为什么A2B能够支持更复杂的新数据和音频传输系统

作者：Roland Prager，现场应用工程师

摘要

ADI公司A²B®总线的全新增强功能为数据和音频传输与分发带来新的发展。智能楼宇、大厅、房间或智能家居均可从新型收发器的众多集成特性中获益。新的A²B增强功能包括总线长度更长，可达300米，并且总线功率更高，可达50 W。本文重点介绍了这些增强功能如何帮助打造更复杂的系统。文中展示了一些应用示例，其中A²B总线可以帮助简化布线架构，而涉及的硬件和软件工作量非常少。

引言

A²B是一种双向高带宽数字音频总线，能够在很长的距离上（节点间的距离长达30 m，整个总线长度为300 m），使用一条2线式非屏蔽双绞线(UTP)电缆传输I2S/TDM/PDM数据、I2C/SPI控制信息以及时钟和供电信号。该总线在汽车应用和统一通信应用中已经非常成熟。通过不断的深入开发，A²B还可用于许多商业和工业用途。

商业、办公和公共建筑要求公共广播系统(PA)持续可用。PA是由麦克风、放大器、扬声器和相关设备组成的电子系统。它能提高人声、乐器或其他声源的响度。举例而言，这种系统可以取代传统的警报系统。在紧急情况下，清晰的语音指示比传统的警报器更能有效地引导人们做出正确的反应，帮助人们更好地理解情况，并有可能避免灾难的发生。

此外，音乐分发、语音警报、广播和对讲功能可以成为该系统的一部分，系统的复杂性因而会增加。随着系统不断发展，以及对额外广播功能的需求不断增加，设计变得越来越复杂。A²B技术可能有助于满足这一需求。

为了服务大量节点，使用以太网作为物理层时，每个节点都需要配备昂贵的微控制器。此方法常用于简单的音频和控制设备。除以太网外，100V线路也被使用，并具有通过电缆传输电力的优势，但它们在一个方向上只能传输一个音频信号，无法添加数据通信，并且所需的变压器非常笨重。

这就是A²B发挥作用的地方。A²B让本地相关设备（如扬声器、麦克风、对讲站、控制面板和传感器）能够通过简单线缆以菊花链形式连接起来。

A²B易于使用和实施，是理想的解决方案。A²B收发器可以连接到设备，用户将获得64个双向音频通道（32个下行通道和32个上行通道），这些通道可以配对，与位于端点的外围设备进行I2C/SPI/GPIO通信。无需开发或使用更复杂的时隙协议栈。

A²B是一种高速双向时间同步总线，可传输I2S/TDM以及I²C、SPI、GPIO数据，数据速率为50 Mbps。这种高速数据传输的优势是任意两个节点之间的延迟低至50 μs。

借助非屏蔽双绞线(UTP)，可将多达17个节点（包括主节点）以菊花链形式连接到一条总线上。总线长度可长达300米，而每个节点之间的距离可达30米。通信可以从一个节点到另一个节点，这意味着如果选择48 kHz和16位，则每个节点都可以向任何其他节点发送32个音频通道。数据大小可以根据不同的需求确定，数据速率可以设置为1.5 kHz至192 kHz之间。数据宽度越小、数据速率越低，可用通道数越多。

另一大亮点是总线功率，整条总线可以传输高达50 W的功率。因此，节点可以通过总线远程供电，而无需额外的本地电源。中等输出功率的扬声器节点也可以通过A²B总线供电。但是，如果功率需求更高，则需要外部电源。

图1.A²B网络及其相连模块的设置示例。

图1展示了A²B总线的灵活性，它能简化系统设计和配置。由于收发器已经集成了许多模块和接口，因此通常不需要单独的微控制器即可运行。

如图所示，简单的节点是一个麦克风阵列，它采用AD2437收发器。可连接多达四个PDM麦克风。这种麦克风阵列可用于定位噪声源以执行噪声消除，或找到音频的到达方向。在这种情况下，可以从相邻背景噪声中提取该音频源。由于总线延迟非常低，此阵列不一定需要位于同一个节点上。它可以轻松地分布于房间内不同位置的多个节点。电源将从总线获取，因为此节点的功耗非常低，无需单独的电源。因此，解决方案非常小且易于安装。例如，我们设计过一个尺寸为35mm × 19mm的节点，其中包括导线连接器和总线电源电路。

如果需要更复杂的功能，可以通过I2S输出将单独的D类或任何其他功率放大器连接到AD2437。此外，还可以连接音频编解码器。由于音频通常不会随时中断，因此可以采用I2C接口来并行设置功率放大器或编解码器。借助这种配置，可以创建一个简单的总线供电对讲终端。AD2437还具有GPIO，其中一些提供脉冲宽度调制(PWM)输出。这可以用作键盘端口输入来与主机交互。如果按下某个键，主机就会收到中断，从而可以建立通信。PWM输出可用于指示通信是否处于活动状态，驱动LED（指示连接状态），以及指示所需的所有其他信息。这种简单但有效的功能不需要单独的微控制器，整个系统的软件工作得以简化。

复杂度更高的对讲终端（如带有图形用户界面(GUI)）可以使用微控制器通过SPI获取数据。请注意，SPI总线最大速度为10 Mbps。

对于纯扬声器节点（可能位于天花板或建筑物的其他部分，需要更高输出功率），外部电源将足以满足需求。总线电源不需要插入到主机节点，可以将其插入到任何中间节点的某个位置，以减轻电缆内的电流压力。

