1 字時鐘同步方式的基本理論

　　為了應對高清時代所帶來的挑戰，滿足環繞立體聲的制作條件，國內各大電視臺都在陸續投入使用的高清電視演播室及轉播車中采用了全數字化的音頻系統。因此，有必要明確一些關于字時鐘同步方式的基本理論。

　　1.1 字時鐘同步方式

　　從模擬時代開始最常見的同步方式是時間碼(Time Code，即TC 碼) 同步方式，即在一個音頻系統中，確定一個統一的時間碼，所有的設備都以這個時間碼為基準，從相同的時間點開始進行重放或錄制。在整個過程中，所有設備上顯示的時間碼刻度是完全一致的。這種同步方式至今也運用在數字音頻系統之中。

　　字時鐘同步方式只能用于數字音頻系統。字時鐘(Word Clock) 被看作是一種脈沖信號，用于將不同采樣頻率的數字音頻信號協調后在同一系統中進行交流。

　　字時鐘信號具有精確而穩定的采樣頻率，可以確保在數字音頻系統的各個環節中，信號的發送端和接收端采用相同的采樣頻率進行工作，并且發送和接收信號中的比特同時開始。在字時鐘信號的作用下，系統中的各個設備即達到頻率上的同步，又達到相位上的同步，可以在穩定的條件下持續進行正常工作。

　　字時鐘同步方式為穩定系統中數字信號的傳輸質量起到了極大的作用。但當系統的字時鐘同步狀態出現問題，而導致信號質量嚴重降低( 例如字時鐘信號的傳輸發生錯誤而導致系統中突然產生極大的噪聲)時，有時常常會被忽視而從字時鐘的方向去解決問題。這是由于這種同步方式在實際操作中所產生的效果并沒有時間碼同步方式那么直觀。

　　1.2 設置系統的字時鐘同步狀態

　　要實現數字音頻系統的字時鐘同步狀態，必須要在系統中設置一個( 也是唯一的一個) 字時鐘信號發生源。實際上數字調音臺、數字音頻工作站等數字音頻設備內部都可以自行產生字時鐘信號，但是每一個數字音頻系統中只能設置一個字時鐘信號發生源，這是因為每個設備中的字時鐘信號決定著這個設備中的采樣頻率，如果在一個系統中出現了不同的字時鐘信號，也就表示這個系統中的采樣頻率并不統一，就達不到同步工作狀態，會產生噪聲等問題。因此在使用一個數字音頻系統時，第一步就應該選擇其中一個設備，將其設置為這個系統中的字時鐘信號發生源，即同步主機。同步主機中產生的字時鐘信號被稱為這個音頻系統的主時鐘。

　　在實際工作中，通常選擇專用的字時鐘信號發生器或數字音頻調音臺、數字音頻工作站作為系統中的同步主機(MaSTer)。將被選為主機的設備的同步方式設置為“內部”，此時主機內部產生的字時鐘信號會作為整個系統的主時鐘被傳輸到需要進行同步的各個從屬設備(Slave) 中去。系統中每個從屬設備的同步方式都要被設置為“外部”，并且要確保每個從屬設備都可以穩定地接收來自主機的字時鐘信號。當整個系統達到同步狀態之后，系統中所有的從機都將按照主機的主時鐘所決定的采樣頻率進行工作。

　　1.3 字時鐘信號在系統中的傳輸方式

　　字時鐘信號可以通過兩種方式進行傳輸。

　　(1) 使用BNC 接頭的同軸電纜直接將同步主機中的字時鐘信號傳輸到從機

　　按照這種方式，數字音頻系統中的字時鐘信號傳輸結構可以采用星形結構或菊花鏈結構。

　　在圖1 所示的星形結構中，主機的字時鐘信號由主機的字時鐘信號專用輸出接口WC Out 輸出后，通過一個信號分配放大器被傳輸到各個從機的字時鐘信號專用輸入接口WC In。此時系統中的各個從機獨立地接收來自主機的字時鐘信號，互不干涉。

　　圖1　星形結構。

　　在圖2 所示的菊花鏈結構中，主機的字時鐘信號由主機的字時鐘信號專用輸出接口WC Out 輸出后，直接輸入至從機A 的字時鐘信號專用輸入接口WCIn，再依此規律不斷向下級傳輸，直到字時鐘信號輸入系統中最后一個從機的WC In 中。

