基于LPC2138的AES3數(shù)字音頻接口設(shè)計(jì)

摘要：隨著數(shù)字音頻技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化音頻設(shè)備已廣泛應(yīng)用于廣播電視節(jié)目領(lǐng)域。鑒于專業(yè)數(shù)字音頻設(shè)備越來(lái)越多地需求，以及專用接收發(fā)送設(shè)備的復(fù)雜性，本設(shè)計(jì)采用Philips公司的ARM7控制芯片LPC2138結(jié)合音響設(shè)備專用芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的AES／EBU(AES3)數(shù)字音頻收發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)AES3數(shù)字音頻的接收與發(fā)送。實(shí)驗(yàn)顯示，在輸入1 kHz，24 dBu時(shí)，本設(shè)計(jì)的總諧波失真小于0．005％，信噪比大于90 dBu。
關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻；LPC2138；AES3；接收；發(fā)送；總諧波失真；信噪比

當(dāng)今數(shù)字技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快，人們對(duì)廣播電視節(jié)目的質(zhì)量需求也越來(lái)越高。AES／EBU(Audio Engineering Society／European Broad cast Union)現(xiàn)已成為專業(yè)數(shù)字音頻較為流行的標(biāo)準(zhǔn)。大量民用產(chǎn)品和專業(yè)音頻數(shù)字設(shè)備如CD機(jī)、DAT、MD機(jī)、數(shù)字調(diào)音臺(tái)、數(shù)字音頻工作站等都支持AES3接口。AES3通過(guò)單根絞合線對(duì)來(lái)串行傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮了數(shù)字信號(hào)易處理、音質(zhì)優(yōu)良和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。它提供兩個(gè)信道的音頻數(shù)據(jù)，信道自動(dòng)計(jì)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(cè)能力。
鑒于入們對(duì)高質(zhì)量音樂(lè)的追求以及AES3接口的縱多優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠接收和發(fā)送AES3音頻信號(hào)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)是很有價(jià)值的。本設(shè)計(jì)由LPC2138控制音響設(shè)備專用芯片實(shí)現(xiàn)AES3接口，只需簡(jiǎn)單地修改芯片配置，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的特性調(diào)整及性能擴(kuò)展，簡(jiǎn)單穩(wěn)定，具有較強(qiáng)地實(shí)用價(jià)值。

1 AES3數(shù)字音頻接口簡(jiǎn)介
AES3接口在單根傳輸線上串行傳輸兩路數(shù)字音頻信號(hào)。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)子幀的開始，Z表示一個(gè)塊(block)的開始。4～7時(shí)隙為輔助數(shù)據(jù)，8～27時(shí)隙為音頻數(shù)據(jù)位，音頻數(shù)據(jù)位可以多達(dá)24位。如果音頻數(shù)據(jù)超過(guò)20位，則4～7位將被用作音頻數(shù)據(jù)位。最后的4個(gè)時(shí)隙分別為有效位、用戶數(shù)據(jù)位、通道狀態(tài)位和奇偶校驗(yàn)位。每192幀信號(hào)的通道狀態(tài)位組成通道狀態(tài)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)便可以得知音頻信號(hào)是否是專業(yè)型，是否預(yù)加重，以及采樣頻率等信息。每一位的具體含義請(qǐng)參考文獻(xiàn)，本設(shè)計(jì)不做詳細(xì)介紹。AES3接口傳輸?shù)臄?shù)字音頻信號(hào)格式如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的信號(hào)源為模擬音頻信號(hào)、J2S串行音頻信號(hào)和傳輸線上接收到的AES3數(shù)字音頻信號(hào)。
模擬音頻信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)后，送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)48 k的采樣頻率采樣(本設(shè)計(jì)統(tǒng)一使用48 k的采樣率)，轉(zhuǎn)換成I2S數(shù)字音頻信號(hào)。I2S信號(hào)(包括模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的I2S和I2S信號(hào)源的信號(hào))送入SRC4382，SRC4382將I2S信號(hào)的采樣頻率轉(zhuǎn)換為48 k，并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到的AES3信號(hào)可以通過(guò)單根絞合線進(jìn)行傳輸。相反過(guò)程，接收到的AES3數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣頻率轉(zhuǎn)換和格式轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換為采樣率為48k的I2S信號(hào)。I2S信號(hào)可以直接作為輸出，也可以經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器后，再經(jīng)過(guò)濾波放大處理，轉(zhuǎn)化為模擬音頻信號(hào)輸出。整體框架的部署如圖2所示。

