数字音频协议介绍

数字音频协议介绍目录AES/EBU 1ADAT 6I2S 7时分复用（TDM） 9MIDI 11AES/EBU简介：AES3:AudioEngineeringSocietyStandard#3EBU:EuropeanBroadcastingUnionAES3接口在1985年已经被指定并在1992年正式成为标准接口。自从定为标准后，AES3反复更新和调整以适应先进设备的要求，其应用非常普遍。但另一方面来说这使得它有点复杂。规格：•2通道•平衡传输信号•XLR连接头•音频数据达24Bit/192kHz•缆线长：100m或更多•阻抗：110Ohm(±20%)•负载电平：输出端2-7Vpp（110Ohm，缆线不能长）•大量的通道状态信息AES3和AES/EBU比较AES3数字音频接口和AES/EBU数字接口只在一个细节上有区别：EBU标准规定在接口的发送端和接收端强制安装有耦合变压器，而这在AES3标准中只是可选功能。功能：发展AES3标准的目的是为了使数字音频数据可以重复利用模拟音频信号传输网络，要构成一个传输网络需几万米的线来连接设备比如广播电台等。这些都是平衡缆线，传输信号的频率可达10MHz，若进行适当的信号均衡的话缆线长度可达300m。若需通过这些模拟信号音频线来传输数字信号的话，需满足以下几个条件，这些条件很容易就可以达到：•由于传输链可能有变压器，因此信号必须是不含直流分量。•由于没有额外的缆线来传输位时钟（bitclock）和采样时钟（sampleclock），因此信号自身需携带有时钟信号。•极性逆转对重拾音频信息无影响。这些条件可以通过双向标记编码方案（bi-phase-markcodingscheme）来满足。概述：通过双相标记编码，每个比特的边界都以切换信号极性的方法标记出来。为了区分信号“1”与信号“0”，需在“1”位插入一个额外的过渡标记代码（如图所示）。这个代码是对极性反转的证明，其不含直流分量。因此其可以通过变压器。即使比特流中含有很长的“0”或“1”的序列，但其信号状态还是持续改变的。因此位时钟很容易就可以得到恢复。在AES3中，每个音频通道样本都是所谓的子帧的一部分。一个子帧包含有32bits的数据排列在格式中。概述：AES3子帧。位元传输时间很短，我们可以想象成位元被移动到了子帧的右边•Audiodata:20bits可用于音频数据。如果需要更多位元来存放数据，则4Auxbits（辅助位元）可以用来扩大样本分辨率。独立于样本数据，最高有效位元(MSB)在最左边位置（如图，位元27）。若位元位置未被用到，则用0填满。•AUX:4Aux位元主要用来将样本分辨率扩展到24位元或者置0（位元未用到时）。只是偶尔用4位元来传输低质量的音频信号，如讲话（记录等）信号。•ParityBit(P):奇偶校验位。这个位元有助于检测传输错误。它通过检测发送端传输过来的数据中4-31位元的´1´的数目是否为偶数来确定是否有传输错误。若接收机检测到偶数个1，则数据传导输入端。反之，检测到的不是偶数则是一个传输错误。•Validity(V):有效位元此位元是为了标记错误或有缺陷的样本值。指示数字音频位元能否被转为模拟音频信号。若位元值为0则表明进来的数据是有效的。若样本标记无效，那么样本不应该进入下一步处理（比如数模转换D/A）。通常也有一些不同的处理方法来检验位元。比如，一个CD机通常都可以非常正确的纠正样本错误，但有时却不行。在这种情况下，有效位元位置“1”。数字接口也可以传输经过压缩的音频数据如MP3,DolbyDigital.这种数据也不能通过数模转换器进行直接转换，因此此类数据的有效位元也置“1”。•UserBit(U):用户位元在每个子帧中还会有一个用户位元被传递（详情请查阅“重要条款的进一步信息”）•ChannelStatus(C):通道状态位元AES3通道状态包含有24字节或24字节*8位/字节=192位的信息。因为每个子帧只含有一个通道状态位元，为了传输完整的通道状态信息则需要有192个子帧。通道状态区域的始端用一个SYNC标记，以表明子帧的开始部分。•概述：每个子帧只能传输192位元状态信息中的1位元.在一个频率为48kHz的样本中，传输所有的位元需4ms。