模擬和數(shù)字音頻信源的自動(dòng)識(shí)別及處理方法

　　【摘要】 在當(dāng)今科技水平不斷進(jìn)步和發(fā)展的狀況下，模擬和數(shù)字音頻技術(shù)也在不斷的發(fā)展和進(jìn)步，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。人們對(duì)于模擬和數(shù)字音頻越來(lái)越感興趣，同時(shí)，對(duì)于模擬和數(shù)字音頻信源的各種技術(shù)要求也越來(lái)越高。文章主要就模擬和數(shù)字音頻信源的自動(dòng)識(shí)別及處理方法等問(wèn)題進(jìn)行深一步的探討和分析。

　　本文源自席霞， 中國(guó)新通信 發(fā)表時(shí)間：2020-12-20《中國(guó)新通信》(半月刊)創(chuàng)刊于1999年，是由工業(yè)和信息化部主管、電子工業(yè)出版社主辦的信息通信技術(shù)專(zhuān)業(yè)期刊，2005年被科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)評(píng)為優(yōu)秀期刊，于2006年1月改名為《中國(guó)新通信》。

　　【關(guān)鍵詞】 模擬音頻 數(shù)字音頻 自動(dòng)識(shí)別

　　引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)科技產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。就音頻而言，模擬音頻技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已相當(dāng)成熟，但人們對(duì)音頻的質(zhì)量要求越來(lái)越高，模擬音頻技術(shù)的發(fā)展目前已經(jīng)接近極限。數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展早在 70 年代就已進(jìn)入應(yīng)用階段了，至今已有幾十年的發(fā)展歷史。在這幾十年的歷程中，數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展也在不停的完善、對(duì)聲音信號(hào)的處理更趨完善和無(wú)損，也使大型調(diào)音臺(tái)的操作界面變得十分簡(jiǎn)潔，自動(dòng)化控制系統(tǒng)更加完善。

　　現(xiàn)如今，廣電行業(yè)的信源已全部都是數(shù)字信號(hào)，但是為了適應(yīng)老舊發(fā)射機(jī)，大部分都采用帶模擬輸出接口的接收機(jī)。隨著技術(shù)不斷更新以及對(duì)信號(hào)要求越來(lái)越高，今后會(huì)出現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)并存的現(xiàn)象，甚至?xí)∠M信號(hào)。為減少投資，同時(shí)又能適應(yīng)今后技術(shù)的發(fā)展，信源接口自適應(yīng)輸入是最好的解決方案。

　　一、模擬和數(shù)字音頻信源系統(tǒng)的構(gòu)成

　　一般情況下，模擬和數(shù)字音頻信源系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為以下三個(gè)系統(tǒng)部分：

　　1、前期制作系統(tǒng)

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

　　2、播出制作系統(tǒng)

　　一般指的是在電視臺(tái)內(nèi)和視頻同步制作、播出的音頻系統(tǒng)，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(hào)的拾取、處理和記錄或直播送出為主。

　　3、擴(kuò)音系統(tǒng)

　　以數(shù)字和模擬信號(hào)的拾取、擴(kuò)大為目的。

　　通過(guò)以上的分析，我們很容易看出，在模擬和數(shù)字音頻信源的系統(tǒng)構(gòu)成中，每個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成都離不開(kāi)調(diào)音臺(tái)，所以說(shuō)，調(diào)音臺(tái)是整個(gè)音頻系統(tǒng)的核心部分。伴隨著我國(guó)科技水平的不斷發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)在的模擬和數(shù)字音頻系統(tǒng)也更為先進(jìn)，并且自動(dòng)化、智能化水平正在不斷發(fā)展和成熟，在給我們的生活、學(xué)習(xí)、工作等帶來(lái)越來(lái)越多的便利和享受。

　　二、模擬音頻和數(shù)字音頻的特征

　　1、目前，我國(guó)模擬音頻信號(hào)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(duì)電平的要求為 0db(對(duì)于平衡式為 Vpp2.2v)

