数字音频系统中的字时钟同步理论

1 字时钟同步方式的基本理论

　　为了应对高清时代所带来的挑战，满足环绕立体声的制作条件，国内各大电视台都在陆续投入使用的高清电视演播室及转播车中采用了全数字化的音频系统。因此，有必要明确一些关于字时钟同步方式的基本理论。

　　1.1 字时钟同步方式

　　从模拟时代开始最常见的同步方式是时间码(Time Code，即TC 码) 同步方式，即在一个音频系统中，确定一个统一的时间码，所有的设备都以这个时间码为基准，从相同的时间点开始进行重放或录制。在整个过程中，所有设备上显示的时间码刻度是完全一致的。这种同步方式至今也运用在数字音频系统之中。

　　字时钟同步方式只能用于数字音频系统。字时钟(Word Clock) 被看作是一种脉冲信号，用于将不同采样频率的数字音频信号协调后在同一系统中进行交流。

　　字时钟信号具有精确而稳定的采样频率，可以确保在数字音频系统的各个环节中，信号的发送端和接收端采用相同的采样频率进行工作，并且发送和接收信号中的比特同时开始。在字时钟信号的作用下，系统中的各个设备即达到频率上的同步，又达到相位上的同步，可以在稳定的条件下持续进行正常工作。

　　字时钟同步方式为稳定系统中数字信号的传输质量起到了极大的作用。但当系统的字时钟同步状态出现问题，而导致信号质量严重降低( 例如字时钟信号的传输发生错误而导致系统中突然产生极大的噪声)时，有时常常会被忽视而从字时钟的方向去解决问题。这是由于这种同步方式在实际操作中所产生的效果并没有时间码同步方式那么直观。

　　1.2 设置系统的字时钟同步状态

　　要实现数字音频系统的字时钟同步状态，必须要在系统中设置一个( 也是唯一的一个) 字时钟信号发生源。实际上数字调音台、数字音频工作站等数字音频设备内部都可以自行产生字时钟信号，但是每一个数字音频系统中只能设置一个字时钟信号发生源，这是因为每个设备中的字时钟信号决定着这个设备中的采样频率，如果在一个系统中出现了不同的字时钟信号，也就表示这个系统中的采样频率并不统一，就达不到同步工作状态，会产生噪声等问题。因此在使用一个数字音频系统时，第一步就应该选择其中一个设备，将其设置为这个系统中的字时钟信号发生源，即同步主机。同步主机中产生的字时钟信号被称为这个音频系统的主时钟。

　　在实际工作中，通常选择专用的字时钟信号发生器或数字音频调音台、数字音频工作站作为系统中的同步主机(MaSTer)。将被选为主机的设备的同步方式设置为“内部”，此时主机内部产生的字时钟信号会作为整个系统的主时钟被传输到需要进行同步的各个从属设备(Slave) 中去。系统中每个从属设备的同步方式都要被设置为“外部”，并且要确保每个从属设备都可以稳定地接收来自主机的字时钟信号。当整个系统达到同步状态之后，系统中所有的从机都将按照主机的主时钟所决定的采样频率进行工作。

　　1.3 字时钟信号在系统中的传输方式

　　字时钟信号可以通过两种方式进行传输。

　　(1) 使用BNC 接头的同轴电缆直接将同步主机中的字时钟信号传输到从机

　　按照这种方式，数字音频系统中的字时钟信号传输结构可以采用星形结构或菊花链结构。

　　在图1 所示的星形结构中，主机的字时钟信号由主机的字时钟信号专用输出接口WC Out 输出后，通过一个信号分配放大器被传输到各个从机的字时钟信号专用输入接口WC In。此时系统中的各个从机独立地接收来自主机的字时钟信号，互不干涉。

　　图1　星形结构。

　　在图2 所示的菊花链结构中，主机的字时钟信号由主机的字时钟信号专用输出接口WC Out 输出后，直接输入至从机A 的字时钟信号专用输入接口WCIn，再依此规律不断向下级传输，直到字时钟信号输入系统中最后一个从机的WC In 中。

