基于E1音頻傳輸的分析與研究

黃亦群 尹 亮

（作者單位：紫金電視調頻轉播臺）

數字音頻信號的傳輸方式多樣，各有所長。遠距離傳輸采用光纖，鋪設難度大，費用高。基于公共互聯網進行傳輸，偶發的速率波動會造成丟包卡頓，安全性和私密性很差。

基于E1信道的音頻傳輸，采用同步時分復用技術將多個語音信道和控制信道復合在一條速率為2 048 Mbps的高速信道上。并且運行在同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy, SDH）上，中間環節通過電信運營商運營的干線網，自動化、智能化程度高，擁有很強的網絡自愈、重組能力，并且做到專線專用，不易受到攻擊和干擾。E1專線作為SDH的一種使用形式，提供了一種性價比極高的信道傳輸方案，在廣播電臺得到廣泛使用。

1 系統方案

1.1 E1傳輸幀格式

利用E1線路傳輸非壓縮的數字音頻信號時，采樣頻率為48 kHz。在數據位寬為20位數據格式下，每一個幀包含幀頭、輔助數據指示、保留數據，48對A、B通道的子幀（見圖1）。幀頭供給幀同步使用，定義為16 bit二進制數，“111010111001000”，記為X；“0001010001101111”，記為Y。兩種幀頭交替使用，即相鄰兩幀分別使用幀頭X和幀頭Y。A1到B48子幀對，共96個子幀，每個子幀21 bit，其中20 bit為音頻取樣值，最后一位為保留位。總幀長度為2 048 bit，幀周期為1ms，每秒鐘傳輸的數據量為2.048 Mbps。

圖1 傳輸幀格式圖

1.2 系統總體方案

E1音頻編碼器是將輸入的立體聲音頻信號或AES/EBU數字音頻信號，經A/D數字編碼變換或數據格式轉換后，重新成幀，形成串行數據流，由E1接口輸出。音頻解碼器是將接收E1線路傳輸的串行數據，經時鐘恢復、經拆幀后，恢復出音頻信號，輸出立體聲音頻和AES數字音頻[1]。音頻顯示部分用作設備外部顯示使用，便于實時監看節目播出狀態。網口模塊用于和外部服務器交換控制數據。

2 系統模塊

2.1 數字音頻I2S發送和接收

如圖2所示，外部輸入的模擬左右立體聲信號（L/R）經過AK5383音頻編碼器，轉換為I2S格式的串行數字格式。AK5383是一個24位、128倍過采樣的雙通道A/D轉換器，采用增強型雙比特架構，能夠達到110 dB的寬動態范圍。CS8412用于將輸入的AES/EBU數字音頻信號轉換為I2S格式的串行數字格式。

圖2 系統框圖

通過判斷AES數字音頻信號是否存在，程序自動切換分別來自模擬和數字通道的I2S信號。當數字和模擬通道都存在信號時，數字通道優先通過E1線路發送。

從E1線路最終恢復出來的I2S信號，會被同時送到數字音頻編碼芯片CS8402和模擬DA轉換芯片AK4393，轉換出音頻信號。模擬和數字輸出通道的音頻信號將同時輸出[2]。

音頻接口采用了標準的I2S音頻總線接口傳輸音頻數據。I2S主要用在音頻編碼、解碼的數據傳輸部分。早期的音頻編解碼轉換數據傳輸采用16位并行數據總線。隨著音頻采樣技術的發展，量化精度進一步提高，目前的數字音頻采用的是24 bit量化標準。這就意味著并行傳輸需要24位并行數據總線，很不方便。為了簡化音頻設備之間互相傳輸數據的流程，設計了串行輸出的數據格式I2S。

音頻信號數字采樣后，I2S格式采用3線的方式傳輸，也就是提供了2個時鐘線和1個數據線（見圖3）。其中一個時鐘是左右聲道時鐘（LRC），為“0”時表示左聲道，為“1”時表示右聲道；另外一個時鐘是數據位時鐘（BCLK），在時鐘上升沿采樣每一比特位音頻樣點數據；串行數據在每一個通道傳輸32 bit，I2S用其中的24 bit，數據最高位在LRC時鐘上升/下降沿延遲一個位時鐘后順序發送[3]。

