背景
傳統的汽車音頻ECU一般通過單獨的模擬電纜或現有的數字總線架構來連接，這兩者都存在侷限性、低效率、及不必要的費用等。使用模擬傳輸線的汽車音頻系統需要專用且昂貴的屏蔽電纜，來傳輸多通道音頻信號。在如今支持多通道（5.1或7.1）Dolby或DTS解碼的高級音響系統中，所需電纜的數量迅速增加。而且，額外的模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)不僅會增加系統總成本，而且還可能使某些音頻性能下降。
當代信息娛樂系統中已經廣泛採用MOST®或以太網EAVB等數字總線標準，這是因爲這些標準能夠大幅簡化模擬實施方案的連接複雜性。然而，MOST和以太網EAVB雖然能夠提高性能和靈活性，但需要加入高價格的微控制器來實施相關軟件協議棧，從而增加系統成本。此外，這些數字總線架構本身對節點之間的延遲存在着不確定性。對於ANC/RNC和ICC等易受延遲影響的應用，現有的數字總線架構存在的根本缺陷是不能被接受的。
介紹
Analog Devices Inc. A2B®（汽車音頻總線）是一款高帶寬、雙向、數字音頻總線，爲音頻設計提供更簡單、更方便的解決方案。A2B能夠用一條雙線UTP（非屏蔽雙絞線 Unshielded Twisted Pair）電纜傳輸I2S/TDM/PDM數據和I2C控制信息以及時鐘和電源，節點間距離最長15米，整個菊花鏈最長40米。A2B可用作其自己的網絡，具有嵌入式子網絡，或者搭配其他較長距離協議用作端點傳輸總線。單個A2B網絡中所有節點上的時鐘均同步。系統中每個節點同時接收麥克風和串行音頻數據。
A2B 音頻總線的優點
可配置、靈活、低風險且易於使用
A2B 收發器允許 I2C 主機訪問系統中的所有收發器。使用 SigmaStudio® 圖形化開發環境（與支持ADI公司 SigmaDSP® 和 SHARC® 處理器系列的開發工具相同）可簡化採用A2B 的系統的設計過程。ADI還提供衆多的全功能評估系統，可快速完成 A2B 網絡的原型製作並加快早期系統概念驗證、測試、驗證和調試過程。
圖1 ADI SigmaStudio工具
降低系統和電纜成本、重量和複雜性
使用 A2B 無需昂貴的微控制器和外部存儲器。能夠在用於傳輸數據的同一UTP（非屏蔽雙絞線）電纜上向遠程節點供電的收發器，在每個總線供電的從機節點上無需本地電源，從而降低整體系統BOM成本。與可能需要兩個或三個雙絞線連接或昂貴佈線方案的其他數字總線架構相比，UTP電纜節省了系統級成本，例如連接車輛音頻系統所需的重型電纜線束。
圖2 傳統音頻系統線束與A2B總線應用對比
出色的音頻質量
A2B具有可配置的44.1kHz或48kHz幀速率以及高達50Mbps的帶寬，非常適合傳輸數字音頻並提供相對於模擬連接的出色音頻質量。系統節點在每個方向上支持多達32個總線插槽，且插槽寬度可編程爲最高32位，從而支持 I2S 以及高達TDM32的衆多TDM配置。同時本地支持PDM輸入，收發器將輸入抽取爲PCM格式，然後將其放在 A2B 總線上。
注：50Mbps是由於A2B支持最大超幀頻率是48KHz。沿A2B總線的通信發生在週期性超幀中。 超幀頻率與同步信號頻率相同，數據傳輸的比特率快1024倍（通常爲49.152MHz）。
確定性低延遲
A2B 技術確保在每個幀的所有系統節點上同步採樣和傳遞數據。幀結構在主機節點上被完全控制，以便對每個收發器在兩個方向上使用可用的數據時隙進行編程，無論是貢獻、提取或讀取數據並將其傳遞到線路拓撲結構中的下一個節點。由於總線衝突或分組數據重組而導致的延遲會被移除。A2B 具有低於50µs的確定性極低延遲。
