Używanie interfejsów A2B w nowoczesnym sprzęcie konferencyjnym audio

Jedną z głównych problemów w budowie instalacji instalacji audio w nowoczesnej sali konferencyjnej jest potrzeba podłączenia różnych urządzeń wejścia/wyjścia do głównej konsoli audio. Odbywa się to zwykle przy użyciu indywidualnych, ekranowanych kabli do połączeń punkt-punkt dla każdego węzła. Jest to sposób nieporęczny, który wymaga dodatkowo niezależnych zasilaczy dla każdego urządzenia. Oprócz tego, że są to problematyczne i kosztowne połączenia, kable te przenoszą również analogowe sygnały audio, które podlegają znacznej degradacji podczas przesyłu kablami, szczególnie w instalacjach o dużej rozległości lub przy wyborze tańszych opcji kablowych.

Transceivery samochodowego systemu magistrali audio A²B obsługują wielokanałowy dźwięk cyfrowy przesyłany za pośrednictwem pojedynczej nieekranowanej skrętki (UTP). Wiele węzłów nadawczo-odbiorczych może być połączonych łańcuchowo ze sobą, a oprócz przesyłania dźwięku cyfrowego o wysokiej jakości, magistrala A²B może transportować zasilanie zdalnych węzłów zasilanych z magistrali. Rysunek 1 przedstawia schemat bloku funkcjonalnego transceivera A²B.

Chociaż technologia interfejsu A²B została zaprojektowana głównie w celu rozwiązania problemu okablowania audio w zastosowaniach motoryzacyjnych, z pewnością ma ona bardziej ogólne aplikacje z potencjalnie bardzo szerokim spektrum zastosowań w systemach audio. Jednym z takich potencjalnych zastosowań technologii A²B poza samochodami są systemy konferencyjne w niewielkich pomieszczeniach. W nowoczesnym systemie konferencyjnym, w ciasnych salach istnieje potrzeba rozmieszczenia wielu mikrofonów, a czasem także wielu głośników, w całym pomieszczeniu w celu zaimplementowania szeregu funkcji DSP, takich jak formowanie wiązki, redukcja szumów akustycznych lub eliminacja echa. Innym możliwym zastosowaniem byłyby publiczne audytoria, zgromadzenia i miejsca wymagające np. symultanicznego tłumaczenia w czasie rzeczywistym. Tym, co naprawdę ogranicza zastosowanie A²B w pomieszczeniach o większej pojemności, jest maksymalna całkowita długość kabla w jednej magistrali, która jest ograniczona do 40 metrów.

W takich zastosowaniach transceivery A²B mogą być używane do uproszczenia okablowania odległych węzłów audio, zapewniając jednocześnie doskonałą metodę transportu sygnału cyfrowego z opcjonalną dystrybucją zasilania. Wcześniejszą metodą łączenia tych zdalnych węzłów audio, jak pokazano na rysunku 2, było użycie ekranowanych kabli przesyłających pojedynczy sygnał analogowy w jednym kierunku, przy czym zasilanie było dostarczane oddzielnie za pomocą zasilacza prądu stałego po dodatkowym kabli. W międzyczasie pojedyncza skrętka wykorzystująca A²B może przesyłać do 32 kanałów w dwóch kierunkach - do 32 cyfrowych kanałów audio o wysokiej jakości plus zasilanie w jednej magistrali, jak pokazano na rysunku 3; gdy używane dane są 16-bitowe, łączna liczba kanałów na magistrali jest ograniczona do łącznie 50 kanałów. Prawdopodobnie funkcje te przyniosłyby ogromne korzyści, gdyby zostały wdrożone w systemach konferencyjnych poprzez uproszczenie okablowania i dodanie możliwości przesyłania dwukierunkowego cyfrowego sygnału audio o wysokiej jakości w porównaniu z tradycyjnymi metodami analogowymi.

Transceiver A²B łączy wielokanałowe dane przesyłane synchronicznie między układami scalonymi z wykorzystaniem interfejsu I²S, z modulacją impulsowo-kodową (PCM). Pozwala to na przesyłanie sygnału na odległość do 15 metrów między węzłami i do 40 metrów całkowitej długości wszystkich węzłów. Rozszerza również synchroniczny, multipleksowany z podziałem czasu (TDM) charakter I²S na cały system, który łączy wiele węzłów, gdzie każdy węzeł może przyjmować dane, dostarczać je lub jedno i drugie. Dane te mogą zawierać, oprócz treści audio, także funkcje sterujące, na przykład obsługę GPIO w chipie transceivera A²B (w typowych układach tego typu znajduje się do 7 linii GPIO). Linie te mogą być podłączone np. do diod LED, co pozwala na zdalną kontrolę nad tymi diodami przez hosta systemu w celu wskazania na żywo aktywnego lub nieaktywny (wyciszonego) mikrofonu.

