Nové a ještě složitější systémy přenosu audia i dat? Řešením je A²B

Nová vylepšení na straně sběrnice A²B^® od ADI podporují další možné oblasti využití při přenosu a distribuci audia či dat. Chytré budovy, chodby, pokoje či smart bydlení – zde všude lze těžit z vysoké integrace nových transceiverů.

V článku si ukážeme, jak aktuální zlepšení systému A²B s posílenou délkou sběrnice až 300 m nebo též jejím rostoucím výkonem do 50 W pomohou při návrhu složitějších systémů. Zmíníme rovněž příklady aplikací, ve kterých sběrnice A²B dokáže zjednodušit strukturu vedení, aniž by nás z pohledu hardwaru či softwaru nějak výrazněji zatěžovala.

Pár slov na úvod

A²B je obousměrná digitální audiosběrnice s velkou šířkou pásma, která dokáže přenést data I²S / TDM / PDM s řídicí informací I²C / SPI, společně s hodinami a napájením, zatímco využije jediný nestíněný kroucený pár kabelu (UTP) se dvěma vodiči na vzdálenost až 30 m mezi uzly a 300 m, pokud jde o délku celé sběrnice. Sběrnice je dobře zavedená v automobilových aplikacích, stejně jako těch pro společnou sjednocenou komunikaci a díky dalšímu neustálému rozvoji lze A²B rovněž použít v mnoha komerčních a také průmyslových řešeních.

Obchody, kanceláře i veřejné budovy – zde všude je vyžadována nepřetržitá dostupnost ozvučovacích systémů PA (public address system). Jedná se o elektronické řešení složené z mikrofonů, zesilovačů, reproduktorů a souvisejícího vybavení. Zvyšuje nám hlasitost hovoru, hudby a jejich nástrojů, ale také dalších zdrojů zvuku. Zmíněné systémy pak mohou nahradit i klasické alarmy. Požadavek na zřetelné hlasové instrukce zlepšuje v případě mimořádné události (a v porovnání s tradičními sirénami) reakce posluchačů, umožňuje lépe rozpoznat situaci a eventuálně předejít i katastrofě.

Součástí zmíněného systému se tedy mohou stát funkce pro šíření hudby, hlasové výstrahy, vysílání či interkom, které dále zvyšují jeho složitost. Systémy se vyvíjí a jejich požadavky, pokud jde o možnosti dodatečných přenosů, rostou, stejně jako i komplikovanost řešení. S technologií A²B lze ale takové poptávce vyhovět.

Abychom v rámci sítě obsloužili větší počet prvků, můžeme sáhnout po ethernetu coby fyzické vrstvě, která si však pro každý z nich žádá nákladnější mikrokontroléry. Tato metoda se nejčastěji využije u zařízení s jednoduchým audiem či řízením. Kromě ethernetu lze rovněž nasadit 100V linky, které dokážou po kabelu s výhodou vyřešit i napájení, mohou ovšem přenášet pouze jediný audiosignál v jednom směru. Nelze přidat datovou komunikaci a vyžadované transformátory navíc zaberou spoustu místa.

A právě zde vstupuje do hry sběrnice A²B. Lokálně provázaná zařízení typu reproduktorů, mikrofonů, interkomů, řídicích panelů a senzorů bude nyní možné propojit jednoduchým kabelovým rozvodem ve stylu „daisy-chain“.

A²B se kvůli svému snadnému způsobu použití, včetně realizace, stává ideálním řešením. K zařízení lze připojit transceiver A²B a uživatelé obdrží 64 kanálů obousměrného audia (32 pro downstream a 32 pak pro upstream), které mohou být v kontextu periferních zařízení situovaných v koncovém bodě spojeny s komunikací I²C / SPI či GPIO. Pokud jde o časové sloty, není tedy vůbec nutné vyvíjet nebo používat složitější řešení.

A²B je vysokorychlostní obousměrnou časově synchronizovanou sběrnicí počítající s I²S / TDM, společně s daty pro I²C, SPI nebo též GPIO o přenosové rychlosti 50 Mb/s. Výhoda, která se pojí s těmito rychlými daty, spočívá v prodlevě, dosahující mezi libovolnými dvěma body pouhých 50 μs.

