Audiobus Wie A2B komplexere Daten- und Audiosysteme ermöglicht

Weiterentwicklungen des A²B-Busses eröffnen neue Möglichkeiten für die Übertragung von Daten und Audiosignalen. Intelligente Gebäude, Hallen, Räume oder Smart Homes profitieren davon. Der Artikel zeigt Anwendungsbeispiele und wie die Technik dahinter die Verdrahtung mit geringem Hard- und Softwareaufwand vereinfacht.

In vielen öffentlichen Gebäuden, Fabriken oder Büros sind Lautsprecheranlagen notwendig. Diese bestehen aus Mikrofonen, Verstärkern, Lautsprechern und Zubehör. Solche Systeme ersetzen beispielsweise klassische Alarmanlagen. Musikübertragung, Sprachalarme, Rundfunk und Sprechanlagen können in diese Systeme integriert werden.

Bei einfachen Audio- und Steuergeräten werden Ethernet-Netzwerke genutzt. Daneben kommen auch 100-V-Leitungen zum Einsatz. Diese Leitungen übertragen jedoch nur ein einziges Audiosignal in eine Richtung. Eine Datenkommunikation kann nicht hinzugefügt werden.

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Hier punktet der Audiobus A²B, der Komponenten wie Lautsprecher, Mikrofone, Sprechstellen, Bedienfelder und Sensoren mit einer einfachen Daisy-Chain-Verkabelung verbindet. Der digitale Audiobus arbeitet bidirektional mit hoher Bandbreite. Er überträgt Steuersignale sowie Taktinformationen und Strom über ein 2-Draht UTP-Kabel (ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel) über eine Länge bis 30 m zwischen den einzelnen Knoten und bis 300 m über die gesamte Buslänge.

A²B hat sich sowohl in Automobil- als auch in Kommunikationsanwendungen bewährt und kann für viele gewerbliche und industrielle Zwecke eingesetzt werden.

Beim Anschluss eines A²B-Transceivers an ein Gerät stehen den Benutzern 64 bidirektionale Audiokanäle (32 Downstream und 32 Upstream) zur Verfügung, die mit einer I²C/SPI/GPIO-Kommunikation für Peripheriegeräte am Endpunkt gekoppelt werden können. Es müssen keine komplexeren Zeitfenster-Stacks entwickelt oder verwendet werden.

Der zeitsynchronisierte Hochgeschwindigkeitsbus, der I²S/TDM- zusammen mit I²C-, SPI- und GPIO-Signalen mit einer Datenrate von 50 MBit/s überträgt, bietet eine Latenz zwischen zwei beliebigen Knoten von 50 μs. Über ein UTP-Kabel können bis zu 17 Knoten (einschließlich des Hauptknotens) an den Bus angeschlossen werden.

Die Kommunikation erfolgt von Knoten zu Knoten, was bedeutet, dass jeder Knoten 32 Audiokanäle an jeden anderen Knoten senden kann, wenn 48 kHz und 16 Bit ausgewählt sind. Die Datengröße lässt sich für unterschiedliche Anforderungen festlegen, wobei die Datenrate zwischen 1,5 und 192 kHz eingestellt werden kann. Geringere Bandbreiten und Datenraten führen mehr verfügbaren Kanälen.

Im Bus integrierte Stromversorgung

Ein weiterer Vorteil ist die in den Bus integrierte Stromversorgung, die Leistungen bis zu 50 W über den gesamten Bus liefern kann. Dadurch können Knoten über den Bus phantomgespeist mit Strom versorgt werden, ohne dass eine zusätzliche lokale Stromversorgung erforderlich ist. Lautsprecherknoten mit geringer Ausgangsleistung können ebenfalls über den A²B-Bus versorgt werden. Bei höherem Stromverbrauch sind jedoch externe Stromversorgungen erforderlich.