3 主要的硬件設(shè)計(jì)
3．1 LPC2138控制模塊
本設(shè)計(jì)中的微控制芯片需要提供I2C總線來(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(diào)試和高速跟蹤執(zhí)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(yīng)用。鑒于以上特性，本設(shè)計(jì)選用LPC2138作為微控制芯片，通過(guò)I2C總線接口實(shí)現(xiàn)CS5368、CS4382和SRC4382的內(nèi)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(xiàn)中斷管理。
3．2 電源模塊設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)平臺(tái)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(zhuǎn)換得到。±12 V主要為運(yùn)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(yùn)放NE5532做基準(zhǔn)電壓。
3．3 輸入模擬音頻調(diào)節(jié)模塊
模擬信號(hào)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(hào)輸入前置電路主要用來(lái)隔離后級(jí)直流分量對(duì)前級(jí)的影響，限制輸入信號(hào)的幅度，濾去輸入信號(hào)中的高頻分量，濾除串?dāng)_噪聲。輸入模擬音頻信號(hào)電壓幅度比較大，不能直接作為A／D轉(zhuǎn)換器的輸入，因此前置電路必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減，同時(shí)基準(zhǔn)電壓提高到2．5 V。如圖3所示。信號(hào)的衰減系數(shù)為：

3．4 輸出模擬音頻調(diào)節(jié)模塊
人耳能聽見的音頻信號(hào)頻率范圍在20 Hz～20 kHz之間，而數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸和D／A轉(zhuǎn)換后可能會(huì)引入各種噪聲，因此需要在D／A轉(zhuǎn)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(fù)反饋，用來(lái)去除信號(hào)的高頻分量。

其中，C5和R15組成的高通濾波器的截止頻率為：

模擬音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路后功率比較小，如果直接輸出，則輸出音頻的音量會(huì)非常小。因此必須對(duì)濾波后的模擬音頻信號(hào)進(jìn)行非失真放大，提高輸出模擬音頻信號(hào)的功率，使得音量能達(dá)到更好效果。如圖4所示，經(jīng)過(guò)濾波后的模擬音頻信號(hào)由NE5532放大器進(jìn)行功率放大，放大倍數(shù)為：

3．5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用Cirrus Logic公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片CS5368。它具有24位轉(zhuǎn)換位寬，114 dB的動(dòng)態(tài)范嗣，-105 dB的總諧波失真加噪聲，可選的音頻接口格式，低延遲數(shù)字濾波器，差分模擬結(jié)構(gòu)，從模式(slave mode)下支持速度自檢，支持標(biāo)準(zhǔn)的I2C控制接口，適用于專業(yè)的音響設(shè)備。
在本設(shè)計(jì)中，CS5368工作于控制端口模式(control portmode)，通過(guò)LPC2138的I2C總線控制，器件地址為0x98H。CS5368可接收8路的差分模擬信號(hào)AINLx+、AINLx-，輸出的4路數(shù)字音頻信號(hào)CS5368_SDOx格式設(shè)置為I2S模式，采樣頻率為48kΩ。MCLK、SCLK、LRCK分別為12．288 MHz、3．072 MHz、48 kHz，由外部提供。CS5368的外圍電路如圖5所示。

