一种袖珍式AES数字音频监听仪的设计制作与应用

摘要：本文详细介绍了一种袖珍式AES数字音频监听仪的设计和制作过程，对该仪器在数字音频领域中的应用场景进行分析。仪器采用紧凑的一体化设计，具备数字接口、转换电路、电池和扬声器。仪器操作简单、功耗低、体积小，极大方便了音频技术人员的日常使用。在大型音频工程或广播电台等专业音频领域，通常使用AES/EBU格式进行数字音频数据传输，该仪器在涉及数字音频领域的工程建设、系统维护等应用场景中应用广泛。

关键词：AES3；数模转换；数字音频

0 引言

广播电台机房的音频传输标准采用国际标准 AES3 （AES/EBU，音频工程协会 / 欧洲广播联盟）^[1] 格式，目前绝大多数正在广播电台的机房设备、大型音频工程、高端民用音响，相互之间的音频信号传输均采用这一标准。AES 也是一种单向传输，相对于早期的模拟信号，音频数字化以后进行传输，能够消除线路上的噪声和干扰，实现基本无损失的信号传递。特别是 CD 机等设备自带 AES3 数字信号输出口，发射机端带有 AES3 数字信号输入口，能够实现从音源到发射机之间完全无损失的传输路径。维护一个全数字化机房的设备和布线，相应地需要数字化的检修维护仪器。

1 全数字化机房的检修问题

1.1 数字化机房运维

早期的模拟音频信号线路，通过插接一个耳机或功放进行监听，用一个音频电平表或万用表测量信号电平，但数字信号无法直接监听，也不能直接使用电平表进行检查。在发生故障时，只能使用专业仪器进行故障判定，目前的专业音频测试仪器功能强大，但操作也很复杂，对值班人员的要求高，检修速度也不能很快，体积大，不利于随身携带。大多数情况下，数字传输体系可靠性较高，故障多数来源于双绞线断开、插头开焊、接线错误、光端机异常等。还有一类故障是调音台等数字设备的参数设置有误，造成音频信号缺声道等“软故障”，多发生在变更设备或工程建设初期的调试阶段。现代化的数字音频设备复杂度很高，如果发生故障，一般是厂家才能对设备本身进行检修，或整机更换。本文所述仪器，功能定位于判断某台设备或某段线路的故障。

1.2 AES3信号的关键指标

使用示波器能够观察卡侬插座的 AES3 信号波形。如图 1 是 AES3 信号实测的波形图，其中最重要的特征有三个。

1）X 轴的电压幅度，代表了实际电缆中传输的信号幅度，这个信号如果没有或者太低，就不能被接收设备识别。总局发布的有关标准 ^[1] 规定了这个信号的峰峰值电压，不低于 2 V，不高于 7 V。一般在 5 V 左右。（图 1 中是单端测量的 2.5 V）

2）波形的频率、上升下降沿时间和噪声，波形应该清晰明确，具有合适的上升下降时间。如果波形含糊不清，带有明显噪声，将导致误码率高，接收设备工作异常。

3）数字编码所代表的音频内容。解码是否正确只有解码这个 AES3 信号以后才能知道。

1.3 现状和需求

音频工程建设或系统维护期间，数字音频传输是否准确，设备参数是否正常，通常使用一台数模转换器加一个耳机能够 简单判断，无需更专业的仪器设备。但专业的模数转换器体积较大，在机房的维护区搬运移动不方便，还需要额外电源，对 技术人员来说，负担较重。

2 总体方案设计

袖珍式 AES 数字音频监听仪，目的是解决上述一系列问题。该设备在一个紧凑的小体积壳体内集成了数字接口、转换电路、参数监看、测试按钮、电池、功放和喇叭等电路，能够作为日常检修时随身携带的仪器，能够直观听到 AES3 线路承载的音频内容，快速排查线路故障。设计时还预留了有关 AES3 数据传输的附加信息测量接口，能够进一步扩展功能。整体电路示意图如图 2 所示。

2.1 AES3接口电平转换

AES3 接口采用差分传输，插头座的形式是卡侬 3 芯，其中 1 脚是地，2、3 脚是信号，不分极性。信号以不归零调相编码传输，但在每个数据块的开头，采用了特殊的编码方式作为标记^[2]。AES3线路电平是2-7 V，实际工程中基本采用 5 V 电平。信号在输入到解码电路时，要做电平转换和平衡 - 不平衡适配。电路图 2 中， X1 是卡侬母座，平衡的 AES 信号经过隔直电容和变压器耦合，然后经过一个可调电阻进入下一级电路。使用这种电平转换电路，通过事先校准 R2 的阻值，能够测试到电平过高或过低的情形。