Bild 1 veranschaulicht die Flexibilität des A²B-Busses, die die Konzeption und Konfiguration des Systems vereinfacht. Da der Transceiver bereits viele Blöcke und Schnittstellen enthält, kann er häufig ohne einen separaten Mikrocontroller betrieben werden.

Wie abgebildet, ist der einfachste Knoten ein Mikrofon-Array mit dem Transceiver AD2437. Es können bis zu vier PDM-Mikrofone (Pulsdichtemodulation) angeschlossen werden. Solche Mikrofonarrays lokalisieren um Geräuschquellen, führen eine Geräuschunterdrückung durch oder erkennen die Richtung, aus der ein Geräusch kommt. In diesem Fall ist es möglich, die Audioquelle aus dem angrenzenden Hintergrundgeräusch zu extrahieren.

Aufgrund der sehr geringen Latenz des Busses muss dieses Array nicht unbedingt auf einem Knoten vorhanden sein. Es kann problemlos auf verschiedene Knoten an verschiedenen Standorten innerhalb eines Raums verteilt werden. Die Stromversorgung erfolgt über den Bus, da der Knoten einen sehr geringen Stromverbrauch hat. Dadurch ist die Lösung sehr kompakt und einfach zu installieren. In einer Beispielanwendung hatte der Knoten eine Größe von 35 mm × 19 mm, einschließlich Verkabelung und Busstromversorgung.

Class-D- oder Audioverstärker anschließen

Bei höheren Anforderungen an die Komplexität kann über den I²S-Ausgang ein separater Class-D- oder ein anderer Leistungsverstärker an den AD2437 angeschlossen werden. Darüber hinaus kann auch ein Audio-Codec integriert werden. Da Audio normalerweise nicht unterbrochen werden darf, wird die I²C-Schnittstelle verwendet, um den Leistungsverstärker oder Codec parallel einzurichten.

Mit dieser Konfiguration lässt sich eine einfache, busgespeiste Sprechanlage erstellen. Der AD2437 verfügt außerdem über GPIOs, von denen einige mit Pulsweitenmodulation (PWM) ausgestattet sind. Diese können als Keyport-Eingänge für die Interaktion mit dem Host verwendet werden. Der Host erhält ein Interrupt-Signal, wenn eine Taste gedrückt wird, woraufhin die Kommunikation aufgebaut werden kann.

Der PWM-Ausgang wird verwendet, um anzuzeigen, ob die Kommunikation aktiv ist, zum Ansteuern von LEDs, die den Verbindungsstatus anzeigen, und zur Darstellung aller weiteren erforderlichen Informationen. Diese einfache, aber effektive Funktion erfordert keinen separaten Mikrocontroller, was den Softwareaufwand für das gesamte System reduziert.

Sprechanlagen mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) verwenden einen Mikrocontroller, der Daten über die SPI-Schnittstelle empfängt. Die maximale Geschwindigkeit des SPI-Busses beträgt10 MBit/s.

Für reine Lautsprecher-Knoten, die sich beispielsweise in Decken oder anderen Gebäudeteilen befinden und eine höhere Ausgangsleistung erfordern, sind externe Netzteile ausreichend. Die Stromversorgung des Busses muss nicht am Host-Knoten hergestellt werden, sondern kann an einer beliebigen Stelle innerhalb eines beliebigen Zwischenknotens erfolgen, um die Strombelastung in den Leitungen zu verringern.

Anwendungen des Audiobusses in der Pflege

Es gibt zahlreiche weitere Anwendungsbereiche, in denen die Funktionen des A²B-Audiobusses einen entscheidenden Vorteil gegenüber bisher verwendeten Techniken bieten.

Ein Pflegeruf-/Benachrichtigungssystem basiert auf einer Ethernet-Konfiguration. In diesem Fall wird ein Raumcontroller über Ethernet angeschlossen, die Verbindung zu den Patiententerminals erfolgt jedoch über den A²B-Bus. In dieser Konfiguration werden alle erforderlichen Audio-, Daten- und Stromsignale über ein UTP-Kabel an 16 Betten in einem Raum übertragen.

