文献引用：
雍昊，鲁康生，任涛，潘欣裕.基于A2B的音频实验系统设计与实现[J]. 当代教学研究学报, 2026, 1(3): 1-6.
Hao Yong, Kangsheng Lu, Tao Ren, Xinyu Pan. Design and Implementation of an Audio Experimental System Based on A2B. Journal of Contemporary Teaching and Research, 2026, 1(3): 1-6.
DOI: 10.66208/j.jctr0868.6.3.1 PDF
基于A2B的音频实验系统设计与实现
雍昊，鲁康生，任涛，潘欣裕*
（苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009）
摘 要：随着汽车工业与新能源汽车的快速发展，传统点对点模拟音频布线在重量、成本与复杂性上的劣势日益凸显，A2B（Automotive Audio Bus）数字音频总线应运而生。现有研究多局限于车载特定的音响降噪或麦克风阵列应用，缺乏一套通用于多场景的A2B总线链路测试与验证平台。本文系统研究了A2B总线的超帧数据传输机制、I²C/SPI远程控制协议与链路同步特性，并基于AD2428收发器芯片与ADAU1452数字信号处理器，设计实现了一套一主多从分布式菊花链架构的通用A2B实验系统。该实验系统不仅成功脱离了单一的车载应用背景，更为A2B技术在工业互联网音频监测、消费级高保真音响及智能控制网络等领域的拓展奠定了坚实的实验平台与数据支持。目前，我们已将该系统运用在数字信号处理课堂上，使课堂知识与实际应用联系更加紧密。
关键词：A2B总线；数字信号处理（DSP）；超帧机制；菊花链架构
Design and Implementation of an Audio Experimental System Based on A2B
Yong Hao, Lu Kangsheng, Ren Tao, Pan Xinyu*
(School of Electronic and Information Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Jiangsu, China)
Abstract:With the rapid development of the automotive industry and new energy vehicles, the drawbacks of traditional point-to-point analog audio cabling—such as weight, cost, and complexity—have become increasingly evident. In this context, the Automotive Audio Bus (A2B) has emerged as a digital audio bus solution. Existing research has largely focused on vehicle-specific applications like audio noise reduction or microphone arrays, while a general-purpose test and verification platform for A2B bus links across multiple scenarios remains lacking. This paper systematically investigates the superframe data transmission mechanism, I²C/SPI remote control protocols, and link synchronization features of the A2B bus. Based on the AD2428 transceiver chip and the ADAU1452 digital signal processor, a universal A2B experimental system with a one-master, multiple-slave distributed daisy-chain architecture is designed and implemented. The proposed experimental system not only extends beyond the scope of automotive-specific uses but also provides a solid experimental platform and data support for applying A2B technology in other fields, such as industrial Internet audio monitoring, consumer high-fidelity audio, and intelligent control networks. Currently, the system has been introduced into digital signal processing courses, effectively bridging theoretical knowledge with practical applications.
