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作者：Roland Prager，現場應用工程師 摘要 ADI公司A2B總線的全新增強功能為數據和音頻傳輸與分發帶來新的發展。智能樓宇、大廳、房間或智能家居均可從新型收發器的眾多集成特性中獲益。新的A2B增強功能包括總線長度更長，可達300米，并且總線功率更高，可達50 W。本文重點介紹了這些增強功能如何幫助打造更復雜的系統。文中展示了一些應用示例，其中A2B總線可以幫助簡化布線架構，而涉及的硬件和軟件工作量非常少。 引言 A2B是一種雙向高帶寬數字音頻總線，能夠在很長的距離上（節點間的距離長達30 m，整個總線長度為300 m），使用一條2線式非屏蔽雙絞線(UTP)電纜傳輸I2S/TDM/PDM數據、I2C/SPI控制信息以及時鐘和供電信號。該總線在汽車應用和統一通信應用中已經非常成熟。通過不斷的深入開發，A2B還可用于許多商業和工業用途。 商業、辦公和公共建筑要求公共廣播系統(PA)持續可用。PA是由麥克風、放大器、揚聲器和相關設備組成的電子系統。它能提高人聲、樂器或其他聲源的響度。舉例而言，這種系統可以取代傳統的警報系統。在緊急情況下，清晰的語音指示比傳統的警報器更能有效地引導人們做出正確的反應，幫助人們更好地理解情況，并有可能避免災難的發生。 此外，音樂分發、語音警報、廣播和對講功能可以成為該系統的一部分，系統的復雜性因而會增加。隨著系統不斷發展，以及對額外廣播功能的需求不斷增加，設計變得越來越復雜。A2B技術可能有助于滿足這一需求。 為了服務大量節點，使用以太網作為物理層時，每個節點都需要配備昂貴的微控制器。此方法常用于簡單的音頻和控制設備。除以太網外，100V線路也被使用，并具有通過電纜傳輸電力的優勢，但它們在一個方向上只能傳輸一個音頻信號，無法添加數據通信，并且所需的變壓器非常笨重。 這就是A2B發揮作用的地方。A2B讓本地相關設備（如揚聲器、麥克風、對講站、控制面板和傳感器）能夠通過簡單線纜以菊花鏈形式連接起來。 A2B易于使用和實施，是理想的解決方案。A2B收發器可以連接到設備，用戶將獲得64個雙向音頻通道（32個下行通道和32個上行通道），這些通道可以配對，與位于端點的外圍設備進行I2C/SPI/GPIO通信。無需開發或使用更復雜的時隙協議棧。 A2B是一種高速雙向時間同步總線，可傳輸I2S/TDM以及I2C、SPI、GPIO數據，數據速率為50 Mbps。這種高速數據傳輸的優勢是任意兩個節點之間的延遲低至50 μs。 借助非屏蔽雙絞線(UTP)，可將多達17個節點（包括主節點）以菊花鏈形式連接到一條總線上�？偩�長度可長達300米，而每個節點之間的距離可達30米。通信可以從一個節點到另一個節點，這意味著如果選擇48 kHz和16位，則每個節點都可以向任何其他節點發送32個音頻通道。數據大小可以根據不同的需求確定，數據速率可以設置為1.5 kHz至192 kHz之間。數據寬度越小、數據速率越低，可用通道數越多。 另一大亮點是總線功率，整條總線可以傳輸高達50 W的功率。因此，節點可以通過總線遠程供電，而無需額外的本地電源。中等輸出功率的揚聲器節點也可以通過A2B總線供電。但是，如果功率需求更高，則需要外部電源。 
圖1.A2B網絡及其相連模塊的設置示例。 圖1展示了A2B總線的靈活性，它能簡化系統設計和配置。由于收發器已經集成了許多模塊和接口，因此通常不需要單獨的微控制器即可運行。 如圖所示，簡單的節點是一個麥克風陣列，它采用AD2437收發器。可連接多達四個PDM麥克風。這種麥克風陣列可用于定位噪聲源以執行噪聲消除，或找到音頻的到達方向。在這種情況下，可以從相鄰背景噪聲中提取該音頻源。由于總線延遲非常低，此陣列不一定需要位于同一個節點上。它可以輕松地分布于房間內不同位置的多個節點。電源將從總線獲取，因為此節點的功耗非常低，無需單獨的電源。因此，解決方案非常小且易于安裝。例如，我們設計過一個尺寸為35mm × 19mm的節點，其中包括導線連接器和總線電源電路。 如果需要更復雜的功能，可以通過I2S輸出將單獨的D類或任何其他功率放大器連接到AD2437。此外，還可以連接音頻編解碼器。由于音頻通常不會隨時中斷，因此可以采用I2C接口來并行設置功率放大器或編解碼器。借助這種配置，可以創建一個簡單的總線供電對講終端。AD2437還具有GPIO，其中一些提供脈沖寬度調制(PWM)輸出。這可以用作鍵盤端口輸入來與主機交互。如果按下某個鍵，主機就會收到中斷，從而可以建立通信。PWM輸出可用于指示通信是否處于活動狀態，驅動LED（指示連接狀態），以及指示所需的所有其他信息。這種簡單但有效的功能不需要單獨的微控制器，整個系統的軟件工作得以簡化。 復雜度更高的對講終端（如帶有圖形用戶界面(GUI)）可以使用微控制器通過SPI獲取數據。請注意，SPI總線最大速度為10 Mbps。 對于純揚聲器節點（可能位于天花板或建筑物的其他部分，需要更高輸出功率），外部電源將足以滿足需求。總線電源不需要插入到主機節點，可以將其插入到任何中間節點的某個位置，以減輕電纜內的電流壓力。
