模擬和數字音頻信源的自動識別及處理方法

　　【摘要】 在當今科技水平不斷進步和發展的狀況下，模擬和數字音頻技術也在不斷的發展和進步，其應用范圍也越來越廣泛。人們對于模擬和數字音頻越來越感興趣，同時，對于模擬和數字音頻信源的各種技術要求也越來越高。文章主要就模擬和數字音頻信源的自動識別及處理方法等問題進行深一步的探討和分析。

　　本文源自席霞， 中國新通信 發表時間：2020-12-20《中國新通信》(半月刊)創刊于1999年，是由工業和信息化部主管、電子工業出版社主辦的信息通信技術專業期刊，2005年被科學技術協會評為優秀期刊，于2006年1月改名為《中國新通信》。

　　【關鍵詞】 模擬音頻 數字音頻 自動識別

　　引言

　　隨著經濟的快速發展，人們對科技產品的要求越來越高。就音頻而言，模擬音頻技術經過多年的發展已相當成熟，但人們對音頻的質量要求越來越高，模擬音頻技術的發展目前已經接近極限。數字音頻技術的發展早在 70 年代就已進入應用階段了，至今已有幾十年的發展歷史。在這幾十年的歷程中，數字音頻技術的發展也在不停的完善、對聲音信號的處理更趨完善和無損，也使大型調音臺的操作界面變得十分簡潔，自動化控制系統更加完善。

　　現如今，廣電行業的信源已全部都是數字信號，但是為了適應老舊發射機，大部分都采用帶模擬輸出接口的接收機。隨著技術不斷更新以及對信號要求越來越高，今后會出現模擬信號和數字信號并存的現象，甚至會取消模擬信號。為減少投資，同時又能適應今后技術的發展，信源接口自適應輸入是最好的解決方案。

　　一、模擬和數字音頻信源系統的構成

　　一般情況下，模擬和數字音頻信源系統的構成主要分為以下三個系統部分：

　　1、前期制作系統

　　這主要包括信號的制作、配音等以及動效制作等，主要是以聲音信號的記錄為目的的。

　　2、播出制作系統

　　一般指的是在電視臺內和視頻同步制作、播出的音頻系統，這既可以是直播的形式，也可以是錄播的形式。主要是以聲音信號的拾取、處理和記錄或直播送出為主。

　　3、擴音系統

　　以數字和模擬信號的拾取、擴大為目的。

　　通過以上的分析，我們很容易看出，在模擬和數字音頻信源的系統構成中，每個系統構成都離不開調音臺，所以說，調音臺是整個音頻系統的核心部分。伴隨著我國科技水平的不斷發展和進步，現在的模擬和數字音頻系統也更為先進，并且自動化、智能化水平正在不斷發展和成熟，在給我們的生活、學習、工作等帶來越來越多的便利和享受。

　　二、模擬音頻和數字音頻的特征

　　1、目前，我國模擬音頻信號通常采用兩種傳輸方式：平衡式(XLR)與非平衡式(RCA)。平衡式要求阻抗為 600Ω，非平衡式要求阻抗大于 4.7kΩ。對電平的要求為 0db(對于平衡式為 Vpp2.2v)

　　2、數字音頻接口 AES/EBU( 美國音頻工程協會 / 歐洲廣播聯盟 ) 數字格式 , 采用雙相標識編碼(BIPHASE MARK COCLING)，48KHz 取 樣，16、20 或 24 比 特 量 化， 為 保證信號傳輸質量降低干擾，大部分采用平衡 XLR 電纜，輸出電壓是 2.7Vpp( 發送器負載 110Ω), 輸入和輸出阻抗為 110Ω(0.1-6MHz 頻寬 )，而對于非平衡傳輸則采用 75Ω 阻抗。

　　3、當一個音頻信號通過一個 A/D(模擬和數字制式轉換器)從模擬音頻信源轉變為數字音頻信號時，在訊道上會有 1.5 毫秒的延遲時間產生。如果把同一個音頻信號經過 D/ A(數字和模擬轉換器)從其數字的狀況變成到現實的模擬狀況時，也同樣會遇到 1.2 毫秒的延遲時間。這些延遲時間是在 48KHz 的取樣下獲得的。這種時間延遲在一臺模擬調音臺中是不會發生的，但如果在數字調音臺上則會引發其他的問題。

　　比如，我們可以試著把一個模擬輸入信號 A 轉換成數字制式(變換 - 延遲 =+1.5 毫秒)。再通過一些數字處理器把音頻信號送往插入點轉回模擬制式(變換兩次延遲 =2.7 毫秒)。當信號回到調音臺時，信源必須再次轉變回到數字制式(變換三次延遲 =4.2 毫秒)。這個被數字化的信號通過混音通道到最后調音臺的輸出口，延時信號必須在送往功率放大器和音箱前再一次的轉回為模擬制式(變換四次延遲 =5.4 毫秒)。這就說明，在整個音頻信源的信號從輸入點到輸出點共出現了 5.4 毫秒的總延遲時間。現在，假設有信號 B 輸入和輸入信號 A 混合起來，但信號 B 沒有加進外圍處理器，那么這個信號源只有兩次轉換處理而結果總延遲時間為 2.7 毫秒。但實際上信號 A 將會在信號 B 達到總輸出口后 2.7 毫秒才會出現。如果單以兩組信號來混音，就不容易聽到它們在出現時的區別。但是，當有超過 5 組或者更多信號源加起來送到數字混合訊道時，這些不同的延遲時間的梳狀波器失真就會非常明顯。