3．6 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊
數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用Cirrus Logic公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片CS4382。它是一個(gè)完整的8通道數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具有114 dB的動(dòng)態(tài)范圍，-100 dB的總諧波失真加噪聲，支持標(biāo)準(zhǔn)的I2C控制接口，具有理想的差分線性，高保真機(jī)制，無(wú)線性漂移等優(yōu)勢(shì)，適用于專業(yè)的音響設(shè)備。
在本設(shè)計(jì)中，CS4382工作于控制端口模式，通過(guò)LPC2138的I2C總線控制，器件地址為0x30H。CS4382可接收4路I2S的數(shù)字音頻信號(hào)SDIN1～SDIN4，輸出8路的差分模擬信號(hào)，采樣頻率取48k。MCLK、SCLK、LRCK同CS5368，分別為12．288 MHz、3．072MHz、48kHz，由外部提供。
3．7 音頻格式轉(zhuǎn)換模塊
音頻格式轉(zhuǎn)換模塊采用TI公司的SRC4382芯片。它是一款專用于廣播數(shù)字音頻系統(tǒng)的芯片，它集成了帶有采樣頻率轉(zhuǎn)換的數(shù)字音頻接口發(fā)送器(DIT)和接收器(DIR)，2個(gè)音頻串行接口，以及支持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘內(nèi)聯(lián)的分布式邏輯，DIT和DIR兼容AES3，S／PDIF，IEC 60958和EIAJ CP-1201接口標(biāo)準(zhǔn)，采樣頻率最高支持216 kHz，并且支持通過(guò)I2C總線控制芯片的工作狀態(tài)。
本設(shè)計(jì)中，通過(guò)LPC2138的I2C總線接口控制SRC4382的工作模式，器件地址為0xE0H。通過(guò)設(shè)置SRC4382內(nèi)部寄存器，使其同時(shí)有2條工作的信號(hào)路徑，一條為RX+、RX-差分信號(hào)經(jīng)過(guò)DIR單元的采樣頻率轉(zhuǎn)換和解碼后，轉(zhuǎn)換為I2S信號(hào)，由SDOUT輸出；另一條為I2S信號(hào)SDIN經(jīng)過(guò)DIT單元的采樣頻率轉(zhuǎn)換和編碼后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻接口AES3信號(hào)，由差分線TX+、TX-輸出。LRCK與SCLK同CS5368，均由外部提供。RX+、RX-與DIN+、DIN-之間以及TX+、TX-與DOUTR+、DOUTR-之間均需要用變壓器做隔離去耦合，以防止前后級(jí)之間相互干擾。SRC4382的外圍電路如圖6所示。