•Synchronisation(SYNC):同步双相标志编码意味着位元时钟信息，但子帧的始终并不在编码方案中。现在只要一根信号线（平衡或不平衡）就可以满足要求，时钟信号从传输信号中提取。为了达到这个目的，每个子帧都由一个含有4位元的SYNC头文件开始。现确定有3种不同的头文件，每个都在串行数据流中标志着特殊的意义：X-头文件：通道A子帧的开始Y-头文件：通道B子帧的开始Z-头文件：通道A子帧的开始,同时192位通道状态区域开始头文件位元的编码方法不符合双相位元标志编码规格。因此接收机可以区分头文件与普通编码位元。两个随后的子帧-我们只在现在讨论子帧-在AES3架构中。因为每个子帧只能传输一个通道的信号，因此AES3架构含有两个独立的独立的通道A和B。很显然，AES3可以用来传输立体声信号。通道A传输立体声的左声道信号，而通道B则传输右声道信号。这两个通道A和B，不仅可以接受立体声信号，还可以传输两个完全独立的具有相同的采样频率的单声道信号。这就是为什么通道不是以左/右声道命名的原因了。同样的，它也可以两通道的信号整合成一个信号来传输，但需用更高的采样率(96kHz,192kHz).这种技术称为S/MUX模式，双线模式或根据AES的”单通道双频”模式。（更多信息参考DL1用户手册中关于“1C2FMode”部分）必须谨记：因为两个通道都分别嵌入在适当的子帧中，每通道都携带有其通道状态信息和用户数据。通道状态通道状态信息可以针对两种不同用户群：专业级和业余级。两种不同用户的应用不同其通道状态信息也不一样。从这里我们可以知道，每个用户群都有一个子码列表（也叫帧或架构）存在，以确定如何来解读通道状态信息：ConsumerArea:业余区域通道状态信息主要致力于防止受版权保护的音频资料的复件超过一份。ProfessionalArea:专业区域音频质量、信号类型及来源等可靠的信息。进一步的信息在同步时都会得到。概述：通道状态的第一位元显示了需如何解读通道状态信息，业余或专业格式。NTiAudio公司的数字音频分析仪DL1可以自动显示所有状态信息。通过与AES3格式达成一致，可以传输专业格式的通道状态信息。而业余格式则与S/PDIF和TOSLINK等接口形式一致。但这不是不可能通过AES3接口根据业余格式传输业余格式的通道状态信息。最坏情况下的后果可能是设备完全不能识别输入音频数据。缆线标准平衡模拟音频线在很长一段时间内都应用的很普遍。有人可能会遇到阻抗在40Ohm到110Ohm范围内的不同的缆线，绝大多数老的缆线阻抗都在70Ohm以下。因此我们可能会经常遇到平衡缆线阻抗不匹配110Ohm规格的数字音频缆线。尽管如此，在不用电缆均衡的条件下，通过这些不匹配的缆线仍可以传输长达80m的距离。在好的均衡条件下可达300m。用符合110Ohm规格的缆线可以传输更远的距离。不用缆线均衡条件下可达240m,良好的缆线均衡条件下甚至可达750m.模拟和数字缆线结交情况：引脚1=屏蔽线,引脚2=正(+),引脚3=负(-).ADATI2S概述串行数字音频总线(I2S)是用于将数字音频器件连接在一起的串行总线接口标准。此规范来自于Philips®Semiconductor（I2S总线规范；1986年2月，修订时间为1996年6月5日）。I2S组件仅在主控模式下运行。它还可在两个方向上运行：作为发射器(Tx)和接收器(Rx)。Tx和Rx的数据是独立的字节流。字节流首先包含最高有效字节，并且第一个字的第7位中存放最高有效位。用于每次采样的字节数（左/右声道的采样）是保持样品所需的最少字节数。何时使用I2S组件为立体声音频数据提供串行总线接口。此接口是音频ADC和DAC组件最常用的接口。特性仅用于主控每次采样8到32数据位16、32、48或64位字选择周期数据速率高达96kHz，64位字选择周期：6.144MHzTx和RxFIFO中断DMA支持独立的左右声道FIFO+3或交错立体声FIFO独立启用Rx和Tx8/+输入/输出连接本节介绍I2S组件的各种输入和输出连接。I/O列表中的星号(*)表示，在I/O说明中列出的情况下，该I/O可能不可见。sdi—输入*串行数据输入。如果您针对Direction（方向）参数选择了一个Rx选项，则显示此信息。