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BBC如何向發(fā)射機(jī)站點(diǎn)發(fā)送音頻

從表面上看，運(yùn)營(yíng)廣播電臺(tái)是一項(xiàng)直接的技術(shù)挑戰(zhàn)。建立一個(gè)工作室，將它連接到一個(gè)發(fā)射器，你就可以開始了。但是，當(dāng)您的電臺(tái)不是一個(gè)單一的 Rebel Radio 式的山頂裝置，而是一個(gè)由各種城市工作室提供的全國(guó)性發(fā)射站鏈時(shí)，會(huì)發(fā)生什么？這是 BBC 的英國(guó) FM 發(fā)射機(jī)鏈面臨的問題，自 1980 年代以來，它一直由一系列 NICAM 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流饋送。我們?cè)?2016 年提到過老化的設(shè)備是如何在沒有任何聽眾注意的情況下被現(xiàn)代基于 FPGA 的實(shí)現(xiàn)所取代的，現(xiàn)在感謝 Matt Millman，我們有機(jī)會(huì)看到對(duì) 1980 年代原始設(shè)備的拆解。從 2020 年代的角度來看，這項(xiàng)技術(shù)相對(duì)容易理解，但它仍然包含一些驚喜。

在每個(gè)工作室或發(fā)射機(jī)站點(diǎn)中，都會(huì)有一個(gè) 19 英寸的機(jī)架，其中包含其中一個(gè)單元——一個(gè)帶有編碼器或解碼器卡集合的卡架。這些都是BBC工程部以非常高的標(biāo)準(zhǔn)定制的，并且使用了大家熟悉的Z80微處理器和一些飛利浦?jǐn)?shù)字音頻芯片等時(shí)代部件，高端消費(fèi)音頻的追隨者可能會(huì)認(rèn)得。正如您對(duì)任務(wù)關(guān)鍵型設(shè)備所期望的那樣，許多功能被復(fù)制以實(shí)現(xiàn)冗余，它們的輸出被比較以發(fā)出故障警告。

令人驚喜的是?NICAM 編碼器和解碼器——它是專為 BBC 制造的定制 LSI 芯片。這表明了國(guó)家廣播公司的可用預(yù)算，并且鑒于這些單位在某些情況下已經(jīng)工作了 35 年以上，我們猜測(cè)許可證支付者的錢物有所值。

NICAM II：BBC Engineering 打開檔案，向我們展示一些復(fù)古套件

介紹

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回到我關(guān)于這個(gè)主題的第一篇文章中，我簡(jiǎn)要提到了 NICAM 的原始用例 - FM 無線電回程。

一對(duì) BBC 設(shè)計(jì)和制造的第二代“NICAM II”編碼器安裝在倫敦 BBC 廣播公司的地下室。

鏈接的文章顯示了兩個(gè)大型（6RU）“編碼器”，據(jù)稱安裝于 1983 年[此日期可能指的是早期的“NICAM I”設(shè)計(jì)——此處顯示的設(shè)備來自 1988 年]。我問我們是否可以看看他們，幾周后，我如愿以償。非常感謝 Justin Mitchell 回答了我所有的問題并將所有相關(guān)信息發(fā)布到公共領(lǐng)域。正是這種愿意花時(shí)間來幽默像我這樣的瘋子，這才維護(hù)了公司在技術(shù)卓越和開放方面的聲譽(yù)。

首先，讓我們把背景故事排除在外。關(guān)于這個(gè)主題已經(jīng)寫了很多。我不打算詳細(xì)重復(fù)。我總結(jié)一下：

早在 FM 廣播的早期，BBC 就有一個(gè)問題。工作室在倫敦，但大多數(shù)聽眾在該國(guó)其他地方。水晶宮發(fā)射站無法覆蓋全國(guó)。需要許多其他發(fā)射器，每個(gè)發(fā)射器都需要來自倫敦的音頻信號(hào)才能廣播，但是如何將它送到那里呢？

設(shè)計(jì)了各種方案，包括通過租用線路（BT 固定線路）將它們作為模擬信號(hào)發(fā)送。不可避免地在如此長(zhǎng)的距離上，信號(hào)質(zhì)量惡化。雖然東南部的聽眾享受原始音質(zhì)，但北方的聽眾肯定沒有。在許多情況下，他們甚至沒有立體聲。

