【摘要】AES/EBU信號能否以數字音頻雙絞線在100米以上距離傳輸，究竟能夠可靠地傳多遠，是一個困擾音頻工作著許久的問題。本文根據AES3標準和GY/T 224-2007《數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》標準，結合實際經驗，設計科學合理的實驗，詳細闡述了測試設備、測試對象、測試參數、測試方法及測試結論，實際驗證了AES/EBU信號可以在170米以內數字音頻雙絞線上安全傳輸。
【關鍵詞】 AES/EBU 眼圖 數字雙絞線
一. 引言
AES/EBU的全稱是Audio Engineering Society/European Broadcast Union（音頻工程師協會/歐洲廣播聯盟），是一種通過基于單根數字雙絞線來傳輸數字音頻數據的串行位傳輸協議，其中AES是指AES3-2003標準（AES-1992的修訂版）：《雙通道線性表示的數字音頻數據串行傳輸格式》，EBU是指EBU發表的數字音頻接口標準EBU3250，兩者內容在實質上是相同的，統稱為AES/EBU數字音頻接口。
但是AES建議數字雙絞線只適用于短距離（100米）左右的AES/EBU信號傳輸，而現在隨著廣播業務的擴大，許多電臺的技術機房分布越來越廣泛，機房間的傳輸距離往往超過100米，這時使用AES/EBU信號傳輸就會有風險，AES協會的解決建議是采用非平衡的75Ω同軸電纜進行傳輸（AES-3id-2001），最長傳輸距離可達1000米。但是在使用這種方式傳輸時，應該在線路的兩頭使用一種110Ω/75Ω的阻抗適配器，即一頭是卡儂XLR接頭（公/母），另一頭為BNC插座。這種阻抗適配器較為常見，但是質量差別很大，劣質產品會對信號產生較大的衰減，符合廣播播出級別的需要經過嚴格測試。一般來說，75Ω同軸線纜成本與數字雙絞線差不多，但是符合廣播級別的阻抗適配器價格并不便宜，而且使用量很大（每個音頻通路需要兩個），必然增加布線成本，并且同軸線纜的線徑一般較粗，需要更多的布線空間。所以，在實際使用中，采用同軸電纜方案布線的十分少見。當然，在更長的距離上，也可以使用光端機將AES/EBU信號轉換成光信號進行傳輸。但是光纜傳輸方式，必然需要增加傳輸設備的成本，并且增加以及設備也增加了故障環節，也并非良策。
數字雙絞線傳輸AES/EBU信號是否真的只能在100米之內呢？若傳輸距離超過100米，是否AES/EBU信號就不能傳輸呢？在筆者所在電臺近期進行的一次技術機房改造項目中，就遇到這個問題。此次改造中，相距最遠距離的機房之間布線長度接近150米，而由于布線空間和經費有限，不適于采用同軸電纜布線方案，對于網絡音頻傳輸及MADI傳輸方式又有設備成本和系統安全等方面的考慮沒有采用。若要采用數字雙絞線傳輸，必須驗證這種方式的安全性和可靠性。
根據我國廣播電影電視行業標準GY/T 224-2007《數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》，數字音頻信號通過數字音頻雙絞電纜的傳輸參考距離見表1：
根據該標準，該表中數據是在“最低允許的輸出信號振幅為2V，最低允許的輸入信號振幅為200mV”的情況下得出的，即與AES/EBU標準的最低輸出信號振幅和最低輸入信號振幅要求一致。因此，該標準建議48kHz數字音頻信號使用規格為26AWG（美國線規，導線直徑約為0.404毫米）的數字音頻雙絞線傳輸時，最遠可以傳輸242米；而若使用24 AWG（美國線規，導線直徑約為0.511毫米）的數字音頻雙絞線傳輸時，最遠可以傳輸334米；若使用22 AWG（美國線規，導線直徑約為0.643毫米）的數字音頻雙絞線傳輸時，最遠可以傳輸465米。這個數據可大大超出了AES規定100米，并且隨著線纜導線的加粗，傳輸的距離也會增強。但是，該標準采用是的測量衰減常數的方法，這樣得出的數據是否能夠直接應用于AES/EBU信號的傳輸，并且，在實際環境中，存在著各類干擾、電纜的多處彎折以及多個跳接環節造成的傳輸損耗后，傳輸距離還能達到200米、300米、甚至400米嗎？
二. 測試