　　菊花链结构与星形结构相比具有一定的缺点，因为在这种信号传输结构中，各个从机之间是相互依赖的关系，一旦其中一个从机发生了故障，字时钟信号将无法传输到这台从机下级的所有的从机中。而且在正常工作中，系统中所有采用菊花链结构连接的设备无论是否使用都必须开机，并且设置为正常的字时钟同步状态，否则会导致下级设备得不到字时钟信号的输入。

　　图2　菊花链结构。
　(2) 从系统中传输的数字音频信号中读取字时钟信号

　　并不是所有格式的数字音频信号都适合作为字时钟信号的读取源，在选择字时钟信号的读取源时需要参考具体设备数字接口的互联标准。在目前的数字音频系统中, 从常见的AES/EBU、MADI 等格式的信号中都可以读取出稳定的时钟信息。

　　AES/EBU 格式也被称为AES3，它建立了一种利用单根双绞线传送被周期采样和均匀量化的双通道音频信号的标准，无需均衡，即可将数据传送到距离100 m 以上的地方。AES/EBU 格式的音频信号在大多数情况下使用平衡传输方式，即在输入/ 输出端使用XLR 接头，但也可以使用非平衡传输方式，即在输入/ 输出端使用BNC 接头。当一个设备按照AES/EBU的格式传输信号时，这个设备中的时钟信息按照双相位标记方式被编码后，内嵌进了AES/EBU 信号的数据流中。此时接收这个AES/EBU 信号的设备可以在信号中读取到来自输出信号的设备的字时钟信号，从而与输出信号的设备达到同步。

　　多通道数字音频接口格式(Multichannel AudioDigital Interface)， 即MADI， 也称为AES10， 可以在50 m 的距离内通过一根带BNC 接头的75 Ω 同轴电缆串行传输56 个通道的数字音频信号。在字时钟信号的传输方面，MADI 与AES/EBU 有所区别。输出MADI 信号的设备的时钟信息并没有被包含在MADI信号中与其他的音频信息一起传输，这被称为异步工作方式。为了使接收MADI 信号的设备能够与输出信号的设备进行同步，MADI 标准中规定，MADI 信号在传输中每帧至少传送一次来自输出信号的设备的10 bit 的同步标志，这样接收信号的设备就可以从传输来的数据中抽取出时基信息，将它转化为可以使自己与输出信号的设备进行同步的字时钟信号。

　　按照这种方式，系统中字时钟信号的传输结构与系统中数字音频信号的传输结构相同。

　　实际工作中的数字音频系统往往较为复杂，可能会出现系统中一部分设备从连接字时钟信号专用输入接口的同轴电缆中直接接收字时钟信号，而另一部分设备则从系统中传输的数字音频信号中读取字时钟信号的情况。也可能出现同样是采用BNC 接头的同轴电缆直接传输字时钟信号的设备，一部分采用星形结构连接，一部分采用菊花链结构连接的情况。无论何种情况，只要确保每个设备所使用的字时钟信号都来源于系统的主时钟，系统就能够维持同步状态。

　　2 字时钟同步方式的应用

　　下面介绍在具体的数字音频系统中，如何将互连的各个数字音频设备设置为字时钟同步状态。

　　该系统是一套可以用于制作音乐录音， 也可以用于影视节目后期制作的支持5.1 声道环绕立体声制作的大型数字音频系统，其核心是大型数字调音台SOUNDTRACS DS-00 以及Pyramix 数字音频工作站，简要信号流程如图3 所示。

　　图3　音乐录音棚中音频系统的信号流程。
如图3 所示， 箭头方向代表音频信号的传输方向，DS-00 调音台的控制面板是整个信号流程的中心，负责接收和分配来自系统中各个设备的信号。在调音台的控制面板上有两组MADI 格式的信号接口，分别为MADI A 与MADI B。系统中所有设备( 除了Pyramix 音频工作站之外) 的输入端与输出端都通过音频线(XLR 接头) 连接到调音台的I/O RACK 上的相应信号格式( 模拟或AES/EBU) 接口中。I/O RACK 与调音台的控制面板之间采用MADI 格式传输信号，通过BNC 接头的两根同轴电缆连接到控制面板背后的MADI LINKS A IN/OUT 接口中。Pyramix 音频工作站与控制面板之间同样使用MADI 格式传输信号，通过两根BNC 接头的同轴电缆连接到控制面板背后的MADILINKS B IN/OUT 接口中。