Prostřednictvím nestíněného krouceného páru kabelu UTP lze na jedné sběrnici v rámci daisy chainu propojit až 17 uzlů (včetně toho hlavního). Maximální délka sběrnice smí dosáhnout až 300 m, přičemž vzdálenost mezi každým bodem může činit až 30 m. Komunikace zde přitom postupuje od jednoho uzlu k dalšímu, což znamená, že každý z nich dokáže kterémukoli jinému při zvolených parametrech 48 kHz a 16 bitů zprostředkovat přenosy přes 32 audiokanálů. S ohledem na různé požadavky lze stanovit i velikost dat, resp. definovat možnosti od 1,5 kHz až do 192 kHz. Klesající šíře i rychlosti spojené s daty následně povedou k většímu počtu dostupných kanálů.

Dalším úspěchem se stává sběrnicové napájení dosahující ve všech částech dokonce až 50 W. Uzly lze tudíž po sběrnici vzdáleně napájet bez potřeby speciálně vyhrazených zdrojů. Sběrnice A²B dodá energii též pro systémy s reproduktorem o přiměřeném výstupním výkonu. Rostoucí výkonová spotřeba si již ale bude každopádně žádat externí zdroje napájení.

Flexibilitu sběrnice A²B zjednodušující návrh systému, včetně jeho konfigurace, nám ilustruje obr. 1. Vzhledem k tomu, že transceiver již v sobě integruje spoustu bloků a také rozhraní, obejdeme se často bez samostatného mikrokontroléru.

Obr. 1 Příklad možného řešení sítě A²B, včetně připojených bloků

Jak můžeme vidět, nejjednodušším uzlem bude pole mikrofonů obsahující transceiver AD2437. Připojit lze až čtyři mikrofony PDM. Zmíněné řešení využijeme k lokalizaci rušivých zdrojů, které tak bude možné potlačovat, příp. k nalezení směru ve kterém audiosignál přichází. V takovém případě lze proto náš zdroj audiosignálu „vytáhnout“ ze sousedního rušení na pozadí. Díky velmi nízké prodlevě na sběrnici toto pole nemusí být nutně na jediném uzlu. Vše tak dokážeme v místnosti pohodlně distribuovat i s přispěním dalších prvků situovaných na různých místech. Vzhledem k tomu, že má takový uzel velmi malou spotřebu energie, vezmeme si napájení přímo ze sběrnice. Samostatný napájecí zdroj není vůbec zapotřebí. Řešení je tudíž opravdu malé a jednoduše se i nainstaluje. K dispozici máme příklad, ve kterém takto vzniklý uzel, včetně propojovacího konektoru či obvodů pro sběrnicové napájení, měří 35 x 19 mm.

Pokud je vyžadován složitější přístup, lze k obvodu AD2437 připojit přes výstup I²S samostatný zesilovač pracující ve třídě D nebo i jakékoli další podobné řešení. A stejně tak je možné dále zapojit audiokodek. U audia bývá obvykle zapotřebí zajistit i trvalý provoz bez přerušení, takže je možné použít rozhraní I²C a souběžně přitom realizovat výkonový zesilovač nebo kodek. Díky této konfiguraci lze proto vytvořit jednoduchý terminál – interkom napájený po sběrnici. AD2437 má rovněž k dispozici GPIO, třeba i s výstupem PWM (pulse-width modulation). Otevírá se tak cesta ke vstupu vybavenému tlačítky a umožňujícímu komunikaci s host systémem. Pokud byla daná klávesa stlačena, systém obdrží přerušení a vše může začít. Výstup s PWM lze použít k signalizaci aktivní komunikace, řízení svítivých diod, které indikují stav spojení (status), nebo k signalizaci čehokoli dalšího, co jen bude zapotřebí. Tyto jednoduché, ale zároveň efektivně navržené funkce se obejdou bez samostatného mikrokontroléru, což z pohledu celého systému snižuje zátěž spojovanou se softwarem.

Obr. 2 Ukázka ozvučovacího systému (public address system)

Složitější interkomy (terminály) vybavené např. grafickým uživatelským rozhraním (GUI) mohou použít i mikrokontrolér, který obdrží data pomocí SPI. Povšimněte si prosím, že maximální rychlost sběrnice SPI činí 10 Mb/s.

V případě uzlů čistě jen s reproduktorem, které se mohou vyskytovat na stropu místnosti nebo i v dalších částech budovy a vyžadují přitom rostoucí výstupní výkon, budou vhodné externí zdroje napájení. Napájení spojené se sběrnicí není nutné řešit v uzlu host, lze je přivést až v rámci jakéhokoli středového uzlu a odlehčit přitom kabelům namáhaným průtokem proudu.