图2.公共广播系统示例。

在很多其他应用中，功能丰富的A²B也优于以前使用的技术，可以取而代之。这些应用包括需要通信和多通道音频传输的应用。

护士呼叫/通知系统由以太网配置组成，复杂度较低。在这种情况下，将有一个房间控制器通过以太网连接，但与患者终端的连接将通过A²B运行。此配置能够通过一根UTP电缆将所有必要的音频、数据和电源传输到房间内分布的多达16张床位。每个终端都可以轻松配备一个小型微控制器，以便为每位患者提供丰富的音频通道选择。显示屏可以指示通道选择、时间和警报状态。警报按钮可以直接连接到其中一个GPIO，以触发房间控制器上的中断。此外，如果患者行动受限，选定的终端可以即时将麦克风信号传输到房间控制器。系统可以转换选定的关键词并触发警报。

由于此环境的安装可能变化多端，因此系统必须支持方便地修改其设置。网络中终端的添加和删除将由主机提供的即插即用协议栈处理。为了在移除的终端上保持菊花链配置，可以使用一个小型适配器来桥接缺失的节点。如果通信中断，诊断程序将报告故障。

A²B总线的超低延迟和完全同步行为对柜台对讲系统也有益。多个麦克风可以位于不同位置，使用波束成形技术清晰地分离柜台前讲话者的声音通道。所有来自邻近人员的背景噪音都将被抑制。任何隔音屏障（如玻璃墙）之间都可以建立清晰的对话。通常，柜台、医院的隔离区域或洁净室设施都很适合采用此类解决方案。

图3.柜台对讲系统示例。

类似地，监狱对讲系统中的所有麦克风数据都可以传输到主机系统，许多音频通道（如不同的无线电频道）可以广播到每间牢房。

使用波束成形的另一个典型例子是会议系统，允许在会议室中放置许多麦克风。语音转文本系统需要能够将不同说话者的音频信号清晰分离。由于延迟低，所有麦克风通道可以同时传输到主机控制器或数字信号处理器(DSP)，以计算不同的波束位置。

另一种方法是使用座位到座位桌面麦克风或耳机，并将其连接到口译系统。在这里，所有与会者都可以获得自动翻译成各自母语的个性化音频数据。通过使用较低质量的音频带宽，系统可以支持相当多的通道。因此，主机可以接收所有麦克风信号，并轻松进行优先级排序。排序方式可以基于信号强度从高到低，也可以采用系统控制的方式，仅向选定的人员开放语音。在这种情况下，所有终端都可以通过总线供电，而不需要在桌子上布置局部电源。

家用自动化系统日益普及，其便捷的灯光、暖气、空调和卷帘控制功能广为人知。除此之外，这些系统还需要将音频分发到许多房间。这样，您在房屋的任何位置都能听到门铃声，即使在浴室中聆听高音频品质的收藏播放列表也不例外。将音频流传输到家中任何位置的功能，以及支持麦克风通过语音命令控制房屋的功能，都非常实用。相较于通过WLAN进行无线连接，有线连接可提供更可靠的链路并减轻无线流量负载。
A²B非常适合专业音频系统、家庭录音室和现场舞台设施，利用CAT5或XLR等现有电缆技术就能轻松实现音频连接。观看视频，了解更多信息：A²B：不限于汽车应用——录音室耳机混频器演示。

让我们来更深入了解A²B总线，以及它如何能够双向处理如此多的音频通道。A²B总线以48 kHz心跳的方式通过总线发送超帧。数据以1024倍的速率传输，总线上的数据流频率达到49.152 MHz。超帧由两部分组成：一部分是上行，另一部分是下行，通信由同步控制帧和同步响应帧启动。在下行/上行时隙内插入所有I2S/TDM数据、I2C数据、GPIO和中断信息。

主机生成时钟，所有节点与该时钟同步，使得系统始终同步。同步控制帧中的前同步码确保所有节点同步并且可向外设提供时钟。这样做的好处是整个音频链不需要额外的时钟、本地振荡器或异步采样速率转换器。

图4.A²B超帧。


图5.A²B数据流。

启动时，直连到第一个A²B收发器芯片（如AD2437）的主机处理器将把它设置为主节点。主机处理器提供稳定的48 kHz信号，收发器将开始用其锁相环(PLL)锁定该信号。主节点设置完成后，它开始逐个启动子节点。

SigmaStudio+软件支持全系统设置，包括音频通道和节点配置。它是一款图形化编程、诊断和调整工具，允许设计人员添加音频编解码器、D类放大器等外设，轻松创建A²B网络的图形用户界面。针对Linux系统的软件协议栈和即插即用协议栈都已提供，便于在运行期间添加或删除总线上的节点。

带XLR或RJ45连接器的主评估模块或子节点评估模块支持A²B，包括电源传输。

结论

新型A²B收发器的功能进一步增强，例如电缆更长且总线功率更高，这为各种应用开拓了广泛的机会，尤其是在需要通过简单布线将多个音频通道连接到控制数据的情况下。如果总线上连接的设备既有简单节点，也有复杂节点，那么总线允许即使在不太复杂的节点上也能采用低成本硬件实现。即使在非音频应用中，例如准确同步的传感器网络，A²B也能显著简化应用。

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关于ADI

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关于作者

Roland Prager是ADI公司的一名现场应用工程师。他拥有维也纳新城大学商业与工程专业DI (FH)学位。他的职业生涯始于对讲系统电子设计师，后于2001年成为一名现场应用工程师。他于2018年加入ADI公司。