如果此信号连接到输入引脚，则应禁用此引脚的“InputSynchronized”（同步输入）选择。此信号应已同步到SCK，所以，用输入引脚同步器延迟信号会导致信号移入下一个时钟周期中。时钟—输入提供的时钟频率必须是输出串行时钟(SCK)所需时钟频率的两倍。例如，要产生64位字选择周期的48kHz音频，时钟频率应为：2×48kHz×64=6.144MHzsdo—输出*串行数据输出。如果您针对Direction（方向）参数选择了一个Tx选项，则显示此信息。sck—输出输出串行时钟。ws—输出字选择输出指示要传输的通道。rx_interrupt—输出*Rx方向中断。如果您针对Direction（方向）参数选择了一个Rx选项，则显示此信息。tx_interrupt—输出*Tx方向中断。如果您针对Direction（方向）参数选择了一个Tx选项，则显示此信息。rx_DMA0—输出*Rx方向DMA请求FIFO0（左侧或交错）。如果选择了DMARequest（DMA请求）参数下的RxDMA，则显示此信息。rx_DMA1—输出*Rx方向DMA请求FIFO1（右侧）。如果针对Rx选择了DMARequest（DMA请求）参数下的RxDMA和DataInterleaving（数据交错）参数下的SeparatedL/R（单独的L/R），则显示此信息。tx_DMA0—输出*Tx方向DMA请求FIFO0（左侧或交错）。如果选择了DMARequest（DMA请求）参数下的TxDMA，则显示此信息。tx_DMA1—输出*Tx方向DMA请求FIFO1（右侧）。如果针对Tx选择了DMARequest（DMA请求）参数下的TxDMA和DataInterleaving（数据交错）参数下的SeparatedL/R（单独的L/R），则显示此信息。图1.数据转换时序图注意：所有组件内部逻辑完全从输入2倍时钟运行。这导致对于此内部时钟，需要参考一些时序限制，例如tS_SDI和tCLK_SCK（本文中稍后将描述）。关于I2S的详细资料：I2S协议.doc时分复用（TDM）概述TDM：以时间作为分割信号的参量；即信号在时间位置上分开但它们能占用的频带是重叠的。当传输信道所能达到的数据传输速率超过了传输信号所需的数据传输速率时即可采用TDM；TDM：完全由数字线路实现，近几年得到广泛应用。时分复用又分为同步时分复用和异步时分复用。原理TDM基本原理：其理论基础是基于抽样定理（SamplingTheorem）。因为抽样定理使得时间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能。抽样定理：一个频带限制在（0,fmax）内的时间连续信号m(t),如果以不低于2fmax的速率进行抽样，则m(t)可由抽样值完全确定。即：若fs>=2fmax（fs代表采样频率fmax为最高频率），则理论上就有一种方法能用采样后的离散信号完全无失真地恢复原来的信号原理示意图时序图：TDMdataisreceivedmostsignificantbit(MSB)first,onthesecondrisingedgeoftheDAC_SCLKoccurringafteraDAC_LRCKrisingedge.AlldataisvalidontherisingedgeofDAC_SCLK.TheAIN1MSBistransmittedearly,butisguaranteedvalidforaspecifiedtimeafterSCLKrises.AllotherbitsaretransmittedonthefallingedgeofADC_SCLK.Eachtimeslotis32bitswide,withthevaliddatasampleleft‘justifiedwithinthetimeslot.Validdatalengthsare16,18,20,or24.ADC/DAC_SCLKmustoperateat256Fs.ADC/DAC_LRCKidentifiesthestartofanewframeandisequaltothesamplerate,Fs.ADC/DAC_LRCKissampledasvalidontherisingADC/DAC_SCLKedgeprecedingthemostsignificantbitofthefirstdatasampleandmustbeheldvalidforatleast1ADC/DAC_SCLKperiod.Note:TheADCdoesnotmeetthetimingrequirementsforproperoperationinQuad-SpeedMode.