加入 BBC 工程團(tuán)隊(duì)，以提高實(shí)際問題的解決能力。很明顯，解決方案是數(shù)字化，盡管最終 FM 是一種模擬廣播。模擬信號(hào)將在倫敦?cái)?shù)字化，使用 BT 的 PDH 基礎(chǔ)設(shè)施分布在全國(guó)各地，然后在傳輸站點(diǎn)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)用于廣播。從 1960 年代開始探索和構(gòu)建各種解決方案，BBC 最終確定了 NICAM-676 解決方案，該解決方案至今仍在使用。

在這篇文章中，我將與我們之前看到的飛利浦 NICAM-728 解決方案進(jìn)行比較。它的設(shè)計(jì)比這個(gè) NICAM-676 解決方案早一點(diǎn)，目的不同，但有足夠的共同點(diǎn)進(jìn)行比較。

硬件拆解

是的，這就是我們來這里的目的……

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一個(gè) 6 通道編碼器，以及我們以前從未見過的東西：解碼器。為了工程方便，它們都插入同一個(gè)箱子。??由丹麥 RE Communications 制造。

編碼器

這些單元已全部停止使用并更換為新設(shè)計(jì)，仍然使用完全相同的 NICAM-676 編碼，但具有現(xiàn)代組件。

編碼器的內(nèi)部。我喜歡這些裝置如何擁有大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品的所有特征，即粉末涂層軟工具金屬制品、絲網(wǎng)、雕刻拆卸手柄等，盡管只制造了少量供內(nèi)部使用。

取下前面，我們看到了五個(gè)組件，再次使用 DIN41612 連接器安裝到背板上。

設(shè)計(jì)

每個(gè)編碼器和解碼器處理 6 個(gè)通道或 3 個(gè)立體聲廣播。音頻輸入可以是模擬的或數(shù)字的，具體取決于配置。

編碼器的高級(jí)框圖

檢查編碼器的框圖，我們可以看到這里發(fā)生了很多事情。與我們之前看到的主要區(qū)別在于，三個(gè)立體聲輸出不是調(diào)制射頻輸出，而是多路復(fù)用到一個(gè)數(shù)據(jù)流中，該數(shù)據(jù)流使用 HDB3 進(jìn)行編碼。然后使用 BT 提供的 E1 線路將其傳輸?shù)桨l(fā)射機(jī)站點(diǎn)。

它的不同之處還在于編碼器立即對(duì)其輸出進(jìn)行解碼，并以模擬形式和數(shù)字 AES3 提供。還有警報(bào)輸出，運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)會(huì) 24/7 全天候監(jiān)控。

音頻輸入

請(qǐng)注意，任何地方都絕對(duì)看不到鉭或濕電解電容器。

該組件與飛利浦解決方案的第 3 單元具有相同的工作，并且從根本上非常相似。它將 3 個(gè)平衡音頻輸入數(shù)字化，因此每個(gè)編碼器需要其中兩個(gè)。BBC 工程團(tuán)隊(duì)為每個(gè)通道選擇了一個(gè) Cirrus Logic CS5014 ADC，其中包含了大部分前端，只在 ADC 之前留下了最少的模擬電路。

另一個(gè)突出特點(diǎn)是 15 KHz 低通（抗混疊）濾波器。不太熱衷于嘗試推出自己的產(chǎn)品，他們從（某處）購買了一個(gè)。我無法找到有關(guān)制造商的任何信息。它們看起來像是在某人的車庫里制造的。在原理圖上，它們被聲明為具有雙軌電源，因此其中可能包含集成電路。

NICAM 編碼器

大多數(shù)非可編程 IC 享有被焊接下來的崇高榮譽(yù)，其他的則不那么受信任。不幸的是，那些飛利浦 SAA7220 就在那個(gè)名單上。你聽說過失敗嗎？

該組件在飛利浦解決方案中具有相同的作業(yè)單元 5。從視覺上看，它把它的對(duì)應(yīng)物放在了陰影中，那是因?yàn)樗粌H僅是編碼——這里還有很多其他的東西。

