許衛(wèi)行 展再銘 江蘇廣播電視發(fā)射傳輸臺

1.背景

江蘇廣播電視發(fā)射傳輸臺目前發(fā)射11套調(diào)頻廣播，為了保證安全播出，需要工作人員利用多臺收音機同時進行實時監(jiān)聽，耗時費力。后來利用多個收音頭連接到音頻彩條監(jiān)視器，通過大屏顯示，來判別無線調(diào)頻廣播信號有無，這種方法采用的設備也較多，系統(tǒng)也較為復雜。針對這種情況，我們研制了調(diào)頻廣播網(wǎng)絡化音頻監(jiān)測器，實現(xiàn)了調(diào)頻空收信號的以太網(wǎng)傳輸，融入了我臺調(diào)頻廣播自動化運維管理系統(tǒng)，提高了調(diào)頻廣播安全播出的保障力度。

2. 設計原則

（1）可靠性

電源安全穩(wěn)定，雙路電源，一路電源中斷不影響設備工作；器件安全可靠，基于FPGA全硬件系統(tǒng)架構，無軟件系統(tǒng)跑飛、死機現(xiàn)象。

（2）可管理功能

預置網(wǎng)絡接口和串行接口，方便進行參數(shù)配置、監(jiān)測狀態(tài)輸出等，利用網(wǎng)絡接口集中到用戶的統(tǒng)一網(wǎng)絡監(jiān)測平臺。

（3）擴展性能

通過交換機連接調(diào)頻廣播網(wǎng)絡化音頻監(jiān)測設備、SDI嵌入音頻、模擬音頻、數(shù)字音頻等以太網(wǎng)組播設備，實現(xiàn)任意廣播信號源的網(wǎng)絡傳輸，理論上千兆交換機可以實現(xiàn)超過3000路音頻的網(wǎng)絡傳輸，便于信號統(tǒng)一監(jiān)測。

（4）接口標準化

具有一致的通訊協(xié)議，方便終端進行統(tǒng)一監(jiān)測。（5）功能升級可以通過串口專用電纜進行功能升級。

3. 技術特點

（1）射頻信號經(jīng)解調(diào)處理后的數(shù)字基帶信號通過以太網(wǎng)組播輸出。音頻內(nèi)容符合MICROSOFT的VISUAL STUDIO開發(fā)工具的DIRECTSOUND多媒體格式，方便客戶端應用程序的開發(fā)。

（2）FPGA實現(xiàn)音頻的采樣率轉(zhuǎn)換和比特壓縮，顯著降低了網(wǎng)絡流量，防止網(wǎng)絡交換機阻塞。

（3）通過交換機堆疊，實現(xiàn)整個組播網(wǎng)絡監(jiān)測任意多路音頻。計算機可以通過終端軟件播放任一路音頻。

（4）音量峰值提取后轉(zhuǎn)換成dBm，在串口和組播包中輸出，方便用戶二次開發(fā)，顯示音量彩條。

（5）通過堆疊組播設備, 實現(xiàn)音頻信源的統(tǒng)一監(jiān)聽監(jiān)視，如模擬音頻、數(shù)字音頻、SDI嵌入音頻的組播設備，其中，監(jiān)視可以通過客戶端軟件的彩條來顯示，監(jiān)聽可以通過點擊彩條在功放上輸出監(jiān)聽。

4. 方案設計

4.1 總體設計

本方案通過飛利浦公司的TEA5767接收FM廣播信號，經(jīng)過高性能A/D芯片轉(zhuǎn)換成I2S格式的數(shù)字音頻送到FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片進行I2S格式音頻數(shù)據(jù)流解碼、音量提取、音頻壓縮，最后實現(xiàn)音頻的以太網(wǎng)組播輸出。實現(xiàn)的功能框圖如圖1所示。

TEA5767是飛利浦公司生產(chǎn)的一款收音機芯片，手機、MP3、MP4里的收音功能基本上是基于該芯片實現(xiàn)的。TEA5767內(nèi)置了主頻高達75MHZ的數(shù)字信號處理器，實現(xiàn)384kbps/48kHz的MD級高品質(zhì)MP3音樂文件回放，加上擁有一般MP3播放器難以企及的高保真回放線路（信噪比高達95dB，THD總諧波失真率〈0.05%、功耗低、普及廣，該芯片具有很高的性價比。

圖1 功能框圖

FPGA通過TEA5767的I2C通信接口控制需要的FM解調(diào)頻率。TEA5767輸出的模擬音頻，經(jīng)過單端至平衡的轉(zhuǎn)換，通過XLR接口輸出，方便系統(tǒng)使用。音頻A/D芯片將TEA5767輸出的模擬立體聲音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字音頻輸出，其格式為I2S。I2S (Inter—IC Sound)總線是飛利浦公司為數(shù)字音頻設備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標準，該總線用于音頻設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應用于各種多媒體系統(tǒng)。它采用了沿獨立的導線傳輸時鐘與數(shù)據(jù)信號的設計，將數(shù)據(jù)和時鐘信號分離，避免了因時差誘發(fā)的失真。

FPGA通過I2S解碼模塊I2S-DET接收到音頻數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出到音頻數(shù)據(jù)總線，供后級模塊如數(shù)據(jù)壓縮、音量提取使用。