详细资料：时分多路复用.pptMIDI概述MIDI软硬件之所以能够互相沟通，就正如人们签定一类协议一样，有了标准才可以对话。在计算机与MIDI接口卡之间，在MIDI设备之间传递的MIDI信息实际上是一组由MIDI规范规定的二进制代码，它们以多个自己二进制代码组成一个基本的MIDI信息单元（Event），即将多个字节的二进制代码按MIDI规范组合在一起，才能起到沟通的可能。MIDI信息按照其在整个系统中的作用可分为两大类，一类是系统信息（SystemMessage），另一类是通道信息（ChannelMessage）。MIDI系统信息系统信息是维护整个MIDI系统正常操作的根本。系统信息是针对系统中的所有MIDI设备，而非只针对某一个或某一些设备发出的信息。这样，才有可能保证同步工作。系统信息的分类：系统公共信息（SystemCommonMessage）；系统实时信息（SystemRealTimeMessage）；系统独有信息（SystemExclusiveMessage）。系统信息的组成：系统信息一般由若干条状态字节（StatusByte）和若干条数据字节（DataByte）组成。状态字节用来表示某一种操作，或某一种信息类型等等，数据字节表示数据或量的大小。状态字节必须具备，而数据字节则根据实际情况而定，有些系统信息可以没有数据字节。状态字节的组成（请看下图）D7D0字节标识命令/信息标识信息种类字节标识是一个识别位，状态字节的最高位必须是1，而数据字节的最高位必须是0，这样就可以使计算机快速识别出哪一个是状态字节。命令/信息标识识别位由三个位来表示MIDI信息或命令的种类，而最后四位代表信息种类。数据字节的组成（请看下图）D7D0字节标识数据位数据字节的第一个也是识别位，必须为0，后面七位则用来表示数据位，那么00000000B—01111111B则可表示十进制为0~127的数值。在MIDI系统中一般数量表示皆为十进制0~127之间，就是因为受到位数的限制。系统公用信息系统公用信息的状态字节取值从F1~F7H，共有7项：1）MIDITimeCodeQuarterFrameMIDI四分之一帧时间吗由一个状态字节和一个数据字节组成，格式为状态字节：11110001BF1H数据字节：0nnnddddnnn为信息类型，dddd为数据作用：把SMPTE时间吗同步信息转换为MIDI时间码的格式，SMPTE时间码是广泛应用于电影或电视摄制中的时间码。在用MIDI系统来进行配乐时，SMPTE时间码只有转换为MIDI时间吗的格式，才能够被MIDI系统采用和接受。一个SMPTE时间码需要4个MIDITimeCodeQuarterFrame来表示，其中在数据字节中可以指明是小时、分、秒还是帧，dddd则是相应的数值大小。2）歌曲位置指针（SongPositionPoiter）：该项系统功用信息由一个状态字节和两个数据字节组成，格式为：状态字节：11110010BF2H第一数据字节0LLLLLLLL为LSB第二数据字节0hhhhhhhh为MSB功能为指示歌曲中当前位置的指针。第洋个数据字节为低位数据字节，第二个字节为高位数据字节。MIDI在计算时间上的单位不是分秒，而是Tick。当每分钟的节拍数发生了变化时，Tick所代表的时间也发生相应变化。所以歌曲位置指针与Tick没有直接联系，而与MIDI时钟有直接联系。SPP系统信息在系统同步中起重要作用，有了它就可以在歌曲中找到任何一点了。3）歌曲选择（SongSelect）：由一个状态字节和一个数据字节组成：状态字节：11110011F3H数据字节：0SSSSSSSS为歌曲选择此系统信息为选择指定播放的歌曲，可以通过SSSSSSSS的值（0~127）来指定播放哪一首歌曲。