注：50µs延遲是由於通過 A2B 總線（主設備到從設備或從設備到主設備）傳輸的數據具有兩幀延遲加上收發器中累積的任何內部延遲以及由於線路長度引起的延遲。 因此，總體延遲略高於兩個採樣點。
在各種現有通信標準中，I2C的位置如下圖所示，但A2B擴展了I2C的可用性，並作爲以太網的補充。
各通信規格的通信速度/距離和A2B的比較
A2B家族產品
AD242x系列A2B器件
| A2B器件 | AD2428 | AD2427 | AD2426 | AD2429 | AD2420 |
|---|---|---|---|---|---|
| 產品描述 | 主機 | 從機 | 端點從機 | 經過優化的主機 | 經過優化的端點從機 |
| 支持主機 | 是 | 否 | 否 | 是 | 否 |
| TRX功能模塊 | A + B | A + B | 僅A | 僅B | 僅A |
| I2S/TDM支持 | 是 | 否 | 否 | 是 | 否 |
| PDM麥克風輸入 | 4 | 4 | 4 | 4 | 2 |
| 支持的從機數 | 最多10個 | — | — | 最多2 | — |
| 節點間最大線纜長度 | 15米 | 15米 | 15米 | 5米 | 5米 |
表1 AD242x系列產品特性差異表
A2B 總線特性
- 線形拓撲結構
- 單主機、多從機
- 節點間距離最長達15 m，整體線纜長度達40m
- 遠距離通信
- 同步數據
- 多通道 I2S/TDM 至 I2S/TDM
- 同步時鐘，相位在所有節點中對齊
- 低延遲從機到從機通信
- I2C 至 I2C 控制和狀態信息
- GPIO 和中斷
- 同步數據
- 總線電源或本地電源從機節點
- 可使用 SigmaStudio 圖形軟件工具進行配置
- 通過AEC-Q100汽車應用認證
A2B 收發器特性
- 可配置 A2B 總線主機或從機操作
- I2C 接口
- 8 位到 32 位多通道 I2S/TDM 接口
- 可編程I2S/TDM數據速率
- 多達 32 路上游和 32 路下游通道
- PDM 接口
- 可編程PDM時鐘速率
- 最多4個高動態範圍麥克風輸入
- 同時接收最多4個PDM麥克風的I2S數據
- 爲每個收發器提供 ID 寄存器
- 交叉或直通佈線
- 提供可編程設置以優化 EMC 性能
AD243x系列A2B器件
| A2B 器件 | AD2435W | AD2433W | AD2432W | AD2431W |
|---|---|---|---|---|
| 收發器說明 | 主/ 子節點 | 精簡的主/ 子節點 | 子節點 | 精簡的末端點 |
| 能夠用作主節點 | 是 | 是 | 否 | 否 |
| TRX 功能模塊 | A + B | A + B | A + B | 僅A |
| I2S/TDM 支持 | 是 | 是 | 否 | 否 |
| PDM麥克風 輸入 | 4個麥克風 | 4個麥克風 | 4個麥克風 | 4個麥克風 |
| 支持的子節點 數量 | 最多16個 | 最多16個 | — | — |
| A2B 總線功率 | 高(≤ 50 W) | 標準(≤ 2.7 W) | 高(≤ 50 W) | 高(≤ 50 W) |
| 標稱總線電壓 | 7 V 至 24 V | 4 V 至 9 V | 7 V 至 24 V | 7 V 至 24 V |
| 遠距離SPI | 是 | 是 | 否 | 否 |
表2 AD243x系列產品特性差異表
A2B 總線特性
- 線形拓撲結構
- 單個主節點，最多 16 個從屬節點
- 節點間距離長達 15 米，整個線纜長度達 80 米
- 遠距離通信
- 同步數據
- 多通道 I2S/時分複用至 I2S/時分複用
- 時鐘同步，相位在所有節點中對齊
- 低延遲從屬節點到節點通信