俗話說，“實踐是檢驗真理的唯一標準”，我們模擬實際傳輸環境對這多種品牌不同規格的數字雙絞線進行了測試。下文將具體介紹我們測試的儀器、測試的對象、測試方法以及測試結果。
1. 測試儀器——AP System Two
我們采用的音頻測試設備是AP System Two，見圖1，該測試儀是Audio Precision研發的多功能音頻綜合測試儀器，具有數字（AES/EBU）、模擬、同軸、SPDIF-EIAJ、光纖等多種音頻輸入輸出接口。在與電腦連接工作，APwin軟件能在Window98,2000 和XP上運行，同時通過程序編制，完成多功能自動檢測、圖像曲線顯示，FFT頻譜分析，多音測試，MLS信號測試和實時控制等等。
該儀器內置模擬、數字信號發生器，具備監聽功能，能夠測量信號的輸入、輸出電平值、幅頻響應、失真、噪聲、相位、串擾等參數，還能夠測量AES/EBU信號的眼圖、抖動、狀態位元、FFT頻譜分析等。
2. 測試參數
在傳統的模擬音頻信號測量中，我們關注幅頻特性、信噪比、失真、通道隔離度等指標，但是由于AES/EBU數字音頻信號的特性，在進行其質量測量時，我們主要參考以下參數：
1) 數字信號幅值（Vp-p）：描述數字信號的峰峰電壓值，根據AES3規定，設備輸出信號幅值在2V-7V之間，設備接收信號不小于200mV。
2) 抖動：表示數字信號在時間周上的位置差異，如抖動幅度過大，易造成誤碼，單位常用UI，UI是指一個雙相位碼的持續時間。
在AES/EBU數字音頻信號中，音頻信息以數據幀的方式傳輸，其中每個數據幀包含左、右兩個子幀，并以串行的方式排列傳輸，每個子幀含有32bit數據。在48kHz的采樣頻率下，傳輸碼率為：
32*48000*2=3.072Mbps
則每幀中的每一個bit數據持續時間為：
1/3.072 Mbps =325.5ns
AES/EBU格式采用雙相位碼來進行編碼，即用2位二進制數來表示一個bit數據。
則一個雙相位碼的持續時間為每個bit數據的一半，即：
1UI=325.5ns/2=163ns
3)Confidence Error：The logical OR of UNLOCK and BIP. The input data stream may be near error condition due to jitter degradation。具體是指UNLOCK參數報錯（指鎖相環失鎖）或者BIP參數報錯（指接收到的雙相位碼編碼錯誤），這意味著輸入數據流由于Jitter劣化已經處于錯誤邊緣。反映線路傳輸過長，容性負載過大造成傳輸信號高頻缺失，易造成誤碼。
4) UNLOCK：鎖相環失鎖，即信號失鎖，反映信號頻率異常，通常為頻率不穩，或偏離基準頻率過多。
5)BIP Error：雙相位碼編碼錯誤，即接收解碼錯誤。
6)Parity Error：奇偶校驗錯誤。
7)CRC Error：循環冗余校驗碼錯誤。AES3格式中，將192個數據楨組成一個數據塊傳輸，每個數據塊末尾包含CRC校驗，如果接收端計算的CRC值不等于數據塊中的CRC值，則表示傳輸中出現了誤碼。
對于上述參數，AP System Two測試儀均可測量，并且直觀顯示結果。我們經過分析，最終重點關注兩個測試內容，一個是Confidence Error參數，一個是眼圖。
根據Confidence Error參數的定義，以及我們的經驗，該參數報錯多出現在傳輸線路過長或線路老化受潮的情況下。一般Confidence參數報錯時，接收端雖然還能接收信號，但是十分容易出現故障，比如會出現信號莫名中斷的情況。
眼圖可以體現AES3信號的一個雙相位碼傳輸時隙內的信號幅值和衰減、位置差異等多種參數，是數字信號測量的一個直觀、全面地方法。
AES3-2003標準規定AES3接收設備能夠接收的最小輸入信號的眼圖Vmin為200mV，眼圖Tmin為50%的Tnom，如圖2所示。
Tnom是指一個雙相位碼時隙，即163ns（48kHz采樣率），則Tmin為81.5ns（48kHz采樣率）。
3. 測試對象
決定數字信號在數字雙絞線的傳輸距離有3個因素：發送設備的輸出信號質量、線纜質量以及接收設備的接收能力。而目前的廣播級數字設備能接收的最小輸入信號均符合AES/EBU 2003標準，即Vmin=200mV，Tmin=50%Tnom，因此，我們著重對發送設備及線纜進行了測試。