在近死角，我們有一個(gè)非常特殊的芯片：BBC 自己的 NICAM 編碼（和解碼）LSI。據(jù)我所知，這是迄今為止制造的唯一能夠進(jìn)行 NICAM 編碼的 LSI。其他一切（我所看到的）要么是基于使用 DSP 或 CPU 的軟件，要么是 FPGA。這本身就值得承認(rèn)，因?yàn)樵?1980 年代制造的定制芯片附帶了令人不快的條件。這絕對(duì)是我見過的最酷的時(shí)期編碼器設(shè)計(jì)。

從哪里開始解開這件事……

首先，取決于其配置——它可以接受數(shù)字輸入（AES3 格式）或來自我們剛剛看到的 ADC 組件的數(shù)字化信號(hào)。然后將數(shù)字化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)母袷揭赃M(jìn)行壓縮/編碼。現(xiàn)在編碼。請(qǐng)注意，只有一個(gè) NICAM 編碼器，處理三個(gè)通道。編碼是通過一系列時(shí)序邏輯在時(shí)間片基礎(chǔ)上完成的，這（部分）由左側(cè)存儲(chǔ)區(qū)中包含的“EPROM 邏輯”驅(qū)動(dòng)。

包含所有三個(gè)立體聲通道的最終幀被劃分為一組固定的時(shí)隙。然后一個(gè)計(jì)數(shù)器循環(huán) EPROM 的地址引腳通過所有插槽，然后它們的數(shù)據(jù)線有效地向板上的其余設(shè)備（包括編碼器 LSI）提供關(guān)于在特定時(shí)間做什么的指令。最后，我們完成了一個(gè) 2mbit 的編碼數(shù)據(jù)流——三個(gè) 676kbit 的流交織在一起。三個(gè)廣播電臺(tái)。

但是等等，還有更多。在左上角，我們有三個(gè)飛利浦 SAA7220 數(shù)字濾波器，我們之前在 PM5688 中看到過。這些都在這里，因?yàn)樵摻M件還解碼其自己的新編碼音頻，用于監(jiān)視器輸出。這些芯片是該過程中的關(guān)鍵步驟。它們?cè)?1980 年代的 CD 播放器中也很常見。

最后，我們有 HDB3 線路編碼器。有了這個(gè)，這個(gè)單元就可以直接驅(qū)動(dòng)一條 E1 線路（當(dāng)然不包括線路終端設(shè)備）。

CPU 和 AES3 輸入

插座的選擇也很有趣。任何可編程的東西當(dāng)然都需要插座，但是Z80和SAA7274的呢？

在這個(gè)組件上，我們有一個(gè)Z80 CPU和附帶的邏輯，提供診斷和內(nèi)務(wù)管理功能。當(dāng)然，手冊(cè)上有更詳細(xì)的說明。

此外，我們還有三個(gè)四個(gè)飛利浦SAA7274格式轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器將6個(gè)外部AES3數(shù)字音頻輸入轉(zhuǎn)換成內(nèi)部需要的2's compliment二進(jìn)制音頻格式。第四個(gè)是通過AES3提供一個(gè)主時(shí)鐘信號(hào)。盡管飛利浦已經(jīng)做出了支持這一功能的芯片，但我們并沒有看到他們?cè)贜ICAM-728解決方案中使用這一接口。我聽說BBC也沒有使用AES3輸入。

音頻輸出

TDA1541A再一次得到了插座。它們的運(yùn)行溫度高于平均水平。也許它們確實(shí)失效了？

編碼器還包括一個(gè)用于監(jiān)視器模擬輸出的音頻輸出組件。它與解碼器中使用的組件非常相似。我將在這篇文章的后面更詳細(xì)地介紹它。

它的設(shè)計(jì)比解碼器更簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼪]有信號(hào)電平監(jiān)測(cè)或靜音控制。

后面板

編碼器的后部連接。我現(xiàn)在沒有一張實(shí)際的照片。

在后面板上，我們有各種D-sub連接器（似乎BBC喜歡D-sub連接器），用于監(jiān)測(cè)和控制。所有的模擬音頻連接都在長(zhǎng)方形的多針連接器上，很可能被引向一個(gè)接線板。