　　菊花鏈結構與星形結構相比具有一定的缺點，因為在這種信號傳輸結構中，各個從機之間是相互依賴的關系，一旦其中一個從機發生了故障，字時鐘信號將無法傳輸到這臺從機下級的所有的從機中。而且在正常工作中，系統中所有采用菊花鏈結構連接的設備無論是否使用都必須開機，并且設置為正常的字時鐘同步狀態，否則會導致下級設備得不到字時鐘信號的輸入。

　　圖2　菊花鏈結構。

　　(2) 從系統中傳輸的數字音頻信號中讀取字時鐘信號

　　并不是所有格式的數字音頻信號都適合作為字時鐘信號的讀取源，在選擇字時鐘信號的讀取源時需要參考具體設備數字接口的互聯標準。在目前的數字音頻系統中, 從常見的AES/EBU、MADI 等格式的信號中都可以讀取出穩定的時鐘信息。

　　AES/EBU 格式也被稱為AES3，它建立了一種利用單根雙絞線傳送被周期采樣和均勻量化的雙通道音頻信號的標準，無需均衡，即可將數據傳送到距離100 m 以上的地方。AES/EBU 格式的音頻信號在大多數情況下使用平衡傳輸方式，即在輸入/ 輸出端使用XLR 接頭，但也可以使用非平衡傳輸方式，即在輸入/ 輸出端使用BNC 接頭。當一個設備按照AES/EBU的格式傳輸信號時，這個設備中的時鐘信息按照雙相位標記方式被編碼后，內嵌進了AES/EBU 信號的數據流中。此時接收這個AES/EBU 信號的設備可以在信號中讀取到來自輸出信號的設備的字時鐘信號，從而與輸出信號的設備達到同步。

　　多通道數字音頻接口格式(Multichannel AudioDigital Interface)， 即MADI， 也稱為AES10， 可以在50 m 的距離內通過一根帶BNC 接頭的75 Ω 同軸電纜串行傳輸56 個通道的數字音頻信號。在字時鐘信號的傳輸方面，MADI 與AES/EBU 有所區別。輸出MADI 信號的設備的時鐘信息并沒有被包含在MADI信號中與其他的音頻信息一起傳輸，這被稱為異步工作方式。為了使接收MADI 信號的設備能夠與輸出信號的設備進行同步，MADI 標準中規定，MADI 信號在傳輸中每幀至少傳送一次來自輸出信號的設備的10 bit 的同步標志，這樣接收信號的設備就可以從傳輸來的數據中抽取出時基信息，將它轉化為可以使自己與輸出信號的設備進行同步的字時鐘信號。

　　按照這種方式，系統中字時鐘信號的傳輸結構與系統中數字音頻信號的傳輸結構相同。

　　實際工作中的數字音頻系統往往較為復雜，可能會出現系統中一部分設備從連接字時鐘信號專用輸入接口的同軸電纜中直接接收字時鐘信號，而另一部分設備則從系統中傳輸的數字音頻信號中讀取字時鐘信號的情況。也可能出現同樣是采用BNC 接頭的同軸電纜直接傳輸字時鐘信號的設備，一部分采用星形結構連接，一部分采用菊花鏈結構連接的情況。無論何種情況，只要確保每個設備所使用的字時鐘信號都來源于系統的主時鐘，系統就能夠維持同步狀態。

　　2 字時鐘同步方式的應用

　　下面介紹在具體的數字音頻系統中，如何將互連的各個數字音頻設備設置為字時鐘同步狀態。

　　該系統是一套可以用于制作音樂錄音， 也可以用于影視節目后期制作的支持5.1 聲道環繞立體聲制作的大型數字音頻系統，其核心是大型數字調音臺SOUNDTRACS DS-00 以及Pyramix 數字音頻工作站，簡要信號流程如圖3 所示。

　　圖3　音樂錄音棚中音頻系統的信號流程。

　　如圖3 所示， 箭頭方向代表音頻信號的傳輸方向，DS-00 調音臺的控制面板是整個信號流程的中心，負責接收和分配來自系統中各個設備的信號。在調音臺的控制面板上有兩組MADI 格式的信號接口，分別為MADI A 與MADI B。系統中所有設備( 除了Pyramix 音頻工作站之外) 的輸入端與輸出端都通過音頻線(XLR 接頭) 連接到調音臺的I/O RACK 上的相應信號格式( 模擬或AES/EBU) 接口中。I/O RACK 與調音臺的控制面板之間采用MADI 格式傳輸信號，通過BNC 接頭的兩根同軸電纜連接到控制面板背后的MADI LINKS A IN/OUT 接口中。Pyramix 音頻工作站與控制面板之間同樣使用MADI 格式傳輸信號，通過兩根BNC 接頭的同軸電纜連接到控制面板背后的MADILINKS B IN/OUT 接口中。

