AES 多功能监听耳机的开发及在数字化广播电台中的应用

张科峰

（河南广播电视台，河南 郑州 450003）

0 引言

在广电行业数字化的今天，广播节目的各个环节使用了大量数字音频设备。虽然数字设备优点诸多，但它也存在一些不便。因此，根据实际工作需要开发了一款具有数字音分功能并可同时监听AES/EBU 数字信号、模拟信号和调频信号的多功能监听耳机。目前，该款耳机在河南广播电视台的实际工作应用中取得了令人满意的效果。

1 系统整体设计

多功能数字监听耳机的整体设计方案如图1所示。调频收音机的输出信号经过“信号切换2”选择后输出到耳机左右单元。数字/模拟音频信号进入“信号切换1”，根据输入信号类型分为两种情况进行处理。如果输入的音频信号是模拟信号，直接送到“信号切换2”，选择后输出到耳机的左右单元；如果输入的音频信号是数字信号，则送到“数字音分”模块并分成两路［1］，一路直接输出数字信号，另一路送入“AES 解码模块”，解码后的信号再送到“D/A 模块”，经数/模转换后的模拟信号再通过“信号切换2 ”选择后送到耳机的左右单元输出。

2 AES/EBU 分配解码转换设计

数字信号分配解码转换模块的设计是系统核心，其电路设计主要由数字音分、AES/EBU 解码及D/A 转换3 部分组成，各部分使用的芯片分别为SN75176B、CS8416 及CS4344。系统结构如图2所示。

2.1 数字音分模块SN75176B

解码器数字信号的输入和输出通常采用RS-422 方案，而SN75176B 是一款标准的RS-422 通信芯片。SN75176B 是差分总线收发器［2］，专为双向多点总线传输线路进行数据通信，符合或超过ANSI TIA/EIA-422-B 标 准、TIA/EIA-485-A 标 准以及ITU-T V.11/X.27 标准的建议。SN75176B 作为数字信号音频分配单元，最多可以设计32 路数字音分［3］。

2.2 解码模块CS8416

CS8416 是Cirrus 公司的一款单片8 通道音频解码芯片，符合IEC 60958、S/PDIF、EIAJ CP1201 及AES3 接口标准。它的采样频率最高可达192 kHz，可用于消费类和专业音频设备交换AES/EBU 和S/PDIF 音频数据［4］。它拥有超低抖动时钟恢复机制，可从AES3 音频流中产生非常干净的恢复时钟。CS8416 还有一个串行数字音频输出端口，使得用户可以通过软件模式下的可选控制端口或硬件模式下的可选引脚对芯片的解码过程进行设置。

2.2.1 CS8416 硬件配置模式

CS8416 工作模式的选择、各种功能的设置及工作状态的读取，都是通过对相应引脚外接上拉或下拉电阻（47 000Ω）实现的。它的主要的设置 引 脚 有RXSEL1、RXSEL0、SDOUT、RCBL、NV/RERR、AUDIO、C、U 及96 kHz 等。其 中，SDOUT 引脚用来配置芯片的工作模式（硬件/软件）；AUDIO 和C 引脚通过不同的组合共同确定芯片输出的音频数据格式，共有I2C 24 bit、Right justified、Left justified 及Direct AES3 这4 种格式，对应关系如表1所示，其中“↑”代表外接上拉电阻，“↓”代表外接下拉电阻。

设计中，CS8416 选择以硬件和主模式进行工作，芯片的引脚配置如表2 所示。其中，“↑”代表外接上拉电阻，“↓”代表外接下拉电阻。

2.2.2 CS8416 设计注意事项

CS8416 共有3 个引脚连接外部提供的电源，在电源接入芯片前应对电压进行滤波处理，并对模拟地与数字地做隔离处理。FILT 引脚是一个低频模拟信号输入端口，设计时应将PLL 电路的地与模拟地直接连接，并将电容尽可能靠近FILT 放置，以提高音频时钟重建的质量。另外，在绘制PCB 时应该把模拟元器件和数字元器件分开放置，以减少干扰。

表1 AUDIO 和C 引脚不同组合和输出音频数据格式对应表

表2 CS8416 芯片引脚配置表

2.3 D/A 转换模块CS4344

CS4344 是Cirrus 公司的一款立体声D/A 转换输出系统，体积非常小。在一个10 脚的封装中它包含了插值、多位D/A 转换及模拟输出滤波功能，可提供192 kHz 的采样速率，动态范围可达105 dB，同时支持主流的音频数据接口格式和一些独立器件。CS4344 采用I2C 24 bit 串行数据模式，这是CS8416 选择I2C 24 bit 模式的原因。CS4344D/A部分设计原理如图3 所示。

2.4 AES/EBU 解码转换设计原理图

CS8416 解码部分原理如图4 所示。其中，STDV709 是SUMLINK 公司的一款小型音频数字隔离耦合器，作用是避免电路在相互通信时受损［5］。

3 调频收音模块设计

在耳机中增加调频收音机功能，主要是为了在设备检修时可以及时方便地对比发射前信号和发射后信号，从而快速判断信号传输链路是否正常。调频收音模块芯片选用的是RDA5807FP。RDA5807FP 是一款专业的数字收音芯片，灵敏度高、抗干扰能力强以及外接元件极少，输出可以直驱耳机单元。调频模块实现的功能主要有频率显示、自动搜台及频率存取等。

4 耳机电源模块设计

为了提高耳机的便携性，同时考虑到耳机的空间局限性，耳机内置了两节串联的5 号3.7 V 锂电池作为电源，并设计了专门的供电模块和充电模块，为芯片分别提供3.3 V 和5 V 两种稳定电压。电池总容量为1 500 mA，充满一次电可供耳机连续使用8 h。

5 电路板开发设计

由于耳机内部空间有限，为了尽可能缩小电路板的尺寸，所有的电阻和电容采用贴片形式。其中，两个切换开关采用欧姆龙的超小型信号继电器G6K-2G-Y，因此整块电路板尺寸只有4.7 cm×4.7 cm。

6 AES/EBU 数字监听耳机的应用

在广播播控中心，这款多功能监听耳机可以方便快捷地监听任意数字节点。直播状态下，监听数字设备信号主要有通过跳线盘监听和对数字音频设备的输出信号直接监听两种方式。

6.1 通过跳线盘监听

设计耳机时充分考虑了数字信号不能并行传输的特点，利用数字音分原理为耳机设计了一路单独的数字输出，使得监听时可以从上排跳线孔中取出信号送到耳机，并把耳机的数字信号输出到下排跳线孔，从而实现在不停播的情况下监听数字信号的功能。如图5 所示，信号从“0103”取出，又从“0203”送回。

6.2 直接监听数字音频设备的输出信号

耳机可以直接对数字音频设备进行监听。具体地，拔掉设备的信号输出线，与耳机的数字信号输出对接，同时把耳机的输入接头插到设备的输出口上，以实现在不中断信号传输的情况下监听数字信号，如图6 所示，更适合于数字设备直接相连的情况。

7 结语

广播播控中心存在着大量的数字信号和模拟信号。采用这款耳机可以轻松实现数字信号与模拟信号间的切换监听。另外，耳机中增加的调频收音机功能方便了技术人员对发射前和发射后的信号进行快速对比监听。目前，这款耳机已经获得两项国家实用新型专利证书，在河南广播电视台播控中心、节传中心、发射中心及覆盖中心广泛使用，取得了令人满意的效果，具有极高的商业推广价值。