為什么A2B能夠支持更復雜的新數(shù)據(jù)和音頻傳輸系統(tǒng)

摘要

ADI公司A2B^?總線的全新增強功能為數(shù)據(jù)和音頻傳輸與分發(fā)帶來新的發(fā)展。智能樓宇、大廳、房間或智能家居均可從新型收發(fā)器的眾多集成特性中獲益。新的A²B增強功能包括總線長度更長，可達300米，并且總線功率更高，可達50 W。本文重點介紹了這些增強功能如何幫助打造更復雜的系統(tǒng)。文中展示了一些應用示例，其中A²B總線可以幫助簡化布線架構(gòu)，而涉及的硬件和軟件工作量非常少。

引言

A²B是一種雙向高帶寬數(shù)字音頻總線，能夠在很長的距離上（節(jié)點間的距離長達30 m，整個總線長度為300 m），使用一條2線式非屏蔽雙絞線(UTP)電纜傳輸I2S/TDM/PDM數(shù)據(jù)、I2C/SPI控制信息以及時鐘和供電信號。該總線在汽車應用和統(tǒng)一通信應用中已經(jīng)非常成熟。通過不斷的深入開發(fā)，A²B還可用于許多商業(yè)和工業(yè)用途。

商業(yè)、辦公和公共建筑要求公共廣播系統(tǒng)(PA)持續(xù)可用。PA是由麥克風、放大器、揚聲器和相關(guān)設(shè)備組成的電子系統(tǒng)。它能提高人聲、樂器或其他聲源的響度。舉例而言，這種系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)的警報系統(tǒng)。在緊急情況下，清晰的語音指示比傳統(tǒng)的警報器更能有效地引導人們做出正確的反應，幫助人們更好地理解情況，并有可能避免災難的發(fā)生。

此外，音樂分發(fā)、語音警報、廣播和對講功能可以成為該系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)的復雜性因而會增加。隨著系統(tǒng)不斷發(fā)展，以及對額外廣播功能的需求不斷增加，設(shè)計變得越來越復雜。A²B技術(shù)可能有助于滿足這一需求。

為了服務大量節(jié)點，使用以太網(wǎng)作為物理層時，每個節(jié)點都需要配備昂貴的微控制器。此方法常用于簡單的音頻和控制設(shè)備。除以太網(wǎng)外，100V線路也被使用，并具有通過電纜傳輸電力的優(yōu)勢，但它們在一個方向上只能傳輸一個音頻信號，無法添加數(shù)據(jù)通信，并且所需的變壓器非常笨重。

這就是A²B發(fā)揮作用的地方。A²B讓本地相關(guān)設(shè)備（如揚聲器、麥克風、對講站、控制面板和傳感器）能夠通過簡單線纜以菊花鏈形式連接起來。

A²B易于使用和實施，是理想的解決方案。A²B收發(fā)器可以連接到設(shè)備，用戶將獲得64個雙向音頻通道（32個下行通道和32個上行通道），這些通道可以配對，與位于端點的外圍設(shè)備進行I2C/SPI/GPIO通信。無需開發(fā)或使用更復雜的時隙協(xié)議棧。

A²B是一種高速雙向時間同步總線，可傳輸I2S/TDM以及I2C、SPI、GPIO數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率為50 Mbps。這種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢是任意兩個節(jié)點之間的延遲低至50 μs。

借助非屏蔽雙絞線(UTP)，可將多達17個節(jié)點（包括主節(jié)點）以菊花鏈形式連接到一條總線上?？偩€長度可長達300米，而每個節(jié)點之間的距離可達30米。通信可以從一個節(jié)點到另一個節(jié)點，這意味著如果選擇48 kHz和16位，則每個節(jié)點都可以向任何其他節(jié)點發(fā)送32個音頻通道。數(shù)據(jù)大小可以根據(jù)不同的需求確定，數(shù)據(jù)速率可以設(shè)置為1.5 kHz至192 kHz之間。數(shù)據(jù)寬度越小、數(shù)據(jù)速率越低，可用通道數(shù)越多。

另一大亮點是總線功率，整條總線可以傳輸高達50 W的功率。因此，節(jié)點可以通過總線遠程供電，而無需額外的本地電源。中等輸出功率的揚聲器節(jié)點也可以通過A2B總線供電。但是，如果功率需求更高，則需要外部電源。

圖1 A²B網(wǎng)絡及其相連模塊的設(shè)置示例

圖1展示了A²B總線的靈活性，它能簡化系統(tǒng)設(shè)計和配置。由于收發(fā)器已經(jīng)集成了許多模塊和接口，因此通常不需要單獨的微控制器即可運行。