圖2.公共廣播系統示例。 在很多其他應用中，功能豐富的A2B也優于以前使用的技術，可以取而代之。這些應用包括需要通信和多通道音頻傳輸的應用。 護士呼叫/通知系統由以太網配置組成，復雜度較低。在這種情況下，將有一個房間控制器通過以太網連接，但與患者終端的連接將通過A2B運行。此配置能夠通過一根UTP電纜將所有必要的音頻、數據和電源傳輸到房間內分布的多達16張床位。每個終端都可以輕松配備一個小型微控制器，以便為每位患者提供豐富的音頻通道選擇。顯示屏可以指示通道選擇、時間和警報狀態。警報按鈕可以直接連接到其中一個GPIO，以觸發房間控制器上的中斷。此外，如果患者行動受限，選定的終端可以即時將麥克風信號傳輸到房間控制器。系統可以轉換選定的關鍵詞并觸發警報。 由于此環境的安裝可能變化多端，因此系統必須支持方便地修改其設置。網絡中終端的添加和刪除將由主機提供的即插即用協議棧處理。為了在移除的終端上保持菊花鏈配置，可以使用一個小型適配器來橋接缺失的節點。如果通信中斷，診斷程序將報告故障。 A2B總線的超低延遲和完全同步行為對柜臺對講系統也有益。多個麥克風可以位于不同位置，使用波束成形技術清晰地分離柜臺前講話者的聲音通道。所有來自鄰近人員的背景噪音都將被抑制。任何隔音屏障（如玻璃墻）之間都可以建立清晰的對話。通常，柜臺、醫院的隔離區域或潔凈室設施都很適合采用此類解決方案。
圖3.柜臺對講系統示例。 類似地，監獄對講系統中的所有麥克風數據都可以傳輸到主機系統，許多音頻通道（如不同的無線電頻道）可以廣播到每間牢房。 使用波束成形的另一個典型例子是會議系統，允許在會議室中放置許多麥克風。語音轉文本系統需要能夠將不同說話者的音頻信號清晰分離。由于延遲低，所有麥克風通道可以同時傳輸到主機控制器或數字信號處理器(DSP)，以計算不同的波束位置。 另一種方法是使用座位到座位桌面麥克風或耳機，并將其連接到口譯系統。在這里，所有與會者都可以獲得自動翻譯成各自母語的個性化音頻數據。通過使用較低質量的音頻帶寬，系統可以支持相當多的通道。因此，主機可以接收所有麥克風信號，并輕松進行優先級排序。排序方式可以基于信號強度從高到低，也可以采用系統控制的方式，僅向選定的人員開放語音。在這種情況下，所有終端都可以通過總線供電，而不需要在桌子上布置局部電源。 家用自動化系統日益普及，其便捷的燈光、暖氣、空調和卷簾控制功能廣為人知。除此之外，這些系統還需要將音頻分發到許多房間。這樣，您在房屋的任何位置都能聽到門鈴聲，即使在浴室中聆聽高音頻品質的收藏播放列表也不例外。將音頻流傳輸到家中任何位置的功能，以及支持麥克風通過語音命令控制房屋的功能，都非常實用。相較于通過WLAN進行無線連接，有線連接可提供更可靠的鏈路并減輕無線流量負載。 A2B非常適合專業音頻系統、家庭錄音室和現場舞臺設施，利用CAT5或XLR等現有電纜技術就能輕松實現音頻連接。觀看視頻，了解更多信息：A2B：不限于汽車應用——錄音室耳機混頻器演示。 讓我們來更深入了解A2B總線，以及它如何能夠雙向處理如此多的音頻通道。A2B總線以48 kHz心跳的方式通過總線發送超幀。數據以1024倍的速率傳輸，總線上的數據流頻率達到49.152 MHz。超幀由兩部分組成：一部分是上行，另一部分是下行，通信由同步控制幀和同步響應幀啟動。在下行/上行時隙內插入所有I2S/TDM數據、I2C數據、GPIO和中斷信息。 主機生成時鐘，所有節點與該時鐘同步，使得系統始終同步。同步控制幀中的前同步碼確保所有節點同步并且可向外設提供時鐘。這樣做的好處是整個音頻鏈不需要額外的時鐘、本地振蕩器或異步采樣速率轉換器。
圖4.A2B超幀。
圖5.A2B數據流。 啟動時，直連到第一個A2B收發器芯片（如AD2437）的主機處理器將把它設置為主節點。主機處理器提供穩定的48 kHz信號，收發器將開始用其鎖相環(PLL)鎖定該信號。主節點設置完成后，它開始逐個啟動子節點。 SigmaStudio+軟件支持全系統設置，包括音頻通道和節點配置。它是一款圖形化編程、診斷和調整工具，允許設計人員添加音頻編解碼器、D類放大器等外設，輕松創建A2B網絡的圖形用戶界面。針對Linux系統的軟件協議棧和即插即用協議棧都已提供，便于在運行期間添加或刪除總線上的節點。 帶XLR或RJ45連接器的主評估模塊或子節點評估模塊支持A2B，包括電源傳輸。 結論 新型A2B收發器的功能進一步增強，例如電纜更長且總線功率更高，這為各種應用開拓了廣泛的機會，尤其是在需要通過簡單布線將多個音頻通道連接到控制數據的情況下。如果總線上連接的設備既有簡單節點，也有復雜節點，那么總線允許即使在不太復雜的節點上也能采用低成本硬件實現。即使在非音頻應用中，例如準確同步的傳感器網絡，A2B也能顯著簡化應用。 欲查找有關新型A2B收發器AD2437的更多信息，請點擊此處。 欲查找A2B資料并了解有關A2B應用的更多信息，請訪問analog.com/a2b。 |