2.2 解码和数模转换电路

解码部分采用了专用集成电路 CS8416，这个集成电路把 AES3 信号转换成 I²S 信号。数模转换部分采用了常用的CS4334集成电路，完成I²S到模拟音频的转换。两个集成电路均采用典型电路，在图 2 中作为一个组件 IC1。

2.3 声道测试按钮

针对立体声广播的测试需要 ^[3]，设置了两个按钮 S1 和 S3，按下其中一个，可以单独测试某一个声道。具体电路如电路图 2 所示，实际上是两个音频信号对地短路的开关，按下时能够短路掉一个声道，从而仅能听到另一个声道。立体声缺声道问题在系统调试和检修中是一种较为隐蔽的故障。

2.4 功放和喇叭

功放 AMP1 采用了 D802 这个集成电路，是一个传统的线性功放。相对于 D 类功放来说，元件数量少，没有电磁干扰，喇叭中安静无杂音。D802 是常用的功放集成电路，工作电压为 3-5 V, 适用于单节锂电池供电的设备，输出功率超过 2 W，能够提供足够大的音量。

功放前面加入一个电位器 R6 用作音量调节。这个电位器通常旋转到合适的某个位置就固定不动了，作为对照测量时的参考 ^[4]；为避免误动作，并没有安装旋钮，而是暗装在壳体内部，通过壳体的小孔，用螺丝刀调节。

2.5 锂电池和充电电路

电源部分采用了带有充放电保护板的锂电池如图 2 中的 G1，容量 600 mAH。实测待机电流 20 mA，工作电流取决于音量大小，约 100-500 mA。也就是电池可以待机 30 小时或者工作 1-6 小时左右，能够满足要求。 X2S 是一个 Micro USB 充电接口。二极管 D2 和 D3 组成“或门”电路，驱动电源开关内部附带的指示灯，在充电时和工作时都能亮起，作为指示。

2.6 备用的数据接口

AES 信号中，在数字音频的数据以外，还同时传输附加的其他信息位，用来描述音频信号格式和设备工作状态。解码这些信息需要采用单片机，图中 IC2 和 X3 是预留的数据接口。

3 样机制作和测试

实验用的样机采用了一个尺寸较小的成品塑料外壳，如图 3 所示为内部结构和实物外观的照片。外壳开孔，也作为喇叭的共鸣腔体，使声音浑厚响亮。

图3样机内部结构和外观

样机制作比较粗糙，主要是功能验证。经过实测，完全达到了预期效果。

图 4 是正在开发中的另一个测试仪电路板，采用了一块 3.5 英寸（1 英寸 =2.54 cm）带触摸的彩色液晶屏显示实测波形和数据信息，功能更加完善。附带的网络接口能够适应未来 IP 化场景，相应的，软硬件也更复杂一些。

图4 正在开发的新版本

由电路原理能看出，这种测试方法，不是完备的测试方法，仍存在一些缺陷有待解决。例如，信号存在超量的抖动或时间同步出现问题时 ^[5]，仍然可能“测试正常”，这是因为解码芯片的默认工作状态对这些异常没有严格限定，导致冗余量太大，对故障反应不敏感。仪器在使用中不断改进，运维团队群策群力，在确保廉价、便携易用、低耗电的原则下，正在逐渐完善此测试仪器。未来也将适应 IP 化需求，研制 IP 网络环境下的类似仪器，提高运维水准。

4 结语

袖珍式 AES 数字音频监听仪具有 AES/EBU 信号的音频监听、参数监看功能，电池供电，体积小，便于携带，可以满足在数字音频工程施工和系统维护的需求，可广泛应用于音频工程建设、广播电视行业等数字音频领域。

参考文献：

[1] GY/T 158-2000 演播室数字音频信号接口[S].北京:国家新闻出版广电总局,2000.

[2] GY/T 156-2000 演播室数字音频参数[S].北京:国家新闻出版广电总局,2000.

[3] GY/T 275-2013电台节目制播质量监测技术规范[S].北京:国家新闻出版广电总局,201.

[4] GY/T 285-2004 数字音频设备音频特性测量方法[S].北京:国家新闻出版广电总局,2004.

[5] GY/T 193-2003 数字音频系统同步[S].北京:国家新闻出版广电总局,2003.

(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年8月期)