大量的空間被分配給AES3輸入和監(jiān)聽輸出的許多XLR連接器，這些連接器從未被使用。其中一個(gè)最關(guān)鍵的連接被標(biāo)記為 "HDB3 OUTPUT"。這就是解碼器與E1線路的連接方式。

解碼器

在撰寫本文時(shí)，這些解碼器仍在英國(guó)各地的傳輸站點(diǎn)使用。我被告知有一個(gè)計(jì)劃，用已經(jīng)取代了解碼器的同一設(shè)備來取代它們。

拆除前面板的解碼器。與譯碼器不同的是，這些譯碼器有幾百個(gè)，分布在英國(guó)各地的發(fā)射站。

從物理上看，解碼器與編碼器相似，兩者都在前面的照片中。值得注意的是，這些古老的笨重的野獸今天仍然活著，沒有改變，有如此長(zhǎng)的壽命。在NICAM-728中，接收硬件是一種短命的消費(fèi)品，每隔幾年就會(huì)改進(jìn)，變得越來越便宜，越來越小，越來越集成；最終消失在為整個(gè)產(chǎn)品提供動(dòng)力的單一系統(tǒng)芯片中。

設(shè)計(jì)

解碼器的方框圖。

因?yàn)榻獯a器做了編碼器所做的一切，但是是反向的，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它與編碼器有共同之處--特別是那個(gè)序列器塊看起來相當(dāng)熟悉。

音頻輸出

這個(gè)組件的工作與飛利浦解決方案中的第3單元相同，設(shè)計(jì)也非常相似。它可以單獨(dú)處理所有六個(gè)通道（3個(gè)立體聲）。我們?cè)僖淮慰吹搅孙w利浦解決方案中使用的傳奇性的飛利浦TDA1541A DAC。這款早已停產(chǎn)的芯片至今仍受到發(fā)燒友們的推崇，二手樣品可以賣到很高的價(jià)格。

音頻輸出級(jí)包括一個(gè)漂亮的小方框圖。

它的特點(diǎn)是去加重和抗混疊濾波器。去加重是NICAM要求的，抗混疊濾波器是DAC要求的。實(shí)際上，我在這篇文章中已經(jīng)掃描了DAC之后的電路（飛利浦的同類產(chǎn)品）的頻率響應(yīng)，BBC的版本將非常相似。

它有一些額外的功能，是這個(gè)組件的編碼者版本所沒有的--特別是靜音控制和信號(hào)電平監(jiān)測(cè)。與飛利浦的對(duì)應(yīng)產(chǎn)品一樣，每一個(gè)輸出都是雙倍的，也有第二個(gè)監(jiān)測(cè)輸出。

你可能已經(jīng)注意到在解碼器中安裝了兩個(gè)這樣的裝置。說什么呢？

檢查框圖，我們可以看到BBC的工程師相當(dāng)擔(dān)心這個(gè)組件會(huì)失敗，因?yàn)檎麄€(gè)DAC/模擬部分是雙倍的，輸出信號(hào)被比較。如果差異超過預(yù)先設(shè)定的閾值，就會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

NICAM解碼器

UCN5801A的似乎也都是插座式的。我想這可能是因?yàn)樗鼈儽┞对谖ｋU(xiǎn)的外部世界。

這個(gè)組件看起來與編碼員的NICAM編碼器組件相當(dāng)相似。這是因?yàn)樗恰Ｋ\(yùn)行著完全相同的過程，但是是反向的。它甚至在中心有相同的BBC設(shè)計(jì)的LSI，以 "解壓 "模式運(yùn)行。它也有一個(gè)機(jī)制來使NICAM邏輯與源同步。

但是，有六個(gè)SAA7220數(shù)字濾波器代替。這是因?yàn)樗?qū)動(dòng)兩個(gè)DAC輸出卡（如上一節(jié)所詳述的），所以它們加倍了。當(dāng)然，為什么不呢。甚至給這些芯片供電的74LS674移位寄存器也是雙倍的。哎呀，他們很擔(dān)心。非常擔(dān)心。