一塊電路板集成8路FM接收模塊,FPGA同時處理8路信號，并按照組播的方式發(fā)出音頻內(nèi)容和音量指示。

4.2 系統(tǒng)設計

4.2.1 FPGA頂層模塊（ALTERA QUARTUS II）設計如圖2所示。

（1）I2S解碼模塊

解碼模塊負責將A/D送過來的音頻數(shù)據(jù)解析，送到數(shù)據(jù)總線。I2S有三個數(shù)據(jù)線，即：串行時鐘SCLK，即對應數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，其頻率=2×采樣頻率×采樣位數(shù)；幀時鐘LRCK (也稱WS)，用于表示左右聲道的數(shù)據(jù)，LRCK為“1”表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)；串行數(shù)據(jù)SDATA，就是用二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)。共8路解碼模塊，這些模塊并行運行。

（2）音頻音量檢測單元模塊

音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過2的補碼編碼，音頻數(shù)據(jù)輸出處理單元負責進行轉(zhuǎn)換。該單元將接收到的音頻采樣數(shù)據(jù)（電平）轉(zhuǎn)換成dB值，并輸出到FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。

（3）音頻壓縮和數(shù)據(jù)輸出模塊

圖2 頂層模塊設計

圖3 抽樣量化

數(shù)據(jù)總線上的音頻數(shù)據(jù)，CPU采集數(shù)據(jù)后，控制指示電路指示，同時驅(qū)動以太網(wǎng)組播模塊，將采集到的數(shù)據(jù)輸出。為了減小網(wǎng)絡負擔，本設備中加入了音頻數(shù)據(jù)采樣率轉(zhuǎn)換模塊和比特壓縮模塊。采樣率轉(zhuǎn)換模塊提供參數(shù)選擇，將進入的AES/EBU數(shù)據(jù)從48k或32k抽樣轉(zhuǎn)換為16k。比特壓縮模塊將24bit壓縮至8bit，客戶端的聲音播放沒有明顯的劣化，顯著提高了效率。圖3描述了從48k抽樣24bit量化到16k抽樣8bit量化的過程。

（4）以太網(wǎng)組播輸出模塊

所有音頻內(nèi)容、音量等通過以太網(wǎng)組播輸出，所有組播內(nèi)的計算機可以通過終端軟件播放每一路音頻數(shù)據(jù)。音頻內(nèi)容包符合Microsoft的visual studio開發(fā)工具的DirectSound多媒體格式，方便客戶端應用程序的開發(fā)。

（5）TEA5767 I2C配置模塊

I2C（Inter－ Integrated Circuit） 總 線 是 由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。是微電子通信控制領域廣泛采用的一種總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。

4.2.2 FPGA與TEA5767之間的連接如圖4所示。

參數(shù)保存模塊，系統(tǒng)需要保存好的頻率參數(shù)供TEA5767使用，本系統(tǒng)用的是24C08型的FLASH IC保存參數(shù)，24C08也是通過I2C總線進行通信?？梢酝ㄟ^串口修改頻率參數(shù)：串口接收到頻率參數(shù)，將這些參數(shù)保存到24C08中。參數(shù)修改或設備上電啟動時，這些頻率參數(shù)被上述I2C配置模塊配置到各個TEA5767中，系統(tǒng)開始工作。

5. 實際應用，構建音頻網(wǎng)絡化監(jiān)測系統(tǒng)

5.1 調(diào)頻廣播網(wǎng)絡化監(jiān)測器應用

調(diào)頻廣播網(wǎng)絡化監(jiān)測器應用如圖5所示。多個調(diào)頻廣播網(wǎng)絡化音頻監(jiān)測設備，通過交換機和監(jiān)測客戶端連接，方便監(jiān)聽，監(jiān)測。由于采用組播技術，任意多個客戶端，也不會增加網(wǎng)絡流量，顯著提高工作效率。

圖4 FPGA與TEA5767之間的連接

5.2 音頻系統(tǒng)的綜合網(wǎng)絡化監(jiān)測

模擬音頻、數(shù)字音頻、調(diào)頻廣播接收音頻、SDI嵌入音頻的組播設備可以通過交換機連接起來，統(tǒng)一對音頻進行監(jiān)測，系統(tǒng)連接如圖6所示。

5.3 客戶端程序

客戶端程序通過Microsoft的visual studio開發(fā)工具開發(fā)，音頻播放采用DirectSound多媒體工具包進行播放，十分方便?？蛻舳顺绦虻男问娇梢允嵌喾N多樣的，如音量柱形條、流程圖、LED跳動等，形象直觀。圖7顯示的是某音量柱形條監(jiān)測終端。

6. 結束語

相比于目前市場上實現(xiàn)相同功能的產(chǎn)品，該設備更注重可用性、實用性，特別是音頻信號的有效壓縮，使組播數(shù)據(jù)量小，千兆交換機不再出現(xiàn)堵塞，不出現(xiàn)丟包。

圖5 多臺網(wǎng)絡化音頻監(jiān)測器連接示意圖

圖6 多臺不同組播設備連接示意圖

該設備基于FPGA硬件實現(xiàn)，電路板面積小，器件少，成本低，該設備在江蘇廣播電視發(fā)射傳輸臺中心機房、杭州電視發(fā)射臺使用近3年，性能穩(wěn)定，安全可靠、操作簡單易行。

該設備自主成功研發(fā)，提高了我臺對廣播電視信號的智能化監(jiān)測水平，也提高了廣播電視技術人員的科技創(chuàng)新能力，有效提升了廣播電視技術維護隊伍的業(yè)務水平。

圖7 音頻柱形條終端示意圖