4）音调调整（TuneRequest）由一个状态字节组成状态字节：11110110F6主要用于老式合成器的音调调整。5）结束系统独有信息（EndofsystemExclusiveMessage）由一个状态字节组成状态字节：11110111F7H表示系统独有信息到此结束。系统实时信息（SystemRealTimeMessage）系统实时信息共有8个，均只有状态字节而没有数据字节。实时信息即为即时传送和执行的系统信息。定时时钟（TimingClock）只有一个状态字节状态字节11111000BF8H主要作用为使MIDI设备的内部时钟与MIDIClock同步。MIDI设备接收到该系统信息会使自己内部的时钟与系统的MIDIClock同步锁定。开始（Start）只有一个状态字节状态字节11111010BFAH启动MIDI设备播放MIDI信息，一旦第一MIDIClock到达，就立即开始演奏。继续（Continue）只有一个状态字节状态字节11111011BFBH当MIDI设备播放被暂时停止时，歌曲位置指示仍然记录暂停点位置，当你发出继续信息时，MIDI设备会以SPP位置开继续演奏下去。停止（Stop）只有一个状态字节状态字节11111100BFCH作用为停止MIDI信息的播放工作。活动检测（ActveSensing）只有一个状态字节状态字节11111110BFEH改系统信息的作用是检测系统中的MIDI信息传递是否仍在活动的命令，如果系统在300ms之内无MIDI信息活动，则MIDI设备将停止播放MIDI信息，回到正常状态。系统启动（SystemReset）只有一个状态字节状态字节11111111BFFH该系统信息的作用是完成真个系统的启动，这条命令与计算机中的RESET作用类似，接受该信息后的MIDI设备将完成下列操作：设置Omnion/play状态设置LocalOn关闭所有发音复位所有的控制器设置歌曲位置到0停止Play的动作回到重开机的状态以上系统实时信息主要是为MIDI系统实时操作中同步服务的，MIDI系统以MIDIClock为主要同步步骤，为了使参与MIDI系统的设备能够对系统实时信息做出反应，应该把这些MIDI设备中的模式选择为“External”或“MIDIClock”，这样整个MIDI设备就以外来的系统MIDIClock为同步内部的时钟，实时信息才能够正常完成。5系统独有信息系统独有信息是一种特殊的系统信息，这种系统信息留给各个生产厂家定义自己的系统信息，在MIDI规范中没有同意的规定，各生产厂家可以利用这些系统独占信息来定义只有本厂设备才能够识别的信息。系统独有信息的结构如下图：状态字节数据字节数据字节数据字节状态字节F0H00H-7FH00H-7FH…………F7H系统独占状态厂家标识产品代码若干数据字节系统独占信息结束第一个状态字节和最后一个状态字节是确定的。第二个为厂家标识，根据厂家标识的不同，可以将系统独有信息分为四大类：制造厂家系统独有信息ID00H~7CH非商业用途系统独有信息ID7DH非实时系统系统独有信息ID7EH实时系统系统独有信息ID7FH制造厂家系统独有信息属于不同的厂家以下列出常用的MIDI设备厂家的ID：厂家名称IDKawai40HRoland41HKorg42HYamaha43HCasio44HAkai47H等等……非商业用途系统独有信息主要是保留给研究单位与学校使用非实时系统独有信息唯一用途是用于采样机上的取样数据传送，为了使不同厂家生产的取样机取得的数据可以相互通用，国际MIDI协会公布了数字取样数据传递标准（SamplePumpStander）。实时系统独有信息，主要用于完成SMPTE到MIDI时间码的转换，以达到使用MIDI技术为影视作品配音的目的。MIDI通道信息通道信息是指MIDI系统中发给某一个通道上MIDI设备的信息，它与系统信息不同，只有在指定通道上的MIDI设备才会对该信息作出响应，其它的MIDI设备则不会响应。通道信息又可分为通道声音信息，控制改变信息和通道模式信息。通道信息的结构也是由状态字节加上若干数据字节构成，它的状态字节与系统信息的略有不同，其高四位与系统信息相同，低四位在通道信息中是通道号，用0~FH表示16个通道的指定。