Key words: A2B bus; digital signal processing (DSP); superframe mechanism; daisy-chain architecture
车载音频系统的演进从20世纪50年代的简单模拟调频无线电开始，逐步经历了向数字化和网络化集成的发展历程[1]。随着汽车工业的智能化转型以及新能源汽车对续航里程的苛求，传统的点对点音频连接布线方式在线束管理和故障排查方面异常复杂。为了突破这些瓶颈，二十世纪末出现了诸如MOST（Media Oriented System Transport）和FlexRay等多媒体总线技术。MOST总线凭借光纤和铜缆介质提供了高带宽和低延迟，但其系统成本高昂且配置灵活性较差；而FlexRay则更多侧重于冗余控制和高可靠性通信，未能彻底解决音频数据大规模分发时的线缆繁杂问题[2]。
为了填补高保真音频传输与低成本线缆管理之间的技术空白，Analog Devices（ADI）公司于2014年推出了A2B（Automotive Audio Bus）总线技术，并随后迭代出功能更为完善的AD242x系列收发器。A2B技术采用一主多从的分布式菊花链架构[3]，允许在单根非屏蔽双绞线（UTP）上同时进行多达32通道的数字音频数据、控制信号以及时钟同步信息的双向传输。这种创新架构将整体线束重量减轻了近75%，大幅降低了系统制造成本，并对新能源车辆的能耗表现产生积极影响[4]。
目前国内外对A2B总线的研究大多集中在其特定车载环境下的应用，如车载主动降噪（ANC）、智能麦克风阵列以及分区独立音效控制等。然而，A2B技术由于其确定性的低延迟（低于50μs）和高带宽（50Mbps），在工业环境声音异常监测、大型会议室音频系统及家庭影院设备中同样具备广阔的应用前景。基于此，本课题跳出传统的车载应用背景，深入剖析A2B协议栈的超帧机制与控制逻辑，设计并实现了一套具备高通用性、可重构的A2B实验系统，为其在更广泛的跨行业应用提供坚实的实验依据与平台支持。我们目前已在数字信号处理课堂上使用A2B系统做教学演示，大大提升了课堂效率和学生积极性。
1 A2B通信系统架构与核心机制
1.1 A2B通信系统拓扑
A2B网络本质上是一个基于时间触发的单主多从系统。整个链路由一个主节点（Master Node）和多达10个从节点（Slave Node）构成。主节点通过连接主机处理器的A2B收发器负责生成全局系统时钟、同步信号和管理超帧（Superframe），统筹将音频流和控制指令派发至A2B总线。各个从机节点则根据其应用场景连接不同类型的音频外设，如数字麦克风阵列、扬声器功放模块或独立的数字信号处理器（DSP）。
1.2 A2B收发器与音频接口特性
A2B收发器是整个通信系统的核心，旨在将不同格式的音频数据和控制数据融合，以超帧结构在单路双绞线上统一传输。收发器内部集成了丰富的音频数据接口：支持I2S（Integrated Interchip Sound）协议，通过位时钟（BCLK）、数据线（SD）和左右声道选择（WS）三根信号线实现高保真数字音频设备间通信；支持TDM（时分复用）模式，适用于多通道音频的高效聚合；此外还支持PDM（脉冲密度调制）接口，通过远高于PCM采样率的时钟直接对模拟麦克风信号进行数字化采样，并在收发器内部通过抽取滤波器转换为PCM幅值分量。
1.3 超帧与数据传输机制
超帧（Superframe）是A2B实现高同步性、超低延迟和高效复用的核心机制。整个超帧序列周期与系统的音频采样率（如48kHz）保持绝对同步，约占用20.83μs的时间窗口。如图1所示，每个超帧被精细划分为多个时隙（Slots），依次包含同步控制帧、下行数据流时隙、同步响应帧以及上行数据流时隙。
图1 A2B超帧结构示意图
同步控制帧由主节点发出，作为整个网络的时钟对齐脉冲；下行数据区承载主节点发往从节点的音频和配置数据；而到达链路末端后，最后一个从节点会发起同步响应帧，随后总线方向反转，依次收集各从节点产生的上行数据（如麦克风采集的音频）。图2详细地说明了数据交换，显示了数据在下游和上游发送，以及从输入到输出的过程。
图2 A2B数据交换示意图
1.4 控制信息透传与I²C通信
除音频数据外，A2B总线的一个显著优势在于它融合了对I²C和SPI控制总线的透传能力。收发器内嵌的控制模块能够将低速I²C指令封装入超帧的控制位中并远距离传输。如图3所示，当系统上电时，主节点DSP首先通过本地I²C访问主节点A2B收发器，随后通过A2B总线远程寻址，直接读写从机节点A2B收发器内部的寄存器，并能穿透收发器，对从机板载的其他I²C外设（如编解码芯片或EEPROM）进行初始化配置。主从交互过程中的ACK应答信号也会在后续超帧中返回，实现了无需额外布线的完整控制闭环。
图3 A2B协议的I²C通信示意图
2 系统硬件架构与模块设计
2.1 硬件总体架构
本系统设计采用模块化一主多从拓扑，具体由一个核心主控节点和两个不同功能定位的从属节点组成。节点之间通过A2B收发器芯片与双绞线实现级联互通。主节点负责掌控全局音频的输入、DSP数字音效处理及下发分发；从机节点1定位为远程音频数据采集终端，由4路PDM数字麦克风阵列构成；从机节点2定位为远程音频播放及二次处理终端，配备高保真编解码器（Codec）。所有从节点的供电均通过A2B总线由主节点采用Phantom Power技术集中提供。