　　2.1 采用專用的字時鐘信號發生器作為系統同步主機

　　在這套數字音頻系統中安裝了高精度數字時鐘發生器LUCID SSG192， 見圖4。它適用于大多數數字音頻系統，具有操作直觀便捷的控制面板，只占用單機架空間，可以長時間穩定地輸出采樣頻率在32~192 kHz 之間的字時鐘信號。

　　圖4　專用的字時鐘信號發生器LUCID SSG192。

　　LUCID SSG192 作為這套數字音頻系統的同步主機，產生所需要的字時鐘信號后，通過同軸電纜將信號傳輸至信號分配放大器LUCID CLK×6。LUCIDCLK×6 的機身上共有6 個可以輸出字時鐘信號的接口，可以將字時鐘信號分配到DS-00 調音臺、Pyramix音頻工作站、TC SYSTEM-6000 效果器、DAT 機等數字設備。

　　在實際操作中，需要在LUCID SSG192 的控制面板上選擇所需要的采樣頻率，然后在各個需要接收字時鐘信號的數字音頻設備的菜單中進行設置，將它們的同步方式都選擇為與外部字時鐘信號同步。這樣字時鐘信號通過同軸電纜直接輸入到各個設備的字時鐘信號專用接口中后，各個設備將按照字時鐘信號的采樣頻率調整自己的采樣頻率，最終與LUCID SSG192達成同步，此時系統中的字時鐘信號傳輸結構是標準的星形結構，見圖5。

　　圖5　采用專用的字時鐘信號發生器作為系統同步主機。

　　2.2 采用Pyramix數字音頻工作站作為系統同步主機

　　在一般情況下，當系統中有專用的字時鐘信號發生器時，推薦使用專用的字時鐘信號發生器作為系統的同步主機，因為專用的字時鐘信號發生器所產生的字時鐘信號更為穩定。當系統中沒有專用的字時鐘信號發生器或字時鐘信號發生器不能使用的時候，通常采用數字調音臺或數字音頻工作站作為系統的同步主機。下面介紹采用Pyramix 音頻工作站作為系統的同步主機的方法。

　　首先需要在Pyramix 音頻工作站的菜單中將它的同步方式選擇為與內部時鐘同步(Master)，接下來要根據系統中傳輸的信號格式為各個設備選擇字時鐘信號的讀取源。例如DS-00 調音臺與Pyramix 音頻工作站之間采用MADI 格式傳輸信號， 因此可以在DS-00 的同步設置菜單中選擇MADI 選項， 并且選擇一個自Pyramix 向DS-00 輸出信號的MADI 通道，將這個通道中傳輸的信號作為字時鐘信號的讀取源。此時DS-00 從由Pyramix 向DS-00 傳輸信號的同軸電纜中讀取根據MADI 格式發送的同步標志，并且將它轉化為字時鐘信號用來調整自己的采樣頻率。TC SYSTEM-6000 效果器與Pyramix 音頻工作站并沒有直接連接， 它的輸入/ 輸出接口通過音頻線連接到調音臺的I/O RACK 上， 并且與調音臺的I/ORACK 之間采用AES/EBU 的格式傳輸信號，因此需要在SYSTEM-6000 效果器的同步設置菜單中選擇AES/EBU 選項， 并且選擇一個自調音臺的I/O RACK 向SYSTEM-6000 輸入信號的AES/EBU 通道， 將這個通道中傳輸的信號作為字時鐘信號的讀取源。此時由于DS-00 調音臺與Pyramix 音頻工作站之間達到同步狀態，DS-00 調音臺與Pyramix 音頻工作站在工作中使用的采樣頻率相同，在這種情況下SYSTEM-6000 使用來自DS-00 調音臺的音頻信號中的時鐘信息來調整自身的采樣頻率，使SYSTEM-6000 和Pyramix 音頻工作站的采樣頻率實際上也達成了一致。這時系統中的字時鐘信號傳輸方向與音頻信號的傳輸方向一致，見圖6。

　　圖6　以Pyramix數字音頻工作站作為系統同步主機。

　　3 結語

　　數字音頻系統中的字時鐘同步方式是一個較為復雜的問題。在廣播電視技術的發展日新月異、數字音頻設備的使用越來越普遍、數字音頻系統越來越復雜的今天，筆者認為有必要繼續對這個問題進行更加深入的研究。除了文中所介紹的實例之外，在日常工作中還有很多種將數字音頻系統設置為字時鐘同步狀態的方法。只要掌握了字時鐘信號同步方式的基本原理，在任何情況下都能夠實現數字音頻系統的同步。