- I2C 至 I2C 控制和狀態信息
- 遠距離 GPIO
- 同步數據
- 總線電源或本地電源從屬節點
- 可使用 SigmaStudio 圖形軟件工具進行配置
- AEC-Q100 適用於汽車應用
基線 A2B T收發器特性
- 可配置爲 \(A^2B\) 總線主節點或從屬節點
- 可通過 I2C 和接口進行編程
- 8 位到 32 位多通道 I2S/時分複用接口
- I2S/TDM/PDM 可編程數據速率
- 多達 32 路上游和 32 路下游通道
- 主或從屬節點上的四個高動態範圍麥克風的 PDM 輸入
- 通過多達四個 PDM 麥克風同時接收 I2S 數據
- 爲每個收發器提供唯一 ID 寄存器
- 支持交越或直通佈線
- 提供可編程設置以優化 EMC 性能
AD243x 收發器增強功能
- 混合信號
- 高達 50 W A2B 總線功率
- 穩壓器容量增加（高達 100 mA）
- 電源電壓的 ADC 監控
- 在低電壓輸入 (LVI) 模式下，支持 VIN 上的 3.3V 輸入
- 數字
- 遠距離高速 SPI（高達 10 Mbps）
- A2B 總線自我發現
- 專用硬件復位引腳
- I2S/TDM交叉開關
- Tx/Rx 時分複用通道數據到 A2B 插槽的靈活映射
- 支持 I2C 快速模式 plus（1 MHz）
- 支持使用四個 PWM 輸出的機艙 LED 控制
- 八個 GPIO 引腳，具有可配置的引腳映射
ADI A2B功能框圖
圖3 A2B功能框圖
基本 A2B 系統
下圖說明了一個基本的 A2B 系統。 A2B 主節點將數據下行發送到從節點，並接收上行數據。 音頻數據不需要從主節點傳遞到從節點，反之亦然，它也可以在從節點之間直接在任一方向流動。 發送到多個節點的數據只需發送一次（即一個節點可以向所有節點或節點子集廣播音頻）。
圖4 基本A2B總線系統
A2B 系統由一個主節點和多達 10 個以菊花鍊形式連接的從節點組成。 A 端口面向上游，B 端口面向下游。 主節點不使用其上游 A 端口。 從節點可能包含 ADC、DAC 或 (PDM) 麥克風； 或者可能只是不涉及音頻和 I2S 的指示器和傳感器。
A2B總線帶寬數據表
| 從節點數 | 下行數據流每個節點Slot (Speaker) | 上行數據流每個節點Slot (Mics) | slot大小 Bit | 下行數據流最大slot數 (Max. 32) | 上行數據流最大slot數 (Max. 32) | 上下行數據流總slot數 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 9 | 2 | 2 | 16 | 18 | 18 | 36 |
| 8 | 4 | 1 | 16 | 32 | 8 | 40 |
| 7 | 4 | 2 | 16 | 28 | 14 | 42 |
| 6 | 5 | 2 | 16 | 30 | 12 | 42 |
| 5 | 6 | 3 | 16 | 30 | 15 | 45 |
| 4 | 8 | 3 | 16 | 32 | 12 | 44 |
| 3 | 10 | 6 | 16 | 30 | 18 | 48 |
| 2 | 16 | 9 | 16 | 32 | 18 | 50 |
| 1 | 32 | 19 | 16 | 32 | 19 | 51* |
| 9 | 3 | 0 | 24 | 27 | 0 | 27 |
| 8 | 3 | 0 | 24 | 24 | 0 | 24 |
| 7 | 4 | 0 | 24 | 28 | 0 | 28 |
| 6 | 5 | 0 | 24 | 30 | 0 | 30 |
| 5 | 6 | 0 | 24 | 30 | 0 | 30 |
