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网络音频传输系统设计与实现


北京邮电大学 硕士学位论文 网络音频传输系统设计与实现 姓名:何永刚 申请学位级别:硕士 专业:电子与通信工程 指导教师:寿国础 20071008

北京邮电大学工程硕士学位论文

网络音频传输系统设计与实现 摘要

随着数字信号处理技术的不断成熟,专业的音频处理和传输正 逐渐从模拟向数字化过渡。这不仅提高了信号传输的

抗干扰性和稳 定性,也使信号的控制和处理变得更加容易实现。但是,在一个庞 大的音频系统中,设备的布线和维护都是一个相当烦杂的过程。因 此,在提升音频传输质量的同时,寻求一种更加简便快捷的连接、 处理和维护的方法就是目前大家都在积极探讨和努力的方向。这时, 以太网在组网方面的优势便凸现出来。在以太网中两台设备之间仅 靠一根5类线就可以达到lOOM的带宽,依靠集线器和交换机等 周边设备,以太网可以轻松的将多台计算机组成一个庞大的计 算机网络。 面对以太网的优点和音频传输所面临的问题,二者的融合 就是一个必然趋势。与传统的音频传输相比,基于以太网的音 频传输网络在连线、设置、维护等方面都具有很大的优势。可 以预见,随着网络音频周边设备的不断丰富,音频传输网络将 会得到不断的普及和应用。 本文从目前国内外网络音频发展的现状入手,对基于以太 网传输实时音频信号的可行性进行了分析,详细介绍了 CobraNet协议传输实时非压缩音频的原理和方法,具体提出了 一种采用CobraNet协议完成网络音频传输系统的设计方案,并
Ill

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基于该方案详细介绍了硬件设计、同步系统设计、路由设置以 及数字信号处理设计的全过程,最后对完成的系统性能以及应 用前景进行了简要的介绍和分析。

关键字以太网音频传输

IV

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DESIGN AND

IMPLEMENT AUDl0 TRANSMISSION SYSTEM
VIA

ETHEIⅢET

AB STRACT

With

digital signal processing
are

technology

maturity,professional

audio processing and transmitting

changing from analog to digital.In

digital field,not only the implement of signal controlling and processing is much simpler,but also

anti-jamming


ability and

stability


are

improved. audio

Wiring

and maintenance is

tormented work in

traditional more

system.So it is



trend that everyone tries to seek



efficient

method to solve these problems and get higher audio time.The advantage of Ethernet is visible in this up to 1 00M between two computers via


quality

at the same

field.The band

width is

CAT-5 wire according to IEEE by using lots of computers with

802.3u.We

can

build up



huge

network

hubs and switches Based

between

them.

on

the states above,transmitting audio via Ethernet is the way

that we try to find out.Compared with traditional audio transmission

system,audio

transmission

system

based

on

Ethemet

has

many

advantages in wiring,configuration and maintenance.It

Can

be predicted



北京邮电人学工程硕士学位论文

that more and more network audio equipments will be present,audio

transmission popular.

network

composed by these equipments will be

more

This paper introduced the

status of development of

audio network in

both China and the other countries,and then analyzed the feasibility of transmitting real-time audio via Ethemet.The author also introduced the method and principle of transmitting uncompressed real—time audio based
on

CobraNet protoc01.The scheme
on

of implementing
here.The

audio

network based

CobraNet

is

presented

hardware,

synchronization,route configuration and the whole procedure of digital signal processing
are

expounded.A

report of performance of this system

is given.Finally,the author described the prospect of the system briefly.