CPU和HDB3同步

這張卡執(zhí)行內(nèi)務(wù)管理和診斷功能。一個(gè)立即可見的特征是之前在方框圖上看到的大量的旋轉(zhuǎn)開關(guān)陣列。這些是用來設(shè)置每個(gè)通道的警告/警報(bào)閾值的。不可避免的是，有些設(shè)備比其他設(shè)備更容易出錯(cuò)，因此需要不同的閾值。當(dāng)錯(cuò)誤超過預(yù)期時(shí)，才需要發(fā)出警報(bào)。

CPU能夠使用總線仲裁系統(tǒng)撬動(dòng)解碼器的內(nèi)存進(jìn)行故障查找，在解碼過程中有一些預(yù)定義的時(shí)間段，允許它這樣做。如果它試圖在其分配的時(shí)隙之外訪問該內(nèi)存，它將被迫等待。這個(gè)功能是與編碼器共享的。

在這塊卡上，我們還有一個(gè)邏輯，用于將傳入的HDB3編碼數(shù)據(jù)從E1鏈路同步到倫敦，當(dāng)設(shè)備第一次連接到信號(hào)源時(shí)，以及當(dāng)/如果與信號(hào)源失去同步時(shí)，就需要這樣做。

獎(jiǎng)金：RDS組件

無線電數(shù)據(jù)系統(tǒng)是一種允許接收器向聽眾顯示曲目名稱的技術(shù)。它于1988年推出，并在IBC-88上進(jìn)行了展示。

在高水平上，RDS系統(tǒng)在倫敦和全國(guó)其他地區(qū)的發(fā)射站之間提供了一個(gè)多分流單工RS-232通道。

RDS合路器

合路器底盤的前視圖。

合路器是解決方案的發(fā)射端，住在倫敦。

合路器的工作并不特別困難，是普通愛好者可以設(shè)計(jì)和建造的解決方案的一部分。它是基于一個(gè)Z80微控制器的。組合過程很簡(jiǎn)單。編碼器向合路器發(fā)送一個(gè)常規(guī)中斷，表示它準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)，分流器將數(shù)據(jù)發(fā)送給編碼器（在那個(gè)確切的時(shí)間），然后數(shù)據(jù)被拼接到編碼器內(nèi)部NICAM幀的空余字節(jié)中。如果沒有RS-232數(shù)據(jù)可以發(fā)送，合路器仍然要發(fā)送一個(gè)結(jié)構(gòu)來表明沒有數(shù)據(jù)可用。

它有一些配置選項(xiàng)--波特率（支持300-9600），你甚至可以配置LED的行為。

有些人喜歡通常是關(guān)閉的紅色LED。另一些人則希望綠色LED通常是亮的。

就我個(gè)人而言，我喜歡兩者都有一點(diǎn)，這取決于LED的用途和我的心情。這套設(shè)備背后的團(tuán)隊(duì)（或可能是個(gè)人）不可能有很緊的時(shí)間表。

這里還有一個(gè)相當(dāng)有趣的特點(diǎn)，40個(gè)位置的帶狀電纜連接著電路板......和它自己？板子的前半部分是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的BBC設(shè)計(jì)的微控制器塊，用于其他設(shè)計(jì)，而后半部分（包含UART）是專門用于組合器的。互相連接是為了幫助開發(fā)和調(diào)試。

RDS分路器

分配器底盤的前視圖。從遠(yuǎn)處看，與合路器沒有區(qū)別。

分路器是解決方案的接收端，住在分布在英國(guó)各地的發(fā)射站中。

它們與合路器極為相似，但工作方式相反。

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小叔來啦：

你提到BBC的工程師使用雙冗余電路是因?yàn)樗麄?"擔(dān)心"。事實(shí)并非如此，直到80年代末，這只是標(biāo)準(zhǔn)做法和最佳做法！。然而，當(dāng)有線電視公司開始與英國(guó)電信競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，情況發(fā)生了變化，他們不愿意為系統(tǒng)的彈性付費(fèi)--我在80年代末為E1和SDH復(fù)用/切換設(shè)計(jì)VLSI芯片。我們必須把芯片設(shè)計(jì)成兩種工作模式，一種是沒有冗余的模式（用于有線電視公司的設(shè)備），另一種是作為雙冗余對(duì)工作的模式，自動(dòng)切換而不丟失數(shù)據(jù)（用于英國(guó)電信發(fā)布的設(shè)備規(guī)范）。

編輯：黃飛