Existuje i spousta dalších aplikací, ve kterých se sběrnice A²B, bohatá na funkce, pomáhá odlišit od technologií používaných v minulosti. Jedná se o systémy vyžadující komunikaci a přenos audia s větším počtem kanálů.

Přivolávací či notifikační systém na sesternách nebývá složitý a počítá s ethernetovou konfigurací. V takovém případě zde máme kontrolér pro pokoje připojený přes ethernet, nicméně spojení s terminály u pacientů zajišťuje A²B. S takovou konfigurací jsme schopni zajistit vše potřebné – audio, data i napájení po jednom kabelu UTP, a to až pro 16 lůžek rozmístěných po pokoji. Každý terminál je možné snadno vybavit a použít k tomu malý mikrokontrolér, takže pro všechny pacienty zajistíme nemalý výběr odlišných audiokanálů. Na displeji se může zobrazovat volba kanálu, čas a status (ve stavu pohotovosti). Tlačítko sloužící k upozornění lze rovnou připojit k některému z GPIO a na kontroléru pro pokoje spouštět přerušení. Pokud mají navíc pacienti omezené možnosti pohybu, dokáže vybraný terminál do zmíněného kontroléru okamžitě přenášet signály z mikrofonu. Spustit poplach může po příslušné konverzi též i vybrané slovo.

Instalace mohou být v takovém prostředí opravdu dynamické a systém by měl proto umožnit snadné změny v nastavení. Přidání a také odebírání terminálů bude v síti řešit „plug and play“ stack (zajišťuje host). Abychom dále u odebraných terminálů zachovali konfiguraci daisy-chain, lze chybějící prvek přemostit drobným adaptérem. Jakmile se komunikace přeruší, diagnostika nahlásí selhání.

Z velmi malého zpoždění a plně synchronních reakcí sběrnice A²B mohou rovněž těžit systémy přepážkových interkomů. Na různých pozicích lze umístit větší počet mikrofonů a pro zřetelné oddělení kanálu, pokud jde o člověka, který hovoří vpředu u přepážky, použít tzv. „beamforming“. Veškeré rušení na pozadí, které mají na svědomí sousední osoby, tak bude potlačeno. Dokážeme proto zajistit krystalově čistou konverzaci mezi jakýmikoli akustickými bariérami (např. skleněné zábrany). Ze zmíněných řešení mohou obvykle těžit recepce, izolace v nemocnicích nebo např. čisté výrobní prostory.

Podobně jsou na tom interkomy používané ve věznicích, kde veškerá data přicházející z mikrofonů mohou být přenášena do host systému, resp. zde máme i spoustu audiokanálů, jako jsou třeba různé rádiové kanály, kdy zase vysíláme do každé z cel.

Obr. 3 K otázce interkomů používaných na přepážkách

Ještě jiným vhodným příkladem použití beamformingu se stávají konferenční systémy, ve kterých bývá ve schůzovní místnosti umístěna řada mikrofonů. Pokud jde o různé řečníky, systémy převodu řeči na text zde vyžadují zřetelné odlišení audia. Díky malému zpoždění lze nyní veškeré mikrofonní kanály souběžně přenášet do host kontroléru či digitálního signálového procesoru (DSP), kde se také v případě signálu stanoví odlišná umístění.

Alternativním přístupem zde může být i stolní mikrofon či sluchátka s mikrofonem (headset) používané na jednom sedadle vedle druhého, které mohou být přivedeny do systému zajišťujícího tlumočení. Všichni účastníci pak mohou obdržet personalizované audio (data), automaticky přeložené do jejich rodného jazyka. Pokud si navíc vystačíme s nižší kvalitou audia, kterému také odpovídá šířka pásma, bude možné zajistit skutečně vysoký počet kanálů. Signály ze všech mikrofonů jsou proto k dispozici v rámci host systému a lze tak zvolit i jednoduché upřednostňování, buď u signálu s největší intenzitou, nebo systémově řízeným způsobem, kdy hlas „zprůchodníme“ pouze vybraným lidem. Každý z terminálů může být v takovém případě napájen po sběrnici a nevyžaduje již na stolech lokální přísun energie.