KEY

WORDS:

Ethemet audio transmission

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独创性(或创新性)声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究

成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中
不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名:

处,本人承担一切相关责任。

日期.立乒生

关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定,即: 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅 和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印

或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释:本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密
论文注释:本学 本人签名: 导师签名:

日期:翌蔓:竺:量

日期:匈丑一

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第一章概论

1.1论文背景和意义
在传统专业音频领域,高质量音频信号的实况传输,通常在模拟域中 进行。在模拟音频系统中,音频信号按照专用的路径传输,每一个音频轨 道都要与一条音频电缆相连。在多间机房和长距离的安装过程中,音频设 备往往需要通过矩阵交换、分布式放大器和接线板连接在一起。对音频内 容的管理和监控,以及对系统设备的控制都需要附加硬件设备和电缆。所 以在模拟系统中,系统的重新配置是一个复杂而耗时的过程。一旦系统安

装完成后出现任何问题,系统需要反复的检查和重新连接电缆。因此传统
的模拟音频传输系统安装麻烦、维修困难、费用高。 而与此同时,计算机网络飞速发展,给传统音频传输带来了新的机遇 和挑战。一方面,计算机网络采用数字传输,较之模拟信号传输,其无论 在传输的稳定性和处理的灵活性上都有较大的优势;另一方面,以太网协 议让计算机在局域网中的互联互通以及管理和监控变得更加简便、容易实

现,这就给音频网络的构建提供了更为完美的方案,并且由于网络强大的
传输能力使音频信号在以太网上的传输成为可能。 本设计就是利用基于以太网的硬件、软件及传输协议实现多路音频的 实时传输,从而简化网络设计、安装和设备的管理。在基于以太网的音频 网络中,多个轨道上的音频和控制数据可以在单个CAT-5e非屏蔽双绞线 中传送,能极大地降低导管和安装成本。每个网络音频设备都可以分配独 立的地址,以太网控制交换器可以像其在数据网络中那样,为设备之间的

音频数据传输提供路由功能。无论是单点传输还是多点传输,以太网交换 器都可以根据读取的地址信息将数字音频传送到目的地。音频路由的改变 不需要人工接线或者额外购置音频路由器,只需要更改地址信息即可。 网络音频传输系统前景广阔,可广泛应用于广播、录音棚、现场表演、 大剧院、排练室、乐队演出及商业应用等。

1.2网络音频发展动态
国外在20世纪末就对网络传输实时音频的技术进行了研究,现在已经有很
多产品可以实现多路实时音频的网络传输,而且这些产品也已经逐步得到应用。

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其中开发最完善的就是美国Cirrus Logic公司的CobraNet,同时其它公司也开

发了相应的产品,像A:viom公司的A.NET,AudioRail公司的AudioRail,Digigram
公司的Ethersound系统,Yamaha的mLAN等。
CobraNet音频

1.2.1

PeakAudio公司开发CobraNet目的之一就是在高速发展的计算机网络平台 上找到一种实时的、稳定的专业音频数据传输的方法。自从它发布第一块

CobraNet模块以来,得到了包括Peavey、Crestaudio、QSC、Crown、Bose、BOSCH、 YAMAHA、EAW等超过四十多家国际一流音频设备公司的支持。CobraNet产 品从标准的输入输出设备、功率放大器、有源扬声器系统直到各类网络化的信 号处理设备,可以说是应有尽有,并且在2000年悉尼奥运会、2004年雅典奥 运会、澳大利亚悉尼国际机场、迪斯尼乐园、英国伦敦西特鲁机场、爱尔兰都 柏林机场等都得到了成功的应用。CobraNet以其良好的互通性、低成本的造价、
可靠性、稳定性、可预见的发展速度和良好的商业运作机制已经在这一市场占 领了较大的份额。目前CobraNet在音频采样速率上支持48KHz和96KHz,分 辨率支持16、20和24bit三种,并且可以在一根网线传输多达128个这样的音 频通路。可以预见,CobraNet技术将是未来网络音频的发展方向,同时也极有 可能成为行业标准。
EtherSound音频

1.2.2

Digigram公司正申请专利的EtherSound系统准备进入竞争激烈的安 装音频网络系统领域。虽然存在其它表面上类似的基于以太网的音频产品 和协议,或者它们正处于不同的开发阶段,但Digigram公司拟凭借 EtherSound主导的设计思想一简洁,而独树一帜。 用Digigram EtherSound技术的音频网可支持多达64路抽样率为44.1 或48kHz、24比特音频。此系统具有单向音频信号流、双向控制和状态
数据功能,并基于熟悉的主/从设计。称为“Primary Master”的界面起其它 所有相接设备的时钟源作用,还能为码流提供源数据。网络上其它每台设