（1）發送設備
在我們的技術系統中，位于信號傳輸發送端的設備主要有兩個品牌3種數字調音臺、2種延時器以及切換器。根據AES3的要求，設備輸出信號幅值為2V—7V，我們使用測試儀對每個設備的輸出電平幅值進行了測試，結果見表2。
根據測試結果，我們可以看出所有設備輸出信號幅值均滿足AES3標準，但是不同設備的輸出信號幅值存在差異，從3.2V至5V不等，即使同一品牌不同型號設備間的輸出信號幅值也存在著差異。另外，我們在測試中發現，對于具有斷電直通功能的延時器來說，當發生斷電情況時，信號保持旁通狀態，但是輸出信號幅值則降為2V左右，如圖3所示，加電情況下輸出信號幅值為3.7V的BD500延時器，斷電后輸出信號幅值僅為2V左右。由于發送端信號幅值越高，經過同等傳輸距離后，接收端接收信號質量越好。因此，若延時器直接接長線纜傳輸時，在延時器接電情況下，信號能夠正常傳輸，若延時器斷電，輸出信號幅值迅速下降，則信號就不一定能夠正常傳輸了。
（3）數字音頻線纜
根據廣播電影電視行業標準GY/T 224-2007《數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》，我們選取了規格為22AWG、24AWG、26AWG的數字音頻雙絞線進行測試。
為減少發送端設備的影響，我們用AP System Two測試儀發送Vp-p為4V的信號，觀察經過線纜傳輸后的，測試儀環測接收信號的Confidence Error參數，見表3。
經過測試，我們發現300米以上大部分線纜的Confidence Error參數均出現報錯。這一結果是通過測試儀環測得出的實驗數據，沒有考慮實際環境中的串擾及跳接次數的影響，因此，對于AES/EBU信號使用雙絞線是幾乎不可能傳輸至300米的。但200米以內的大部分線纜，Confidence Error參數均顯示正常，考慮到隨著線纜內芯的增粗，線纜的傳輸能力增強，但是線徑也隨之增粗，22AWG的線徑幾乎是26AWG線徑的2倍，對于布線工作量及線纜空間占用都會增加。而且，22AWG線纜的價格也要比26AWG線纜高出很多，整體成本大大增加，因此，根據測試結果，我們選定品牌B的26AWG線纜進行下一步模擬實際環境的測試。
（4）測試方法
為了更好地模擬真實環境，我們在直播機房內進行測試。測試用線纜選用品牌B的26AWG的4芯數字音頻纜，用其一芯做測試，其余三芯也同時接入信號真實傳輸，模擬實際環境中線纜間干擾。同時為了模擬線纜在橋架中的多個拐彎，我們將線纜盤在線軸上進行測試。并且在每次測試中，均在測試長度線纜內增加若干個跳接點，模擬實際塞孔盤跳線。測試線路圖如圖4所示。
根據這個測試方案，我們對7種發送設備，以及130m、150m、170m四種長度的線纜進行了測試。從測試結果來看，所有發送設備在130m、150m、170m傳輸距離上均能夠正常傳輸，如圖5所示。但部分設備在190m傳輸距離上眼圖出現劣化，如圖6所示，雖然通過接受設備仍能正常接受，但由于眼圖狀態已經不符合AES3的要求。
三. 測試結論
通過測試，我們認為在我們的實驗環境下，AES/EBU信號可以通過26AWG的數字雙絞線在170米以內距離傳輸可靠，應用到實際，以26AWG規格的數字雙絞線可以在150米距離內可靠地傳輸AES/EBU信號，但在190米以上傳輸就不安全了。
需要說明的是，由于各個電臺采用的設備、線纜以及技術區環境都有區別，不建議其他電臺直接應用我們的測試結果，為播出安全考慮，還是在進行線路規劃時，進行一次盡量模擬真實環境的測試為好。由于我們的實驗模擬合理，在線路敷設完成后，對所有敷設線纜進行測試，指標均合格，系統應用至今未發生AES/EBU信號線路傳輸故障。我們的這次成功經驗說明，AES/EBU信號是能夠在100米以上距離的數字雙絞線安全傳輸的。B&P
參考文獻
[1] 劉揚.單成良. 數字音頻測試的兩個重要指標——眼圖及jitter圖.音響技術，2005年02期
[2] 劉紅. 數字音頻信號的傳輸與測量.廣播電視信息， 2010年05期