4 軟件程序設(shè)計(jì)
CS5368、CS4382、SRC4382 3款芯片均可通過(guò)設(shè)置其內(nèi)部寄存器，獲得不同的工作狀態(tài)。
4．1 CS5368軟件部分
系統(tǒng)上電之后需對(duì)CS5368進(jìn)行初始化。GCTL(globalmode control register)控制芯片的工作模式，本設(shè)計(jì)工作狀態(tài)為：控制端口模式，時(shí)鐘為256采樣率，輸出I2S模式，從模式下的所有采樣頻率。因此GCTL的值設(shè)置為0x87H。其他寄存器保持默認(rèn)值即可。初始化程序如下：
／／I2C寫一個(gè)字節(jié)0x87到地址GCTL(0x01)
I2c_WriteNByte(CS5368_Addr，1，GCTL，gctl，1)；
當(dāng)CS5368發(fā)生溢出中斷時(shí)，會(huì)向LPC2138的外部中斷INT0發(fā)送中斷信號(hào)，同時(shí)LED燈D1被點(diǎn)亮。在中斷程序中，查詢OVFL寄存器狀態(tài)，設(shè)置相應(yīng)通道的輸出消聲(mute)。中斷服務(wù)程序如下：
char ovfl，mute；
I2c_ReadNByte(CS5368_Addr，1，OVFL，＆ovfl，1)；
mute=～ovfl；
I2c_WriteNByte(CS5368_Addr，1，MUTE，mute，1)；
4．2 CS4382軟件部分
系統(tǒng)上電之后需對(duì)CS4382進(jìn)行初始化。MC1、MC2和FC共同控制CS4382的工作狀態(tài)，本設(shè)計(jì)中將其值分別設(shè)置為0x80H，0x10H，0x05H。芯片工作存控制端口模式下，輸入音頻格式為24位I2S信號(hào)，去加重濾波器響應(yīng)頻率為48 kHz。其他寄存器保持默認(rèn)值。初始化程序如下：
mc1=0x80；mc2=0x10；fc=0x05；
I2c_WriteNByte(Cs4382_Addr，1，MC1，mc1，1)；
I2c_WriteNByte(CS4382_Addr，1，MC2，mc2，1)；
I2c_WritcNByte(CS4382_Addr，1，F(xiàn)C，＆fc，1)；
4．3 SRC4382軟件部分
4．3．1 SRC4382初始化
系統(tǒng)上電之后需要對(duì)SRC4382進(jìn)行初始化。SRC4382的寄存器分為4頁(yè)，第0頁(yè)為控制和狀態(tài)寄存器，第1頁(yè)為DIR通道狀態(tài)和用戶數(shù)據(jù)緩沖寄存器，第2頁(yè)為DIT通道狀態(tài)和用戶數(shù)據(jù)緩沖寄存器，第3頁(yè)保留。在操作每頁(yè)寄存器之前，必須通過(guò)設(shè)置每頁(yè)的頁(yè)選擇寄存器來(lái)確定要操作的頁(yè)。初始化程序中只需將寄存器07，09，0b，0d，0e，0f，16，17，2d分別設(shè)置為0x22，0x02，0x33，0x08，0x09，0x12，0xfe，0x01，0x42，其他保留默認(rèn)值即可。各寄存器的具體值及其含義請(qǐng)參考技術(shù)手冊(cè)。初始化程序如下：


4．3．2 SRC4382讀通道狀態(tài)
由第一部分介紹可知，通道狀態(tài)中含有豐富的信息。通過(guò)讀第1頁(yè)寄存器，便可以獲得接收的AES3數(shù)字音頻的特征信息。讀通道狀態(tài)之前，應(yīng)先在第0頁(yè)禁止DIR，然后切換到第1頁(yè)，讀完通道狀態(tài)后再切換回第0頁(yè)，使能DIR。讀通道狀態(tài)程序如下：

4．3．3 SRC4382寫通道狀態(tài)
通過(guò)寫第2頁(yè)的相關(guān)寄存器，便可將需要發(fā)送的AES3數(shù)字音頻的特征信息寫入到每一幀的通道狀態(tài)位中。寫通道狀態(tài)之前，應(yīng)先在第0頁(yè)禁止DIT，然后切換到第2頁(yè)，寫完通道狀態(tài)后再切換到第0頁(yè)，使能DIT。讀通道狀態(tài)程序如下：



5 結(jié)束語(yǔ)
該設(shè)計(jì)通過(guò)微控制器LPC2138控制專業(yè)音頻處理芯片，實(shí)現(xiàn)了AES3數(shù)字音頻接口的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中發(fā)送的音頻信息源和接收處理后的音頻信息均可以為模擬信號(hào)和串行I2S信號(hào)的形式，可用性較強(qiáng)。由于該設(shè)計(jì)采用專業(yè)音頻處理芯片實(shí)現(xiàn)，因此音質(zhì)比較好，穩(wěn)定性比較高。只需簡(jiǎn)單修改軟件部分對(duì)音頻處理芯片的寄存器配置，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特性的改變，所以靈活性和可擴(kuò)展性較好。該設(shè)計(jì)可以具體應(yīng)用于數(shù)字調(diào)音臺(tái)的混音器和音頻矩陣切換器中，也可以為CD機(jī)、MD機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考，因此具有較強(qiáng)的工程使用價(jià)值。