如圖所示，簡單的節(jié)點是一個麥克風陣列，它采用AD2437收發(fā)器。可連接多達四個PDM麥克風。這種麥克風陣列可用于定位噪聲源以執(zhí)行噪聲消除，或找到音頻的到達方向。在這種情況下，可以從相鄰背景噪聲中提取該音頻源。由于總線延遲非常低，此陣列不一定需要位于同一個節(jié)點上。它可以輕松地分布于房間內(nèi)不同位置的多個節(jié)點。電源將從總線獲取，因為此節(jié)點的功耗非常低，無需單獨的電源。因此，解決方案非常小且易于安裝。例如，我們設(shè)計過一個尺寸為35mm × 19mm的節(jié)點，其中包括導線連接器和總線電源電路。

如果需要更復雜的功能，可以通過I2S輸出將單獨的D類或任何其他功率放大器連接到AD2437。此外，還可以連接音頻編解碼器。由于音頻通常不會隨時中斷，因此可以采用I2C接口來并行設(shè)置功率放大器或編解碼器。借助這種配置，可以創(chuàng)建一個簡單的總線供電對講終端。AD2437還具有GPIO，其中一些提供脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出。這可以用作鍵盤端口輸入來與主機交互。如果按下某個鍵，主機就會收到中斷，從而可以建立通信。PWM輸出可用于指示通信是否處于活動狀態(tài)，驅(qū)動LED（指示連接狀態(tài)），以及指示所需的所有其他信息。這種簡單但有效的功能不需要單獨的微控制器，整個系統(tǒng)的軟件工作得以簡化。

復雜度更高的對講終端（如帶有圖形用戶界面(GUI)）可以使用微控制器通過SPI獲取數(shù)據(jù)。請注意，SPI總線最大速度為10 Mbps。

對于純揚聲器節(jié)點（可能位于天花板或建筑物的其他部分，需要更高輸出功率），外部電源將足以滿足需求?？偩€電源不需要插入到主機節(jié)點，可以將其插入到任何中間節(jié)點的某個位置，以減輕電纜內(nèi)的電流壓力。

圖2 公共廣播系統(tǒng)示例

在很多其他應用中，功能豐富的A²B也優(yōu)于以前使用的技術(shù)，可以取而代之。這些應用包括需要通信和多通道音頻傳輸的應用。

護士呼叫/通知系統(tǒng)由以太網(wǎng)配置組成，復雜度較低。在這種情況下，將有一個房間控制器通過以太網(wǎng)連接，但與患者終端的連接將通過A²B運行。此配置能夠通過一根UTP電纜將所有必要的音頻、數(shù)據(jù)和電源傳輸?shù)椒块g內(nèi)分布的多達16張床位。每個終端都可以輕松配備一個小型微控制器，以便為每位患者提供豐富的音頻通道選擇。顯示屏可以指示通道選擇、時間和警報狀態(tài)。警報按鈕可以直接連接到其中一個GPIO，以觸發(fā)房間控制器上的中斷。此外，如果患者行動受限，選定的終端可以即時將麥克風信號傳輸?shù)椒块g控制器。系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換選定的關(guān)鍵詞并觸發(fā)警報。

由于此環(huán)境的安裝可能變化多端，因此系統(tǒng)必須支持方便地修改其設(shè)置。網(wǎng)絡中終端的添加和刪除將由主機提供的即插即用協(xié)議棧處理。為了在移除的終端上保持菊花鏈配置，可以使用一個小型適配器來橋接缺失的節(jié)點。如果通信中斷，診斷程序?qū)蟾婀收稀?/p>

A²B總線的超低延遲和完全同步行為對柜臺對講系統(tǒng)也有益。多個麥克風可以位于不同位置，使用波束成形技術(shù)清晰地分離柜臺前講話者的聲音通道。所有來自鄰近人員的背景噪音都將被抑制。任何隔音屏障（如玻璃墻）之間都可以建立清晰的對話。通常，柜臺、醫(yī)院的隔離區(qū)域或潔凈室設(shè)施都很適合采用此類解決方案。

圖3 柜臺對講系統(tǒng)示例

類似地，監(jiān)獄對講系統(tǒng)中的所有麥克風數(shù)據(jù)都可以傳輸?shù)街鳈C系統(tǒng)，許多音頻通道（如不同的無線電頻道）可以廣播到每間牢房。

使用波束成形的另一個典型例子是會議系統(tǒng)，允許在會議室中放置許多麥克風。語音轉(zhuǎn)文本系統(tǒng)需要能夠?qū)⒉煌f話者的音頻信號清晰分離。由于延遲低，所有麥克風通道可以同時傳輸?shù)街鳈C控制器或數(shù)字信號處理器(DSP)，以計算不同的波束位置。