Magistrala A²B jest systemem typu single-master, multi-slave, w którym układ nadawczo-odbiorczy w kontrolerze hosta jest urządzeniem nadrzędnym. Węzeł główny generuje sygnały zegarowy, synchronizacji i ramkowania dla wszystkich węzłów podrzędnych. Główny układ A²B jest programowalny przez magistralę sterującą (I²C) w celu konfiguracji i odczytu. Rozszerzenie szyny sterującej jest osadzone w strumieniu danych A²B, umożliwiając bezpośredni dostęp do rejestrów i informacji o statusie nadajników-odbiorników podrzędnych, a także komunikację I²C-I²C na odległość. Mechanizm wykrywania jest używany, gdy system jest zasilany, w którym każdy węzeł jest rozpoznawany i tworzone jest wymaganie dotyczące struktury TDM. Wszystkie węzły podrzędne są wykrywane sekwencyjnie od zerowego do ostatniego dostępnego urządzenia w systemie. Po wykryciu wszystkich węzłów podrzędnych, każdy węzeł jest następnie inicjowany do synchronicznej wymiany danych. Rysunek 4 przedstawia prosty przykład systemu A²B z czterema węzłami. Program hosta rejestruje się w każdym z węzłów w celu sterowania ruchem danych na szynie A²B. W tym przykładzie dane z mikrofonów cyfrowych i przetworników ADC w węzłach podrzędnych 0 i N są dostarczane do węzła nadrzędnego, podczas gdy dane głośników z węzła głównego są jednocześnie dostarczane do przetwornika cyfrowo-analogowego w węźle podrzędnym 1. Jak pokazano w tym przykładzie, transceiver A²B również zawiera wielokanałowy interfejs PDM do bezpośredniego podłączenia macierzy mikrofonów z modulacją gęstości impulsu.

Liczbę kanałów audio na węzeł podrzędny można indywidualnie programować z maksymalnie 32 kanałów wysyłających i do 32 kanałów pobieranych. Rozmiary pakietów danych, wynoszące 8, 12, 16, 20, 24, 28 lub 32 bity, mogą być zmieniane do dopasowania długości słów danych I²S/TDM, ale ten sam rozmiar pakietu musi być używany dla wszystkich węzłów. Upstream i Downstream mogą wybrać różne rozmiary pakietów. Dodatkowo 12-, 16- lub 20-bitowe rozmiary pakietów mogą opcjonalnie przenosić skompresowane dane przez magistralę A²B dla 16-, 20- lub 24-bitowych słów I²S/TDM. Częstotliwość próbkowania audio (fSYNCM) można ustawić w zakresie od 44,1 kHz do 48 kHz, przy czym wszystkie węzły próbkują dane synchronicznie. Węzły podrzędne obsługują częstotliwości próbkowania (fS) 1 × (48 kHz), 2 × (96 kHz) lub 4 × (192 kHz), które można indywidualnie skonfigurować dla każdego urządzenia podrzędnego. W celu obsługi częstotliwości próbkowania 2× i 4× w węzłach podrzędnych, węzeł główny musi wykorzystywać (analogicznie) 2× lub 4× ilość kanałów danych I²S/TDM na swoim interfejsie 1 × fSYNCM do hosta. Transceivery A²B oferują również niezawodne wykrywanie błędów danych sterujących i danych stanu z 16-bitowym kontrolą CRC. Inną ważną funkcją dostępną w transceiverach A²B jest diagnostyka usterek, w której układ taki może wykryć zwarcie przewodu A²B do wysokiego napięcia, zwarcie do masy, zwarcie przewodów ze sobą, odwrócenie przewodów lub przerwę w połączeniu.

W systemie zasilanym z magistrali pobór prądu zasilania peryferyjnego ma bezpośredni wpływ na inne węzły w systemie. Ważne jest, aby pozostać w granicach pakietu termicznego i nie przekraczać limitów specyfikacji IVSSN i VIN w żadnym z węzłów magistrali A²B (300 mA/100 mA przy granicy 1,2 Ω IVSSN dla wewnętrznego przełącznika, w zależności od modelu transceivera, oraz maksymalne napięcie wejściowe VIN równe 9 V na jego stabilizatorze wejściowym). Karta katalogowa dla transceivera A²B zawiera obszerne przykłady obliczeń związanych z bilansowaniem mocy, a rysunek 5 przedstawia model systemu zasilanego z magistrali.

Podczas gdy prymitywny kabel 2-żyłowy jest wystarczający do działania A²B, to właściwy dobór kabli i złączy umożliwi spełnienie bardziej rygorystycznych wymagań testów EMC, powszechnie spotykanych w branży. Konieczny jest odpowiedni dobór kabli, aby zapewnić dobre parametry elektryczne poza typowymi zakresami emisji widmowych, tak, aby nie występowały zakłócenia w paśmie akustycznym czy częstotliwościach wykorzystywanych w komunikacji systemu.

Szeroki wybór płytek ewaluacyjnych umożliwia projektantom pełne przetestowanie i ocenę wydajności urządzeń A²B przed podjęciem decyzji o implementacji ich w danym projekcie. W artykule źródłowym przedstawiono kilka przykładów dostępnych modułów.

Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/using-a2b-for-audio-conferencing-systems.html