A pak zde ještě existují systémy pro automatizaci domácností, které se těší stále větší popularitě. Máme je dobře spojené s ovládáním světel, topení, klimatizace nebo stahováním rolet. Kromě toho je však v rámci zmíněných systémů rovněž zapotřebí zavést do řady pokojů právě audio. Na každém místě v domě proto můžete slyšet zvonek u dveří, a to i v případě, že v koupelně zrovna ve vynikající audio kvalitě posloucháte svůj oblíbený seznam skladeb. Schopnost šířit v místě bydlení audio do všech míst je užitečná, stejně jako související podpora mikrofonů, takže lze váš dům ovládat hlasovými povely. V porovnání s bezdrátovým spojením cestou WLAN zajistí kabelové řešení větší spolehlivost a vf provoz pomůže i odlehčit.

Obr. 4 A²B a její super rámec

A²B se také skvěle hodí do profesionálních audiosystémů, domácích nahrávacích studií nebo k instalacím při živém vystoupení, kde v otázce audia umožňuje snadnou propojitelnost se stávající kabelovou technikou (CAT5 či XLR). Více informací získáte po zhlédnutí našeho videa „A²B: Beyond Automotive – Studio Headphone Mixer Demo“ [1].

Pojďme se nyní na sběrnici A²B, ale i důvod, proč dokáže v obou směrech pracovat s tolika audiokanály, podívat blíže. Super rámce budou po sběrnici vysílány s taktem 48 kHz. Data se poté přenáší 1024krát rychleji, takže u datového toku dostáváme na sběrnici kmitočet 49,152 MHz. Super rámec zde tvoří dvě části – jedna pro upstream a druhá zase pro downstream, přičemž začátek je iniciován v rámci „sync control frame“, resp. „sync response frame“. Ve slotech pro downstream či upstream pak budou začleněna veškerá data I²S / TDM, I²C data, GPIO a také informace spojené s přerušením.

Hodiny generuje host a všechny uzly se s tímto taktem synchronizují, takže systém je pokaždé synchronní. Úvodní část rámce „sync control frame“ zajistí, že veškeré uzly jsou zesynchronizovány a mohou takové hodiny poskytnout i perifériím. To je výhodné, protože celý audiořetězec nepotřebuje dodatečné hodiny, místní oscilátory ani ASRC (asynchronous sample rate converter).

Při spuštění jej host procesor, který je rovnou připojený k prvnímu čipu transceiveru A²B (zde konkrétně obvodu AD2437), nastaví jako hlavní uzel. Host procesor zde poskytuje stabilní 48kHz signál a transceiver, včetně příslušné smyčky fázového závěsu PLL, s ním začíná pracovat. Jakmile bude hlavní uzel připravený, přichází na řadu další, jeden po druhém.

Nastavení celého systému, zahrnující konfiguraci audiokanálu a také uzlu, podporuje software SigmaStudio+ [2]. Jedná se o nástroj pro grafické programování, diagnostiku i ladění umožňující vývojářům vytvořit pro síť A²B grafické uživatelské rozhraní. Počítat se přitom bude s periferními prvky typu audiokodeku, zesilovačů pracujících ve třídě D a tak dále. SW stacky jsou k dispozici pro Linux, společně s plug and play stackem, takže lze na sběrnici v průběhu činnosti přidávat i odebírat uzly.

Řešení s A²B máme rovněž podporováno ze strany vývojových modulů s konektory XLR či RJ45 pro hlavní, ale i dílčí uzly, a to včetně přenosu energie.

Obr. 5 Datový tok na sběrnici A²B

Závěr

Další zlepšování na straně nových transceiverů A²B, pokud jde o větší dosah kabelové trasy nebo i rostoucí výkon sběrnice, znamená spoustu příležitostí pro nejrůznější aplikace, zejména pak v případě, kdy potřebujeme na jednoduchém vedení provázat řídicí data s několika audiokanály. Pokud budou připojená zařízení tvořena kombinací někdy jednodušších a jindy zase složitějších uzlů, sběrnice umožňuje poměrně levná hardwarová řešení, a to i v případě jednoduchých systémů. Výrazné zjednodušení díky A²B se ale může rovněž týkat aplikací, které nemají s audiem nic společného, kupříkladu sítí s precizně synchronizovanými čidly.

Více informací o novém transceiveru A²B AD2437 přináší [3].

Příbuzná řešení, včetně dalších informací k aplikacím s A²B, naleznete na stránkách analog.com/a2b.

Odkazy:

[1] https://www.youtube.com/watch?v=h6CjkvRpl38

[2] https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/software/sigmastudio-plus.html

[3] https://www.analog.com/en/products/AD2437.html#product-overview