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BBC如何向發射機站點發送音頻

從表面上看，運營廣播電臺是一項直接的技術挑戰。建立一個工作室，將它連接到一個發射器，你就可以開始了。但是，當您的電臺不是一個單一的 Rebel Radio 式的山頂裝置，而是一個由各種城市工作室提供的全國性發射站鏈時，會發生什么？這是 BBC 的英國 FM 發射機鏈面臨的問題，自 1980 年代以來，它一直由一系列 NICAM 數字數據流饋送。我們在 2016 年提到過老化的設備是如何在沒有任何聽眾注意的情況下被現代基于 FPGA 的實現所取代的，現在感謝 Matt Millman，我們有機會看到對 1980 年代原始設備的拆解。從 2020 年代的角度來看，這項技術相對容易理解，但它仍然包含一些驚喜。

在每個工作室或發射機站點中，都會有一個 19 英寸的機架，其中包含其中一個單元——一個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準定制的，并且使用了大家熟悉的Z80微處理器和一些飛利浦數字音頻芯片等時代部件，高端消費音頻的追隨者可能會認得。正如您對任務關鍵型設備所期望的那樣，許多功能被復制以實現冗余，它們的輸出被比較以發出故障警告。

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。這表明了國家廣播公司的可用預算，并且鑒于這些單位在某些情況下已經工作了 35 年以上，我們猜測許可證支付者的錢物有所值。

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

介紹

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回到我關于這個主題的第一篇文章中，我簡要提到了 NICAM 的原始用例 - FM 無線電回程。

一對 BBC 設計和制造的第二代“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大型（6RU）“編碼器”，據稱安裝于 1983 年[此日期可能指的是早期的“NICAM I”設計——此處顯示的設備來自 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信息發布到公共領域。正是這種愿意花時間來幽默像我這樣的瘋子，這才維護了公司在技術卓越和開放方面的聲譽。

首先，讓我們把背景故事排除在外。關于這個主題已經寫了很多。我不打算詳細重復。我總結一下：

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

設計了各種方案，包括通過租用線路（BT 固定線路）將它們作為模擬信號發送。不可避免地在如此長的距離上，信號質量惡化。雖然東南部的聽眾享受原始音質，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 工程團隊，以提高實際問題的解決能力。很明顯，解決方案是數字化，盡管最終 FM 是一種模擬廣播。模擬信號將在倫敦數字化，使用 BT 的 PDH 基礎設施分布在全國各地，然后在傳輸站點轉換回模擬信號用于廣播。從 1960 年代開始探索和構建各種解決方案，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 解決方案進行比較。它的設計比這個 NICAM-676 解決方案早一點，目的不同，但有足夠的共同點進行比較。

硬件拆解

是的，這就是我們來這里的目的……

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一個 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計，仍然使用完全相同的 NICAM-676 編碼，但具有現代組件。

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

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

設計

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

編碼器的高級框圖

檢查編碼器的框圖，我們可以看到這里發生了很多事情。與我們之前看到的主要區別在于，三個立體聲輸出不是調制射頻輸出，而是多路復用到一個數據流中，該數據流使用 HDB3 進行編碼。然后使用 BT 提供的 E1 線路將其傳輸到發射機站點。

它的不同之處還在于編碼器立即對其輸出進行解碼，并以模擬形式和數字 AES3 提供。還有警報輸出，運營團隊會 24/7 全天候監控。

音頻輸入

請注意，任何地方都絕對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 個平衡音頻輸入數字化，因此每個編碼器需要其中兩個。BBC 工程團隊為每個通道選擇了一個 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。

另一個突出特點是 15 KHz 低通（抗混疊）濾波器。不太熱衷于嘗試推出自己的產品，他們從（某處）購買了一個。我無法找到有關制造商的任何信息。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

大多數非可編程 IC 享有被焊接下來的崇高榮譽，其他的則不那么受信任。不幸的是，那些飛利浦 SAA7220 就在那個名單上。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單元 5。從視覺上看，它把它的對應物放在了陰影中，那是因為它不僅僅是編碼——這里還有很多其他的東西。

在近死角，我們有一個非常特殊的芯片：BBC 自己的 NICAM 編碼（和解碼）LSI。據我所知，這是迄今為止制造的唯一能夠進行 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，因為在 1980 年代制造的定制芯片附帶了令人不快的條件。這絕對是我見過的最酷的時期編碼器設計。

從哪里開始解開這件事……

首先，取決于其配置——它可以接受數字輸入（AES3 格式）或來自我們剛剛看到的 ADC 組件的數字化信號。然后將數字化數據轉換為適當的格式以進行壓縮/編碼。現在編碼。請注意，只有一個 NICAM 編碼器，處理三個通道。編碼是通過一系列時序邏輯在時間片基礎上完成的，這（部分）由左側存儲區中包含的“EPROM 邏輯”驅動。

包含所有三個立體聲通道的最終幀被劃分為一組固定的時隙。然后一個計數器循環 EPROM 的地址引腳通過所有插槽，然后它們的數據線有效地向板上的其余設備（包括編碼器 LSI）提供關于在特定時間做什么的指令。最后，我們完成了一個 2mbit 的編碼數據流——三個 676kbit 的流交織在一起。三個廣播電臺。

但是等等，還有更多。在左上角，我們有三個飛利浦 SAA7220 數字濾波器，我們之前在 PM5688 中看到過。這些都在這里，因為該組件還解碼其自己的新編碼音頻，用于監視器輸出。這些芯片是該過程中的關鍵步驟。它們在 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，這個單元就可以直接驅動一條 E1 線路（當然不包括線路終端設備）。