Jedes Terminal kann einfach mit einem kleinen Mikrocontroller ausgestattet werden, um den Patienten verschiedene Audiokanäle zur Verfügung zu stellen. Ein Display zeigt den ausgewählten Kanal, die Zeit und den Alarmstatus an. Ein Alarmknopf kann direkt an einen der GPIO-Anschlüsse angeschlossen werden, um ein Interrupt am Raumcontroller auszulösen. Wenn Patienten in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt sind, kann ein ausgewähltes Endgerät darüber hinaus Mikrofonsignale sofort an den Raumcontroller übertragen. Ein ausgewähltes Stichwort löst dabei einen Alarm aus.

Das Systemkonfiguration kann einfach geändert werden. Das Hinzufügen und Entfernen von Terminals aus dem Netzwerk erfolgt über den Plug-and-Play-Stack des Hosts. Um die Daisy-Chain-Konfiguration auf entfernten Terminals beizubehalten, kann ein kleiner Adapter den fehlenden Knoten überbrücken. Wenn die Kommunikation unterbrochen wird, meldet die Diagnosefunktion einen Fehler.

Beamforming: Audiosignal in mehrere Räume verteilen

Schalter-Gegensprechanlagen profitieren ebenfalls von der sehr geringen Latenz und dem vollständig synchronen Verhalten des A²B-Busses. Mehrere Mikrofone können an verschiedenen Positionen angebracht werden, um mithilfe von Beamforming eine klare Kanaltrennung der Person zu erreichen, die vor der Theke spricht. Sämtliche Hintergrundgeräusche von benachbarten Personen werden unterdrückt.

Auf diese Weise kann eine kristallklare Unterhaltung zwischen beliebigen akustischen Barrieren wie Glaswänden gewährleistet werden. Derartige Lösungen werden typischerweise für Schalter, Isolationsbereiche in Krankenhäusern oder Reinraumanlagen genutzt. In ähnlicher Weise können bei Gegensprechanlagen in Gefängnissen alle Mikrofongespräche an ein Host-System und viele Audiokanäle, beispielsweise verschiedene Funkkanäle, an jede Zelle übertragen werden.

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von Beamforming sind Konferenzsysteme, bei denen viele Mikrofone in einem Besprechungsraum platziert werden. Sprache-zu-Text-Systeme benötigen eine klare Trennung der Audiosignale verschiedener Sprecher. Aufgrund der geringen Latenz können alle Mikrofonkanäle gleichzeitig an den Host-Controller oder den DSP übertragen werden, der die verschiedenen Beam-Positionen berechnet.

Eine Alternative wäre ein Tischmikrofon oder Headset für jeden Sitzplatz, das an ein Dolmetschersystem angeschlossen ist. Hier erhalten alle Teilnehmer personalisierte Audiodaten, die automatisch in ihre Muttersprache übersetzt werden. Durch die Verwendung einer geringeren Audiobandbreite wird eine sehr hohe Anzahl von Kanälen unterstützt.

Somit sind alle Mikrofonsignale am Host vorhanden und es kann einfache priorisiert werden, entweder auf das Signal mit der höchsten Lautstärke oder auf eine systemgesteuerte Weise, bei der das Mikrofon nur für ausgewählte Personen freigegeben wird. In diesem Fall werden alle Terminals über den Bus mit Strom versorgt, ohne dass eine lokale Stromversorgung an den Tischen erforderlich ist.

Auch in Hausautomationssystemen ist die Audioverteilung in viele Räume erwünscht. Auf diese Weise hören Benutzer die Türklingel überall im Haus, selbst wenn sie gerade ihre Lieblingsplaylist in Hifi-Qualität im Badezimmer hören. Die Möglichkeit, Audio an jeden Ort im Haus zu streamen, ist ebenso vorteilhaft wie Mikrofonpräsenz, um das Haus mit Sprachbefehlen zu steuern. Im Vergleich zu einer drahtlosen Verbindung über WLAN ist eine Kabelverbindung zuverlässiger und entlastet den drahtlosen Datenverkehr.