D7D0字节标识命令信息通道号通道声音信息琴键释放Noteoff：由一个状态字节和两个数据字节组成状态字节1000nnnnBnnnn为通道号第一数据字节0kkkkkkkBk为键号（0~127）第二数据字节0vvvvvvvBv为速率（0~127）主要作用为指示某一通道上的MIDI设备中指定键的释放与其释放速率。琴键按下Noteon：本项通道信息有一个状态字节和两个数据字节状态字节1001nnnnBnnnn为通道号第一数据字节0kkkkkkkBk为键号（0~127）第二数据字节0vvvvvvvBv为速率（0~127）主要作用为指示某一通道上的MIDI设备中指定键已按下及其按下的速度。多音琴键压力(PolyphonicKeyPressure)本项通道信息有一个状态字节和两个数据字节状态字节1010nnnnBnnnn为通道号第一数据字节0kkkkkkkBk为通道号（0~127）第二数据字节0vvvvvvvBv为压力值（0~127）主要作用为用于指示某一通道上的MIDI设备中，指定按下的压力值。PKP信息在MIDI音源中可以用来改变响度或改变声音的明亮度。通道压力（ChannelPressure）本项通道信息有一个状态字节和数据字节状态字节1101nnnnBnnnn为通道数据字节0vvvvvvvBv为压力值（0~127）通道压力信息主要用于指示某一通道MIDI设备按键的压力。与PKP信息不同的是，通道压力不是逐个按键返回压力信息，而是只返回一个键的压力信息作为整个通道的压力信息。同样传递按键的压力，通道压力信息比多音琴键压力信息的信息量要少得多。弯音转轮（PitchBend）本通道信息有一个状态字节和两个数据字节状态字节1111nnnnBnnnn为通道号第一数据字节0vvvvvvvvvvvvvvv低位字节第二数据字节0vvvvvvvvvvvvvvv高位字节主要作用为传送弯音轮转动时发出的信息。在电子合成器中设置弯音转轮，可以使得电子合成器更好地去模拟各种带有滑动音特性的乐器。程序改变（ProgramChange）本通道信息有一个状态字节和一个数据字节状态字节1100nnnnBnnnn为通道号数据字节0pppppppBp为音色号（0~127）本通道信息的作用是指定某一通道上播放的MIDI信息为一组特定的音色，给音色由数据字节的音色号指明。但是在音色号的编排上，各个厂家并不统一。控制改变信息控制改变信息是指控制器中送出的信息，在MIDI设备中除了琴键、触键压力传感器和滑音转轮之外，还有一些其它控制器。分两种，一是送出连续控制量的控制器，另一种是送出开关量的控制器。本通道信息一般由一个状态字节和两个数据字节组成：状态字节1011nnnnBnnnn为通道号第一数据字节0cccccccBc为控制号（0~120）第二数据字节0vvvvvvvBv为控制值（0~127）控制改变信息主要是送出各种控制器以及其控制量的大小。该信息中的第一数据字节为控制器编号，它指明了该信息代表哪一个控制器，随后的第二个数据字节代表控制值。连续控制量信息和开关控制量信息以第二数据字节中控制号的不同来区分，连续控制信息的控制号为0~31（00H~1FH），32~63（20H~3FH），70~74（46H~4AH），91~95（5BH~5FH），其余数值的控制信息都是开关控制信息。通道模式信息通道模式信息主要是MIDI系统中调整MIDI设备对MIDI信息的接收模式，通道模式信息一共有八个：1）关闭所有声音（AllSoundoff）

由一个状态字节和两个数据字节

状态字节1011nnnnBnnnn为通道号第一数据字节01111000B78H第二数据字节00000000B00H作用是使指定通道内MIDI设备停止发声。2）复位所有控制器（ResetAllControllers）

该通道信息由一个状态字节和两个数据字节状态字节1011nnnnBnnnn为通道号第一数据字节01111001B79H第二数据字节00000000B作用是使指定通道内MIDI设备中的所有控制器复位到开机时的初始状态。3）本地控制(LocalControls)该通道信息有一个状态字节和两个数据字节状态字节1011nnnnBnnnn为通道号第一数据字节01111