　　在這種情況下，最佳的方法是把信號 B 再延長 2.7 毫秒，和信號 A 同時到達總輸出口，不過大部分受歡迎的數字調音臺很少有這種時間修正功能。從此也可以看出，當前我國數字音頻技術的發展還不夠成熟，想要獲得更佳的音頻信號傳輸效果，需要在模擬音頻信號和數字音頻信號之間做好平衡，使兩者都能夠獲得更好的發展和進步。

　　三、工作原理

　　由于模擬信源和數字信源的信號電平基本一致，只是頻率差別非常大，模擬音頻在 20kHz 以下，而數字音頻最高要 6MHz，因此對于輸入部分必須采用高速放大器代替原來的普通運算放大器。

　　由于要求模擬信號和數字信號自動識別實現信號切換、阻抗匹配、模擬信號數字信號混合輸出功能，而模擬和數字信號處理方式由很大的差別，所以處理環節非常的復雜，在輸入和輸出之間則需要包括模擬處理單元和數字處理單元。下面分別討論這 3 個部分。

　　1、輸入部分

　　輸入信號首先經過阻抗匹配單元，給入高速運算放大器，放大器同時兩路信號，一路給數字處理部分，一路給模擬處理部分;兩部分信號分別轉為 I2S 信號，經 CPLD 把信號類型反饋到中央控制單元，中央控制單元通過 CPLD 控制阻抗匹配單元，自動切換為與輸入信號相適應的阻抗。

　　數字處理部分采用數字音頻處理模塊來判斷是否為數字信號，并把數字音頻(AES/EBU)信號變成 I2S 音頻信號，然后送給 CPLD(復雜可編程邏輯單元)，同時把數字音頻鎖定信號一并送給 CPLD, 由 CPLD 把信號狀態反饋到中央控制單元，再由中央控制單元通過 CPLD 進行數字信號選擇。

　　而模擬信號則再次通過模擬分配單元分為兩路模擬信號，一路給 AD 單元把模擬信號轉成數字信號 I2S 送給 CPLD，另外一路模擬信號送給模擬邏輯切換單元，再由中央控制單元通過 CPLD，進行模擬信號的選擇。

　　2、輸出部分：

　　由于切換器輸出必須要留有備用輸出接口，所以模擬信號和數字信號都需要經過處理單元，給入分配單元同時分出3 路信號給到輸出控制單元，由中央控制單元下方控制命令給到 CPLD，再由 CPLD 控制輸出控制單元，分別控制 3 個輸出接口的輸出信號類型為模擬或數字信號，實現模數混合輸出功能。

　　3、邏輯處理單元

　　A、模擬部分：

　　模擬部分輸入后分為兩部分，一路模擬信號給入模擬切換單元，一路轉為 I2S 信號給入 CPLD，由 CPLD 判斷信號狀態，并控制模擬切換單元，實現模擬信號的選擇。

　　B、數字部分：

　　數字部分采用 CPLD 完成。通過 VHDL 語言，實現信源信號的選擇。

　　C、斷電直通部分：

　　斷電直通部分采用兩組繼電器的常閉觸點，當設備沒有電源供電的情況下，輸入信號通過繼電器的常閉觸點直接與輸出接口導通，當設備接入供電后，繼電器常閉觸點變為常開，常開觸點變為常閉，輸入信號通過繼電器常開觸點被傳輸到設備輸入部分，實現斷電直通功能。

　　四、結束語

　　在現代社會的不斷發展過程中，廣播信號作為一種應用廣泛的、傳播的媒介，具有很多的使用場景。伴隨著現代通信技術的發展和發達，電信源也變得越來越密集和復雜，這就對傳統的模擬音頻信源的要求也越來越高，在我國多媒體技術不斷成長的過程中，廣播的數字化要求使得數字音頻信源得到了飛速的發展，數字音頻技術的發展不僅提高了音頻傳輸的效率，而是也讓信號傳輸的抗干擾性大大的增強，實現了更大范圍的音頻信號的覆蓋。但因為我國地區發展水平存在一定的差距，有很多地方還在使用傳統的模擬音頻信源，這就使得我們必須要思考，使得模擬音頻信源和數字音頻信源可以同步發展，都獲得更加有效的運用。本文從模擬信號和數字信號特點出發，結合 CPLD 可編程邏輯芯片，完美的解決了模擬信號和數字信號兼容性問題，雖然增加了成本，但是大大提高了設備的兼容性，保護了用戶投資。