CPU 和 AES3 輸入

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

在這個組件上，我們有一個Z80 CPU和附帶的邏輯，提供診斷和內務管理功能。當然，手冊上有更詳細的說明。

此外，我們還有三個四個飛利浦SAA7274格式轉換器。這些轉換器將6個外部AES3數字音頻輸入轉換成內部需要的2's compliment二進制音頻格式。第四個是通過AES3提供一個主時鐘信號。盡管飛利浦已經做出了支持這一功能的芯片，但我們并沒有看到他們在NICAM-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。它們的運行溫度高于平均水平。也許它們確實失效了？

編碼器還包括一個用于監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地介紹它。

它的設計比解碼器更簡單，因為它沒有信號電平監測或靜音控制。

后面板

編碼器的后部連接。我現在沒有一張實際的照片。

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），用于監測和控制。所有的模擬音頻連接都在長方形的多針連接器上，很可能被引向一個接線板。

大量的空間被分配給AES3輸入和監聽輸出的許多XLR連接器，這些連接器從未被使用。其中一個最關鍵的連接被標記為 "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，這些解碼器仍在英國各地的傳輸站點使用。我被告知有一個計劃，用已經取代了解碼器的同一設備來取代它們。

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，分布在英國各地的發射站。

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，有如此長的壽命。在NICAM-728中，接收硬件是一種短命的消費品，每隔幾年就會改進，變得越來越便宜，越來越小，越來越集成；最終消失在為整個產品提供動力的單一系統芯片中。

設計

解碼器的方框圖。

因為解碼器做了編碼器所做的一切，但是是反向的，我們會發現它與編碼器有共同之處--特別是那個序列器塊看起來相當熟悉。

音頻輸出

這個組件的工作與飛利浦解決方案中的第3單元相同，設計也非常相似。它可以單獨處理所有六個通道（3個立體聲）。我們再一次看到了飛利浦解決方案中使用的傳奇性的飛利浦TDA1541A DAC。這款早已停產的芯片至今仍受到發燒友們的推崇，二手樣品可以賣到很高的價格。

音頻輸出級包括一個漂亮的小方框圖。

它的特點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。實際上，我在這篇文章中已經掃描了DAC之后的電路（飛利浦的同類產品）的頻率響應，BBC的版本將非常相似。

它有一些額外的功能，是這個組件的編碼者版本所沒有的--特別是靜音控制和信號電平監測。與飛利浦的對應產品一樣，每一個輸出都是雙倍的，也有第二個監測輸出。

你可能已經注意到在解碼器中安裝了兩個這樣的裝置。說什么呢？

檢查框圖，我們可以看到BBC的工程師相當擔心這個組件會失敗，因為整個DAC/模擬部分是雙倍的，輸出信號被比較。如果差異超過預先設定的閾值，就會發出警報信號。

NICAM解碼器

UCN5801A的似乎也都是插座式的。我想這可能是因為它們暴露在危險的外部世界。

這個組件看起來與編碼員的NICAM編碼器組件相當相似。這是因為它是。它運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設計的LSI，以 "解壓 "模式運行。它也有一個機制來使NICAM邏輯與源同步。

但是，有六個SAA7220數字濾波器代替。這是因為它驅動兩個DAC輸出卡（如上一節所詳述的），所以它們加倍了。當然，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，他們很擔心。非常擔心。

CPU和HDB3同步

這張卡執行內務管理和診斷功能。一個立即可見的特征是之前在方框圖上看到的大量的旋轉開關陣列。這些是用來設置每個通道的警告/警報閾值的。不可避免的是，有些設備比其他設備更容易出錯，因此需要不同的閾值。當錯誤超過預期時，才需要發出警報。

CPU能夠使用總線仲裁系統撬動解碼器的內存進行故障查找，在解碼過程中有一些預定義的時間段，允許它這樣做。如果它試圖在其分配的時隙之外訪問該內存，它將被迫等待。這個功能是與編碼器共享的。

在這塊卡上，我們還有一個邏輯，用于將傳入的HDB3編碼數據從E1鏈路同步到倫敦，當設備第一次連接到信號源時，以及當/如果與信號源失去同步時，就需要這樣做。

獎金：RDS組件

無線電數據系統是一種允許接收器向聽眾顯示曲目名稱的技術。它于1988年推出，并在IBC-88上進行了展示。

在高水平上，RDS系統在倫敦和全國其他地區的發射站之間提供了一個多分流單工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計和建造的解決方案的一部分。它是基于一個Z80微控制器的。組合過程很簡單。編碼器向合路器發送一個常規中斷，表示它準備好接受數據，分流器將數據發送給編碼器（在那個確切的時間），然后數據被拼接到編碼器內部NICAM幀的空余字節中。如果沒有RS-232數據可以發送，合路器仍然要發送一個結構來表明沒有數據可用。

它有一些配置選項--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閉的紅色LED。另一些人則希望綠色LED通常是亮的。

就我個人而言，我喜歡兩者都有一點，這取決于LED的用途和我的心情。這套設備背后的團隊（或可能是個人）不可能有很緊的時間表。

這里還有一個相當有趣的特點，40個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標準的BBC設計的微控制器塊，用于其他設計，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和調試。

RDS分路器

分配器底盤的前視圖。從遠處看，與合路器沒有區別。

分路器是解決方案的接收端，住在分布在英國各地的發射站中。

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為他們 "擔心"。事實并非如此，直到80年代末，這只是標準做法和最佳做法！。然而，當有線電視公司開始與英國電信競爭時，情況發生了變化，他們不愿意為系統的彈性付費--我在80年代末為E1和SDH復用/切換設計VLSI芯片。我們必須把芯片設計成兩種工作模式，一種是沒有冗余的模式（用于有線電視公司的設備），另一種是作為雙冗余對工作的模式，自動切換而不丟失數據（用于英國電信發布的設備規范）。

編輯：黃飛