　　2、數(shù)字音頻接口 AES/EBU( 美國(guó)音頻工程協(xié)會(huì) / 歐洲廣播聯(lián)盟 ) 數(shù)字格式 , 采用雙相標(biāo)識(shí)編碼(BIPHASE MARK COCLING)，48KHz 取 樣，16、20 或 24 比 特 量 化， 為 保證信號(hào)傳輸質(zhì)量降低干擾，大部分采用平衡 XLR 電纜，輸出電壓是 2.7Vpp( 發(fā)送器負(fù)載 110Ω), 輸入和輸出阻抗為 110Ω(0.1-6MHz 頻寬 )，而對(duì)于非平衡傳輸則采用 75Ω 阻抗。

　　3、當(dāng)一個(gè)音頻信號(hào)通過(guò)一個(gè) A/D(模擬和數(shù)字制式轉(zhuǎn)換器)從模擬音頻信源轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字音頻信號(hào)時(shí)，在訊道上會(huì)有 1.5 毫秒的延遲時(shí)間產(chǎn)生。如果把同一個(gè)音頻信號(hào)經(jīng)過(guò) D/ A(數(shù)字和模擬轉(zhuǎn)換器)從其數(shù)字的狀況變成到現(xiàn)實(shí)的模擬狀況時(shí)，也同樣會(huì)遇到 1.2 毫秒的延遲時(shí)間。這些延遲時(shí)間是在 48KHz 的取樣下獲得的。這種時(shí)間延遲在一臺(tái)模擬調(diào)音臺(tái)中是不會(huì)發(fā)生的，但如果在數(shù)字調(diào)音臺(tái)上則會(huì)引發(fā)其他的問(wèn)題。

　　比如，我們可以試著把一個(gè)模擬輸入信號(hào) A 轉(zhuǎn)換成數(shù)字制式(變換 - 延遲 =+1.5 毫秒)。再通過(guò)一些數(shù)字處理器把音頻信號(hào)送往插入點(diǎn)轉(zhuǎn)回模擬制式(變換兩次延遲 =2.7 毫秒)。當(dāng)信號(hào)回到調(diào)音臺(tái)時(shí)，信源必須再次轉(zhuǎn)變回到數(shù)字制式(變換三次延遲 =4.2 毫秒)。這個(gè)被數(shù)字化的信號(hào)通過(guò)混音通道到最后調(diào)音臺(tái)的輸出口，延時(shí)信號(hào)必須在送往功率放大器和音箱前再一次的轉(zhuǎn)回為模擬制式(變換四次延遲 =5.4 毫秒)。這就說(shuō)明，在整個(gè)音頻信源的信號(hào)從輸入點(diǎn)到輸出點(diǎn)共出現(xiàn)了 5.4 毫秒的總延遲時(shí)間。現(xiàn)在，假設(shè)有信號(hào) B 輸入和輸入信號(hào) A 混合起來(lái)，但信號(hào) B 沒(méi)有加進(jìn)外圍處理器，那么這個(gè)信號(hào)源只有兩次轉(zhuǎn)換處理而結(jié)果總延遲時(shí)間為 2.7 毫秒。但實(shí)際上信號(hào) A 將會(huì)在信號(hào) B 達(dá)到總輸出口后 2.7 毫秒才會(huì)出現(xiàn)。如果單以兩組信號(hào)來(lái)混音，就不容易聽(tīng)到它們?cè)诔霈F(xiàn)時(shí)的區(qū)別。但是，當(dāng)有超過(guò) 5 組或者更多信號(hào)源加起來(lái)送到數(shù)字混合訊道時(shí)，這些不同的延遲時(shí)間的梳狀波器失真就會(huì)非常明顯。

　　在這種情況下，最佳的方法是把信號(hào) B 再延長(zhǎng) 2.7 毫秒，和信號(hào) A 同時(shí)到達(dá)總輸出口，不過(guò)大部分受歡迎的數(shù)字調(diào)音臺(tái)很少有這種時(shí)間修正功能。從此也可以看出，當(dāng)前我國(guó)數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展還不夠成熟，想要獲得更佳的音頻信號(hào)傳輸效果，需要在模擬音頻信號(hào)和數(shù)字音頻信號(hào)之間做好平衡，使兩者都能夠獲得更好的發(fā)展和進(jìn)步。

　　三、工作原理

　　由于模擬信源和數(shù)字信源的信號(hào)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(shù)字音頻最高要 6MHz，因此對(duì)于輸入部分必須采用高速放大器代替原來(lái)的普通運(yùn)算放大器。