另一種方法是使用座位到座位桌面麥克風或耳機，并將其連接到口譯系統(tǒng)。在這里，所有與會者都可以獲得自動翻譯成各自母語的個性化音頻數(shù)據(jù)。通過使用較低質(zhì)量的音頻帶寬，系統(tǒng)可以支持相當多的通道。因此，主機可以接收所有麥克風信號，并輕松進行優(yōu)先級排序。排序方式可以基于信號強度從高到低，也可以采用系統(tǒng)控制的方式，僅向選定的人員開放語音。在這種情況下，所有終端都可以通過總線供電，而不需要在桌子上布置局部電源。

家用自動化系統(tǒng)日益普及，其便捷的燈光、暖氣、空調(diào)和卷簾控制功能廣為人知。除此之外，這些系統(tǒng)還需要將音頻分發(fā)到許多房間。這樣，您在房屋的任何位置都能聽到門鈴聲，即使在浴室中聆聽高音頻品質(zhì)的收藏播放列表也不例外。將音頻流傳輸?shù)郊抑腥魏挝恢玫墓δ?，以及支持麥克風通過語音命令控制房屋的功能，都非常實用。相較于通過WLAN進行無線連接，有線連接可提供更可靠的鏈路并減輕無線流量負載。

A²B非常適合專業(yè)音頻系統(tǒng)、家庭錄音室和現(xiàn)場舞臺設(shè)施，利用CAT5或XLR等現(xiàn)有電纜技術(shù)就能輕松實現(xiàn)音頻連接。

讓我們來更深入了解A²B總線，以及它如何能夠雙向處理如此多的音頻通道。A²B總線以48 kHz心跳的方式通過總線發(fā)送超幀。數(shù)據(jù)以1024倍的速率傳輸，總線上的數(shù)據(jù)流頻率達到49.152 MHz。超幀由兩部分組成：一部分是上行，另一部分是下行，通信由同步控制幀和同步響應幀啟動。在下行/上行時隙內(nèi)插入所有I2S/TDM數(shù)據(jù)、I2C數(shù)據(jù)、GPIO和中斷信息。

主機生成時鐘，所有節(jié)點與該時鐘同步，使得系統(tǒng)始終同步。同步控制幀中的前同步碼確保所有節(jié)點同步并且可向外設(shè)提供時鐘。這樣做的好處是整個音頻鏈不需要額外的時鐘、本地振蕩器或異步采樣速率轉(zhuǎn)換器。

圖4 A²B超幀

圖5 A²B數(shù)據(jù)流

啟動時，直連到第一個A²B收發(fā)器芯片（如AD2437）的主機處理器將把它設(shè)置為主節(jié)點。主機處理器提供穩(wěn)定的48 kHz信號，收發(fā)器將開始用其鎖相環(huán)(PLL)鎖定該信號。主節(jié)點設(shè)置完成后，它開始逐個啟動子節(jié)點。

SigmaStudio+軟件支持全系統(tǒng)設(shè)置，包括音頻通道和節(jié)點配置。它是一款圖形化編程、診斷和調(diào)整工具，允許設(shè)計人員添加音頻編解碼器、D類放大器等外設(shè)，輕松創(chuàng)建A²B網(wǎng)絡的圖形用戶界面。針對Linux系統(tǒng)的軟件協(xié)議棧和即插即用協(xié)議棧都已提供，便于在運行期間添加或刪除總線上的節(jié)點。

帶XLR或RJ45連接器的主評估模塊或子節(jié)點評估模塊支持A²B，包括電源傳輸。

結(jié)論

新型A²B收發(fā)器的功能進一步增強，例如電纜更長且總線功率更高，這為各種應用開拓了廣泛的機會，尤其是在需要通過簡單布線將多個音頻通道連接到控制數(shù)據(jù)的情況下。如果總線上連接的設(shè)備既有簡單節(jié)點，也有復雜節(jié)點，那么總線允許即使在不太復雜的節(jié)點上也能采用低成本硬件實現(xiàn)。即使在非音頻應用中，例如準確同步的傳感器網(wǎng)絡，A²B也能顯著簡化應用。

關(guān)于作者

Roland Prager是ADI公司的一名現(xiàn)場應用工程師。他擁有維也納新城大學商業(yè)與工程專業(yè)DI (FH)學位。他的職業(yè)生涯始于對講系統(tǒng)電子設(shè)計師，后于2001年成為一名現(xiàn)場應用工程師。他于2018年加入ADI公司。