　　2.1 采用专用的字时钟信号发生器作为系统同步主机

　　在这套数字音频系统中安装了高精度数字时钟发生器LUCID SSG192， 见图4。它适用于大多数数字音频系统，具有操作直观便捷的控制面板，只占用单机架空间，可以长时间稳定地输出采样频率在32~192 kHz 之间的字时钟信号。

　　图4　专用的字时钟信号发生器LUCID SSG192。

　　LUCID SSG192 作为这套数字音频系统的同步主机，产生所需要的字时钟信号后，通过同轴电缆将信号传输至信号分配放大器LUCID CLK×6。LUCIDCLK×6 的机身上共有6 个可以输出字时钟信号的接口，可以将字时钟信号分配到DS-00 调音台、Pyramix音频工作站、TC SYSTEM-6000 效果器、DAT 机等数字设备。

　　在实际操作中，需要在LUCID SSG192 的控制面板上选择所需要的采样频率，然后在各个需要接收字时钟信号的数字音频设备的菜单中进行设置，将它们的同步方式都选择为与外部字时钟信号同步。这样字时钟信号通过同轴电缆直接输入到各个设备的字时钟信号专用接口中后，各个设备将按照字时钟信号的采样频率调整自己的采样频率，最终与LUCID SSG192达成同步，此时系统中的字时钟信号传输结构是标准的星形结构，见图5。

　　图5　采用专用的字时钟信号发生器作为系统同步主机。

　　2.2 采用Pyramix数字音频工作站作为系统同步主机

　　在一般情况下，当系统中有专用的字时钟信号发生器时，推荐使用专用的字时钟信号发生器作为系统的同步主机，因为专用的字时钟信号发生器所产生的字时钟信号更为稳定。当系统中没有专用的字时钟信号发生器或字时钟信号发生器不能使用的时候，通常采用数字调音台或数字音频工作站作为系统的同步主机。下面介绍采用Pyramix 音频工作站作为系统的同步主机的方法。

　　首先需要在Pyramix 音频工作站的菜单中将它的同步方式选择为与内部时钟同步(Master)，接下来要根据系统中传输的信号格式为各个设备选择字时钟信号的读取源。例如DS-00 调音台与Pyramix 音频工作站之间采用MADI 格式传输信号， 因此可以在DS-00 的同步设置菜单中选择MADI 选项， 并且选择一个自Pyramix 向DS-00 输出信号的MADI 通道，将这个通道中传输的信号作为字时钟信号的读取源。此时DS-00 从由Pyramix 向DS-00 传输信号的同轴电缆中读取根据MADI 格式发送的同步标志，并且将它转化为字时钟信号用来调整自己的采样频率。TC SYSTEM-6000 效果器与Pyramix 音频工作站并没有直接连接， 它的输入/ 输出接口通过音频线连接到调音台的I/O RACK 上， 并且与调音台的I/ORACK 之间采用AES/EBU 的格式传输信号，因此需要在SYSTEM-6000 效果器的同步设置菜单中选择AES/EBU 选项， 并且选择一个自调音台的I/O RACK 向SYSTEM-6000 输入信号的AES/EBU 通道， 将这个通道中传输的信号作为字时钟信号的读取源。此时由于DS-00 调音台与Pyramix 音频工作站之间达到同步状态，DS-00 调音台与Pyramix 音频工作站在工作中使用的采样频率相同，在这种情况下SYSTEM-6000 使用来自DS-00 调音台的音频信号中的时钟信息来调整自身的采样频率，使SYSTEM-6000 和Pyramix 音频工作站的采样频率实际上也达成了一致。这时系统中的字时钟信号传输方向与音频信号的传输方向一致，见图6。

　　图6　以Pyramix数字音频工作站作为系统同步主机。

　　3 结语

　　数字音频系统中的字时钟同步方式是一个较为复杂的问题。在广播电视技术的发展日新月异、数字音频设备的使用越来越普遍、数字音频系统越来越复杂的今天，笔者认为有必要继续对这个问题进行更加深入的研究。除了文中所介绍的实例之外，在日常工作中还有很多种将数字音频系统设置为字时钟同步状态的方法。只要掌握了字时钟信号同步方式的基本原理，在任何情况下都能够实现数字音频系统的同步。