圖3 I2S格式波形時序圖

數字音頻I2S發送模塊是將I2S數據格式的信號轉成20位并行的音頻數據，接收模塊是相反的過程，將并行數據串化為I2S格式。采用verilog語言進行時序編寫，收發環路測試時，從SignalTapII上抓取到的波形圖來看（見圖4），收發的時序滿足使用要求。

圖4 波形圖

2.2 系統時鐘模塊

鎖相環（Phase Locked Loops, PLL）時鐘模塊（見圖5）通過調用FPGA內部的PLLIP核來實現，輸出1個頻率為12.288 MHz的時鐘，作為音頻編解碼的主時鐘MCLK。

圖5 PLL鎖相環及時鐘分頻

對主時鐘進行六分頻，得到2.048 MHz的時鐘，用于E1接口的數據收發同步時鐘。

對主時鐘進行256分頻，用作I2S的幀時鐘；進行64分頻，產生數字音頻位時鐘。

2.3 音頻緩存發送/接收模塊

音頻數據緩存結構（見圖6）用于緩存20位的音頻樣點數據，當緩存的數據量達到預設值之后，控制發送/接收模塊開始發送/接收音頻數據。

圖6 音頻數據緩存結構

緩存部分沒有采用外置的隨機存取存儲器（Random Access Memory, RAM）或者只讀存儲器（Read Only Memory, ROM），而是使用FPGA內部邏輯單元構成的先進先出隊列（First Input First Output,FIFO）。FPGA使用的FIFO一般指的是對數據的存儲具有先進先出特性的一個緩存器，常被用于數據的緩存或者高速異步數據的交互，即所謂的跨時鐘域信號傳遞[4]。采取順序寫入數據，順序讀出數據的方式，使用起來簡單方便。

收到I2S模塊轉換過來的20 bit音頻信號數據后，控制寫FIFO模塊寫入512個字節的FIFO中。同時判斷FIFO緩存的個數，超過預設值，控制E1發送模塊開始發送數據。

從E1線路恢復出來的20 bit音頻數據被連續寫入音頻接收緩存，接收完單包數據后再開始讀FIFO，防止FIFO為空時被讀取。接收完單包數據后給出完成標志，指示I2S接收模塊轉換音頻數據。

2.4 E1線路發送模塊

2.4.1 發送模塊狀態機

E1線路發送模塊收到來自緩存模塊的開始發送指示后，開始逐幀發送數據。發送數據的過程采用狀態機來進行描述（見圖7），將整個過程分為7個狀態。每一個狀態完成后，將跳轉到下一個狀態。

圖7 E1數據發送模塊狀態轉化圖

發送時沒有接收到發送指示，狀態機將一直處于初始狀態。在收到發送指示信號上升沿，跳變到幀頭發送狀態，依次發送XY幀頭、輔助數據和保留數據。發送模塊的代碼中定義了數組來存儲E1的幀頭、輔助數據及保留數據，在系統復位時將初始化數組的值。輔助數據標識用于說明子幀數據格式中的4 bit輔助數據用途，定義為2位二進制數。“00”表示音頻模式；“01”表示語音模式；“10”表示加強糾錯模式；“11”為未來預留。保留數據共10 bit，默認值為全零。

發送通道音頻子幀時，會分別發送左右聲道對應的21 bit子幀。采用乒乓方式交替發送，直到96個子幀發送完成，進入校驗碼發送狀態。每發送完一幀數據后，兩種幀頭X和Y將會交替使用[5]。