| 4 | 8 | 0 | 24 | 32 | 0 | 32 |
| 3 | 10 | 1 | 24 | 30 | 3 | 33 |
| 2 | 16 | 1 | 24 | 32 | 2 | 34* |
| 1 | 32 | 2 | 24 | 32 | 2 | 34* |
表3 A2B總線帶寬數據表
A2B 以數據包的形式移動數據，數據包速率爲 44.1 kHz 或 48 kHz，通常與採樣率相同。 該系統可以支持 96 kHz 和 192 kHz 的 2 倍和 4 倍採樣率。 本文的其餘部分將基於 48 kHz。 音頻數據大小可以是 16 位或 24 位。 由於數據總是以全電平發送（即，最終輸出音量通常在節點本地控制），在許多情況下，16 位將超出源和輸出的可用動態範圍。對於任何給定節點，下行方向最多有 32 個流，上行方向最多有 32 個流。 每個節點對流的總數有一個聚合限制，與方向無關。 對於 16 位數據，這是 51 個流。 對於 24 位數據，此限制爲 34 個流。 從主節點的主機處理器的角度來看，任何節點上的所有 I2C 外設都可以通過 I2C 地址複用系統訪問。 A2B 收發器部分也有 GPIO，系統支持虛擬化 GPIO。 通過使用 A2B 總線的廣播功能，跨多個節點的 GPIO 可以同步更新。 對於具有本地處理的節點，還有本地處理器可以通過本地節點上的 I2C 讀取的郵箱寄存器。
A2B超幀
圖5 A2B超幀結構
\(T_{superframe} = \frac{1s}{48kHz} = 20.83 µs\)
超幀週期（20.83 µsec，對應於 48 kHz）被分爲 1024 位時間，也就是說超幀數據寬度爲1024bit，其中包含同步控制幀SCF(Synchronization control frame)，同步響應幀SRF(Synchronization response frame),下行數據流數據與上行數據流數據。
圖6 A2B超幀結構詳情
由表3 A2B總線帶寬數據表限制，slot帶寬大小爲16bit，總slot數爲51。slot帶寬大小爲24bit，總slot數爲34。也就是說A2B總線預留給音頻數據流的帶寬爲\(\(16\times51=24\times34=816\)bit。控制幀64bit與響應幀64bit。
A2B總線數據速率爲每秒\(1024 * 48000 = 4915.2\)萬位 (Mbps)。 對於文章部分的其餘部分，會將其四捨五入爲 50 Mbps。
A2B 延遲
A2B 的關鍵特性之一是音頻數據的固定延遲，無論它來自哪個節點以及它被路由到多少個節點。雖然我們將 A2B 描述爲基於數據包的，但數據包的內容並未在每個節點存儲和轉發。每個節點在幾個 A2B 位週期（一個 A2B 位週期約爲 20 微秒）內開始輸出其傳入的數據流。
圖7 A2B系統多音頻源應用
具有多個音頻源和輸出的應用程序的一個有點虛構的示例顯示了數據如何在節點之間移動。 所有數據都在兩個採樣週期內移動。
雖然不完全正確，但由於不發送空時隙並且給定方向上的數據包是連續的，我們可以考慮一個具有 16 個下行時隙和 16 個上行時隙的簡化系統（參見上圖）。結合起來我們稱之爲超幀，它還包括 I2C 數據、GPIO 以及其他狀態和控制位。主節點首先向下游發送一個包含 16 個通道（加上控制）的數據包。第一個節點抓取它被編程輸出的數據，同時將比特流傳遞到下一個節點。重複此過程，直到到達最後一個節點。
如果特定節點是最後一個需要給定音頻數據流的節點，則不會傳遞該流。如果主節點沒有發送（在本例中）所有 16 個可能的流，則中間節點可以在未使用的流槽之一中向下遊發送數據到另一個節點。