　　由于要求模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)自動(dòng)識(shí)別實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換、阻抗匹配、模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)混合輸出功能，而模擬和數(shù)字信號(hào)處理方式由很大的差別，所以處理環(huán)節(jié)非常的復(fù)雜，在輸入和輸出之間則需要包括模擬處理單元和數(shù)字處理單元。下面分別討論這 3 個(gè)部分。

　　1、輸入部分

　　輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)阻抗匹配單元，給入高速運(yùn)算放大器，放大器同時(shí)兩路信號(hào)，一路給數(shù)字處理部分，一路給模擬處理部分;兩部分信號(hào)分別轉(zhuǎn)為 I2S 信號(hào)，經(jīng) CPLD 把信號(hào)類(lèi)型反饋到中央控制單元，中央控制單元通過(guò) CPLD 控制阻抗匹配單元，自動(dòng)切換為與輸入信號(hào)相適應(yīng)的阻抗。

　　數(shù)字處理部分采用數(shù)字音頻處理模塊來(lái)判斷是否為數(shù)字信號(hào)，并把數(shù)字音頻(AES/EBU)信號(hào)變成 I2S 音頻信號(hào)，然后送給 CPLD(復(fù)雜可編程邏輯單元)，同時(shí)把數(shù)字音頻鎖定信號(hào)一并送給 CPLD, 由 CPLD 把信號(hào)狀態(tài)反饋到中央控制單元，再由中央控制單元通過(guò) CPLD 進(jìn)行數(shù)字信號(hào)選擇。

　　而模擬信號(hào)則再次通過(guò)模擬分配單元分為兩路模擬信號(hào)，一路給 AD 單元把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào) I2S 送給 CPLD，另外一路模擬信號(hào)送給模擬邏輯切換單元，再由中央控制單元通過(guò) CPLD，進(jìn)行模擬信號(hào)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(hào)和數(shù)字信號(hào)都需要經(jīng)過(guò)處理單元，給入分配單元同時(shí)分出3 路信號(hào)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(gè)輸出接口的輸出信號(hào)類(lèi)型為模擬或數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模數(shù)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(hào)給入模擬切換單元，一路轉(zhuǎn)為 I2S 信號(hào)給入 CPLD，由 CPLD 判斷信號(hào)狀態(tài)，并控制模擬切換單元，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的選擇。

　　B、數(shù)字部分：

　　數(shù)字部分采用 CPLD 完成。通過(guò) VHDL 語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)信源信號(hào)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(diǎn)，當(dāng)設(shè)備沒(méi)有電源供電的情況下，輸入信號(hào)通過(guò)繼電器的常閉觸點(diǎn)直接與輸出接口導(dǎo)通，當(dāng)設(shè)備接入供電后，繼電器常閉觸點(diǎn)變?yōu)槌ｉ_(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)變?yōu)槌ｉ]，輸入信號(hào)通過(guò)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)被傳輸?shù)皆O(shè)備輸入部分，實(shí)現(xiàn)斷電直通功能。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　在現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展過(guò)程中，廣播信號(hào)作為一種應(yīng)用廣泛的、傳播的媒介，具有很多的使用場(chǎng)景。伴隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展和發(fā)達(dá)，電信源也變得越來(lái)越密集和復(fù)雜，這就對(duì)傳統(tǒng)的模擬音頻信源的要求也越來(lái)越高，在我國(guó)多媒體技術(shù)不斷成長(zhǎng)的過(guò)程中，廣播的數(shù)字化要求使得數(shù)字音頻信源得到了飛速的發(fā)展，數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展不僅提高了音頻傳輸?shù)男剩且沧屝盘?hào)傳輸?shù)目垢蓴_性大大的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了更大范圍的音頻信號(hào)的覆蓋。但因?yàn)槲覈?guó)地區(qū)發(fā)展水平存在一定的差距，有很多地方還在使用傳統(tǒng)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(shù)字音頻信源可以同步發(fā)展，都獲得更加有效的運(yùn)用。本文從模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合 CPLD 可編程邏輯芯片，完美的解決了模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兼容性問(wèn)題，雖然增加了成本，但是大大提高了設(shè)備的兼容性，保護(hù)了用戶投資。