2.4.2 HBD3編碼

數據流在2.048 MHz參考時鐘串行發送后，為了滿足信道的傳輸，還需要對數據流HBD3編碼。在E1線路傳輸時，發送的數據幀不能直接在線路傳輸，會引起很大的誤碼，影響接收端還原數據。在數據流出現長串“0”時，接收端長時間收到低電平，沒有時鐘跳變，就不能恢復時鐘。HDB3編碼解決了這些缺點，當原信碼出現長連“0”串時，進行數據雙極性高密度編碼，比其他碼型更適合E1線路傳輸。

2.4.3 CRC32校驗模塊

循環冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check,CRC）一共4 bit，添加在數據幀的末尾。采用校驗和算法，用于檢測消息是否被修改以及進行數據糾錯。校驗碼生成多項式為X4+x+1產生。E1編碼發送端校驗編碼器的輸入是一幀中的全部音頻數據，即96個音頻字，1 920 bit產生一個4 bit校驗字。

當E1接收解碼端檢測到校驗碼發生錯誤時，將主動重復前一幀的音頻數據，防止數據流出現中斷，引起音頻信號斷續播放。

2.5 E1線路接收模塊

2.5.1 接收模塊狀態機

E1線路接收模塊收到數據后，進行時鐘數據恢復。然后對數據進行雙極性解碼，恢復出整個數字音頻數據幀。

在進行音頻數據接收時，仍然用verilog語言編寫狀態機。接收的過程和E1數據發送模塊狀態轉化正好完全相反（見圖7）。

接收空閑時處于idle狀態，直到數據輸入指示后跳入幀頭接收狀態。這一步是恢復數據的關鍵，出錯后將會導致后面的音頻數據亂序，出現爆破音。連續不停地進行數據接收判斷，看X幀數據“111010111001000”和Y幀數據“0001010001101111”是否出現。出現后依次跳轉至輔助數據接收狀態和保留數據狀態，完成后就開始進行AB音頻數據子幀的恢復。這里左右聲道的數據幀按照乒乓的方式進行接收，分別將數據存到對應的緩存區。完成所有數據幀接收后，進行整個數據幀的校驗和計算。如果計算結果和接收幀末尾的校驗碼不吻合，判斷這一幀數據錯誤，主動重復前一幀的音頻數據；如果結果吻合，就進入下一個E1數據幀的接收。

2.5.2 延遲鎖相環

在接收來自發送端的數據時，經過長距離的傳輸，必須解決接收端和發送端時鐘一致性的問題。這時兩邊的參考時鐘頻率是有差異的，必須采用數字延遲鎖相環進行鎖相（見圖8），使收端和發端的時鐘頻率保持一致。

圖8 數字延遲鎖相環

鑒相器將E1線路的輸入時鐘和設備參考時鐘進行比較，產生相位差控制接收端輸出時鐘變化。當二者的頻率完全相等時，相位差將保持恒定，收發時鐘完全同步。準確產生恢復時鐘后，就可以在適當的間隔對輸入信號進行采樣以恢復音頻數據。

3 傳輸測試結果

為了直觀地反映音頻信號經過一系列的編解碼處理以及E1線路傳輸之后引起的變化，對整個傳輸鏈路進行了測試。

（1）將音樂節目送入音頻輸入端，從E1信道傳輸后，用耳機監聽接收端還原出來的音頻節目，聲音無斷點、無底噪、音質無損，滿足節目傳輸需求。

（2）將標準測試信號送入音頻輸入端，從E1信道傳輸后，將接收端還原出來的音頻信號送入標準音頻分析儀進行指標分析，測試結果如表1所示，完全滿足國家廣播甲級標準。

表1 音頻指標測試結果

4 結語

基于E1信道傳輸的音頻編解碼器，采用了數字處理芯片及大規模FPGA，集成度和穩定性很高，能夠低失真地播出節目。利用SDH、PDH、微波的2M通道，可以實現點對點傳輸音頻節目。配合E1接口分配器，還可以實現一發多收的廣播式傳輸音頻節目。可以在省、市、縣、鄉級地區組網，實現超長距離傳輸音頻。通過E1信道的時分復用特性，還可以任意在指定的區間添加其他節目和控制指令，為以后設計升級提供思路。