2.2 主机节点核心电路设计
（1）数字音频处理电路： 如图4所示，为ADAU145x及外围电路简易框图，在主机节点的音频处理链路中，数字信号处理器芯片内部由24.576MHz的高精度晶振驱动内部PLL（锁相环）生成核心系统时钟。模拟音频信号经过音频编解码器ADAU1761处理后，通过I2S总线传输到ADAU1452上进行算法处理，随后再次通过I2S接口交由A2B收发器传输至总线；反之，A2B总线上的音频数据亦可被ADAU1452提取后进行声场渲染，再经由编解码器进行模拟输出，形成双向的数字音频闭环。
图4 ADAU145x及外围电路简易框图
（2）板载高精度电源电路：主节点不仅要满足自身复杂数字电路的供电，还要承载长距离向从节点供电的重任。系统总输入采用5V/2A直流电源。为保证音频系统的低本底噪声，3.3V核心数字电压选用了LT8609A同步降压稳压器，该芯片在维持高转换效率的同时，其输出纹波严格控制在10mVP-P以内[5]。为了给A2B总线提供符合标准的幻象电源电压，系统并联了一组LTC3121升压转换器，将5V升至8V，直接馈入AD2428的VBUS引脚。
（3）A2B总线收发电路：主节点A2B收发器选用全功能版AD2428芯片。该芯片的I2S接口被配置为Master模式，其BCLK和SYNC管脚直接由ADAU1452输出的串行时钟驱动[6]。I²C地址管脚接地，配置基础地址为0x68。主节点收发器仅激活其B端口（面向下游），A端口屏蔽不用。
2.3 分布式从机模块设计
从机节点1（Slave 1）是音频信号的上行发起端。它由AD2428收发器和两对INMP621高信噪比全向型MEMS麦克风组成。麦克风通过引脚电平分别配置为左/右声道，并通过PDM（脉冲密度调制）接口直接连入收发器的DRX引脚。AD2428内部的抽取滤波器（Decimation Filter）会自动将PDM脉冲流转化为标准的PCM数据并映射至A2B上行时隙中[7]。
从机节点2（Slave 2）充当音频链路的下游接收与输出端。其内部结构包含了AD2428、ADAU1761以及附属EEPROM。该节点的I2S接口被配置为TDM模式以提取多通道超帧数据。其ADAU1761的I²C地址配置为0x39，由于从机处于远程网络末端，主节点通过A2B控制链路对其发送配置序列，使其自动初始化音频输出寄存器。整个从节点无需外接电源，板载系统直接从A2B双绞线中解耦出直流8V进行LDO降压使用，这极具工程实用价值[8]。
3 系统软件配置与数据流设计
3.1 软件架构与链路配置
软件层面依托ADI SigmaStudio图形化集成开发环境进行链路逻辑与底层寄存器开发。开发者通过拖拽不同的芯片模块，模拟实际物理连线，将主DSP、A2B Master与两个A2B Slavers串联组网。在该平台上，我们能够通过直观的信号流图表生成对应芯片底层寄存器的初始化XML配置文件，大幅缩减了开发周期。
3.2多格式并发音频数据流策略
为全面评估系统的吞吐能力，软件规划了多场景音频并发策略。本系统支持48 kHz、96 kHz和192 kHz三种主频采样率，且每一条音频链路的数据字宽均支持8 bit、16 bit、24 bit和32 bit切换。典型的复合传输流配置包括：①主节点下发双通道高解析度音频至从节点2；②从节点1麦克风数据上行汇聚至主节点，主节点进行声学DSP处理后再下行分发给从节点2播报[9]。
4 系统测试与验证分析
4.1 测试环境建立
为验证上述软硬件设计的可靠性，搭建了实际物理测试平台（图5）。平台包含一张主控板及两张从机测试板卡，使用1米长的工业级非屏蔽双绞线及标准端子将节点相连。主节点外接5V/2A稳压直流电源，PC端运行SigmaStudio，通过USBi接口经I²C总线与系统通信，兼具程序烧录与状态侦测功能。
图5 实际测试环境
4.2链路误码率与传输性能验证
通信可靠性是评判总线协议核心表现的关键指标。利用SigmaStudio内部的Bit Error Rate Test (BERT) 工具，对系统在满负载配置（多节点、全双工双向音频流并发）状态下进行抗干扰评估。首先进行一主一从单边测试，在48kHz/24bit模式下分别让从节点1与主节点间建立连续一分钟的上行链路，结果证实数据报文无一丢失。这一实验结果确凿地证明了， A2B系统不仅能彻底免疫常规电磁干扰，还能实现绝对零误码的多音频源并发透传，各项指标完全达成设计目标。
5 结 语
本文详细剖析了A2B总线架构的数据传输机理及其硬件设计原理，并基于AD2428收发器自主构建了一套脱离特定车载音频限制的、通用型一主多从音频总线实验系统。通过精细的电路设计解决了节点幻象供电问题，利用可视化软件配置了灵活且复杂的多时隙超帧数据流。系统测试结果证实，在面对最高192kHz、32bit的严苛并发音频负载时，各节点电源品质优越，系统能够维持固定低延迟与零误码的极致稳定性。该研究成果为A2B技术在工业非破坏性声音探伤、大型场馆同步广播以及智能家居高保真联网等更广阔消费与工业控制领域的落地应用，提供了重要的方法参考与高可靠的物理测试床支撑。同时，通过在数字信号处理课堂使用这套A2B实验系统，学生对数字信号处理相关知识有了更深的理解。
参 考 文 献
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