最後一個節點在接收到最後一個下行數據包後，在上行方向重複相同的過程。中間節點可以讀取流，停止向上遊傳遞不再需要的流，並添加自己的數據發往上游節點。
整個數據移動在一個音頻採樣週期內完成。還有一個採樣週期用於在數據傳輸之前通過 I2S 將數據輸入時鐘，這意味着 I2S 數據的輸出可以從接收數據開始兩個採樣週期（標稱值，有一個小的額外固定延遲）。在 48 kHz 採樣率下，這總計約爲 50 µsec。
圖 7 更詳細地說明了數據交換，顯示了數據在下游和上游發送，以及從輸入到輸出的過程僅略超過兩個音頻採樣週期。A2B 以採樣率在數據包中移動數據。 此處說明的是上游和下游發送數據的兩個節點上的 I2S 引腳之間的關係。 無論節點彼此之間的物理關係如何，該數字都適用。
圖8 A2B 數據總線延遲詳圖
圖6 A2B數據總線同步數據交換關係
上下行數據流時隙配置關係
以下關係描述是站在從設備節點的角度來分析：
下行數據流時隙關係
寄存器配置表示：
DNSLOTS=6 表示整個A2B DATA BUS上已含有6個下行時隙數據。
LDNSLOTS=4 表示從節點需要輸出4個本節點下行時隙數據。
DNMASK0=0xCC 表示本地下行數據選擇的是2/3/6/7時隙數據，輸出給TDM 發送數據接口
DNMASK0=0x03 表示本地下行數據選擇的是8/9時隙數據，輸出給TDM 發送數據接口
DNOFFSET=2 表示從節點獲取從TDM接收數據接口偏移爲2開始截取數據。
UPMASK0=0x03 對看下行數據流沒有幫助。
TDMMODE=TDM8 表示從節點TDM接口模式是8時隙模式。
下行數據流時隙關係簡單描述如下：
從節點設備從A端口收到來自主設備節點6個下行數據流，這6個下行數據需要移動到B端口給下級從節點，而且需要在本節點輸出。分別在本節點的TDM Tx 發送數據接口的時隙2、3、6、7、8、9時隙輸出。而且還需要將來自本節點的TDM Rx 發送數據接口的時隙，偏移爲2個時隙的2,、3、4、5時隙送到B端口的6、7、8、9時隙給下級從節點。
上行數據流時隙關係
寄存器配置表示：
UPSLOTS=6 表示整個A2B DATA BUS上已含有從B端口來的6個上行時隙數據，需要從B端口轉移到A端口。
LUPSLOTS=4 表示從節點需要輸出4個本節點上行時隙數據，從TDM Rx接口獲取，並送至A端口。
DNSLOTS=0 對看上行數據流沒有幫助。
LDNSLOTS=2 表示需要將B端口下一級從設備節點的的上行數據輸出給本節點的輸出給TDM發送數據接口，時隙偏移爲2。
UPMASK0=0xC3 表示本地下行數據選擇的是0/1/6/7時隙數據，輸出給TDM Tx發送數據接口
UPMASK1=x03 表示本地下行數據選擇的是8/9時隙數據，輸出給TDM Tx發送數據接口
UPOFFSET=1 表示從節點獲取從TDM Rx接收接口偏移爲1開始截取數據，從A端口對應的時隙6送數據。
TDMMODE=TDM8 表示從節點TDM接口模式是8時隙模式。
本篇暫到這裏，後續還有Phantom Power的篇幅。
參考文獻
AD242x/AD242xW Automotive Audio Bus A2B Transceiver Data Sheet (Rev. C)
AD2431W/AD2432W/AD2433W/AD2435W: Automotive Audio Bus A2B Transceiver Data Sheet (Rev. Sp0)
AD242x/242xW Technical Reference Manual (Rev. 1.1)
R&D Stories: Getting Started with Automotive Audio Bus (Part 1)