A²B eignet sich ebenso für professionelle Audiosysteme, Tonaufnahmestudios und Live-Bühneninstallationen und ermöglicht eine einfache Audioverbindung mit bestehenden Kabelstandards wie CAT.-5 oder XLR.

Funktionsweise des A²B-Busses

Der A²B-Bus sendet Superframes über den Bus in einem 48-kHz-Takt. Die Daten werden 1.024 mal schneller übertragen, was zu einer Übertragungsfrequenz von 49,152 MHz auf dem Bus führt. Der Superframe besteht aus zwei Teilen: einem Upstream und einem Downstream, wobei der Start durch einen Sync Control Frame und einen Sync Response Frame eingeleitet wird. In die Downstream-/Upstream-Slots werden sämtliche I²S/TDM-Daten, I²C-Daten, GPIO- und Interrupt-Informationen eingefügt.

Der Host erzeugt das Taktsignal und alle Knoten synchronisieren sich mit diesem Taktsignal. Dadurch ist das System zu jeder Zeit gleich getaktet. Eine Präambel im Synchronisationssteuerungs-Frame stellt sicher, dass alle Knoten synchronisiert sind und diesen Takt an Peripheriegeräte weitergeben können. Dies hat den Vorteil, dass die gesamte Audiokette keine zusätzlichen Takte, lokalen Oszillatoren oder asynchrone Abtastratenwandler benötigt.

Beim Systemstart wird der Host-Prozessor, der direkt mit dem ersten Transceiver-Chip verbunden ist, als Hauptknoten festgelegt. Der Host liefert ein stabiles Signal von 48 kHz und der Transceiver synchronisiert seine Phasenregelschleife (PLL) auf dieses Signal. Nachdem der Hauptknoten eingerichtet wurde, werden nacheinander die Unterknoten aktiviert.

System mit SigmaStudio+ einrichten

Die Software SigmaStudio+ unterstützt die gesamte Systemeinrichtung, einschließlich der Konfiguration von Audiokanälen und Knoten. Es handelt sich dabei um ein grafisches Programmier-, Diagnose- und Abstimmungswerkzeug, mit dem der Entwickler eine grafische Benutzeroberfläche für ein A²B-Netzwerk erstellen kann, indem er Peripheriegeräte wie Audio-Codecs, Class-D-Verstärker usw. integriert. Software-Stacks sind für Linux zusammen mit einem Plug-and-Play-Stack verfügbar, der das Hinzufügen oder Entfernen von Knoten aus dem Bus während des Betriebs ermöglicht.

A²B wird durch Auswertungsmodule für Haupt- oder Unterknoten mit XLR- oder RJ45-Anschlüssen einschließlich der Stromübertragung unterstützt.

Fazit: Weitere Verbesserungen der neuen A²B-Sende-/Empfangsgeräte, wie eine größere Kabelreichweite und mehr Busleistung, eröffnen vielfältige Möglichkeiten für unterschiedliche Anwendungen, insbesondere bei der Verbindung mehrerer Audiokanäle zur Steuerung von Daten über eine einfache Verkabelung.

Wenn die am Bus angeschlossenen Geräte eine Mischung aus einfachen und komplexen Knoten sind, ermöglicht der Bus auch bei weniger komplexen Geräten eine kostengünstige Hardware-Implementierung. Auch in nicht-audiobezogenen Anwendungen, wie beispielsweise präzise synchronisierten Sensornetzwerken, kann A²B eine erhebliche Vereinfachung bewirken. (kr)

* Roland Prager arbeitet als Staff Field Applications Engineer bei Analog Devices in Wilmington / USA.

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