響設備專用晶片實現AES3接口，只需簡單地修改晶片配置，即可實現系統的特性調整及性能擴展，簡單穩定，具有較強地實用價值。

1 AES3數字音頻接口簡介
AES3接口在單根傳輸線上串行傳輸兩路數字音頻信號。每個音頻塊(Audio block)包含192幀，每幀包括2個子幀，即左有兩個通道，每個通道包含32個時隙(slot)。0～3時隙為X、Y、Z 3種幀頭，其中X和Y表示一個子幀的開始，Z表示一個塊(block)的開始。4～7時隙為輔助數據，8～27時隙為音頻數據位，音頻數據位可以多達24位。如果音頻數據超過20位，則4～7位將被用作音頻數據位。最後的4個時隙分別為有效位、用戶數據位、通道狀態位和奇偶校驗位。每192幀信號的通道狀態位組成通道狀態數據，通道狀態中含有豐富的音頻特徵信息，通過獲取通道狀態數據便可以得知音頻信號是否是專業型，是否預加重，以及採樣頻率等信息。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上接收到的AES3數字音頻信號。
模擬音頻信號經調節後，送至模數轉換器，經過48 k的採樣頻率採樣(本設計統一使用48 k的採樣率)，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信號的採樣頻率轉換為48 k，並進行格式轉換，轉換後得到的AES3信號可以通過單根絞合線進行傳輸。相反過程，接收到的AES3數字音頻信號經過採樣頻率轉換和格式轉換後，轉換為採樣率為48k的I2S信號。I2S信號可以直接作為輸出，也可以經過數模轉換器後，再經過濾波放大處理，轉化為模擬音頻信號輸出。整體框架的部署如圖2所示。

3 主要的硬體設計
3．1 LPC2138控制模塊
本設計中的微控制晶片需要提供I2C總線來控制CS5368、CS4382和SRC4382的操作模式，並且提供外部中斷接口來接收外部的中斷。LPC2 138微控制晶片是Philips公司的ARM7晶片，它擁有豐富的外部串行接口(UART、SPI以及I2C)，向量中斷控制器，支持實時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，在微控制領域已經得到廣泛的應用。鑑於以上特性，本設計選用LPC2138作為微控制晶片，通過I2C總線接口實現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，並通過外部中斷接口實現中斷管理。
3．2 電源模塊設計
硬體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。±12 V主要為運放供電，3．3 V、2．5 V和1．8 V電源晶片的輸入電壓均為5 V。其中，3．3 V電壓、2．5 V電壓和1．8 V電壓分別由晶片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隔離後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行衰減，同時基準電壓提高到2．5 V。如圖3所示。信號的衰減係數為：



3．4 輸出模擬音頻調節模塊
人耳能聽見的音頻信號頻率範圍在20 Hz～20 kHz之間，而數字音頻信號經過傳輸和D／A轉換後可能會引入各種噪聲，因此需要在D／A轉換後進行低通模擬濾波來濾除噪聲。此處由一個隔直流電路(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，用來去除信號的高頻分量。


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