备被指定为“Master”(提供源)、“Slave”(仅为信宿和吞吐量)或“主/从”
(信宿、吞吐量和提供源)。只有位于提供源“下游”的设备能播放该源的 音频。 EtherSound是根据标准的以太网框架建造的,允许此系统使用现成的

以太网硬件(如交换机和路由器)扩展系统功能。EtherSound网可以配置


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为菊花链、星形或混合式拓扑结构。大部分基于以太网的音频系统与传统 的多终点布线结构相比具有几种特有的优点:经济且现成的线缆(5类 线),从/到每个终点无需个别布线,而最显著的优点是数据网功能强大的
路由功能。这些优点普遍存在于现有的和即将上市的全部联网音频系统 中,包括Digigram的EtherSound。 大部分联网音频系统的主要缺点通常包括一般系统延迟时间和向各 终点的异步数据传送。对于某些设施应用,比如典型的多区俱乐部或餐馆, 延迟时间和音频同步传送不一定是问题。在交换附加数字信号处理、双向 信号传输及其它适合这些应用的特点时,延迟成为可接受的折衷方案。但

是对于重要的专业音频应用一现场声音、广播和演播室一这些折衷方案对
系统寿命是毁灭性的。 据Digigram美国办事处总裁Nell Glassman称,EtherSound系统提供

了一种独特办法来满足专业音频机构的严格要求。“对于现场声音,
EtherSound协议来回转换的处理时间以及执行网管功能时间都必须足够

短,只有这样才能允许实时监听。”并非巧合,EtherSound设计小组对瞄
准专业音频网最重要的优先权(即同步)的系统采用了一种紧聚焦目标, 解决了延迟时间难题。

Glassman说:“EtherSound重点放在同步信号传输和控制上一并避免
对专业音频应用是多余的功能,如DSP和专门控制协议,因此其硬件设 计极为简单,处理极快”。Digigram选用低电平以太网机架结构,而不是

采用标准IP,进一步减少系统延迟。因此,EtherSound链路上的每台设
备只有1.22“s的延迟,典型的菊花链系统的端到端总延时小于6个取样, 丝毫未超出实时监听的可接受范围。 Digigram将EtherSound设计成一种重点放在低延迟和取样精确同步

的高效音频传送网,满足了专业音频应用的迫切要求。该公司通过渐进许 可计划和OEM合作关系继续挖掘EtherSound的潜力。
1.2.3

mLAN音频

mLAN是YAMAHA公司起草的,基于IEEEl394的音频传输协议。 mLAN的意思就是music LAN,即音乐局域网。这一技术允许用户将电子 乐器、专业音频设备、电脑和其它有关设备互相连接,更有效地管理和交 换音频和MIDI数据。

mLAN建立在工业标准IEEE 1394和A&M Protocol(音频和音乐数
据传送标准)上,IEEE 1394在又称“火线”(Firewire),是一种低造价的


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高速串行口,可以热插拔,每个端口可以允许级连63个设备。IEEE

l 394

比另一种高速串口USB快得多,它有能力同时传送100多条CD品质的
数字音频通道和256个MIDI口。 mLAN系统提供了强大的带时钟与连接管理的网络功能。有40多家

公司已经开始使用并支持mLAN协议,而且数量还在不断增加。mLAN 的主要核心魅力在于简单性。所有音频、MIDI、时钟以及控制信号都由 一根mLAN线即可完成传输了,化复杂为简洁,以前的复杂缠绕的线材 连接问题便不存在了。通过mLAN的图形路径信号设置功能,用丰富而 又简单的工具便可管理各种mLAN设备,可以完全控制整个mLAN系统, 从计算机终端就可完成。
1995版IEEEl394(也称IEEE 1394.1995)允许最大数据传送率为400Mbps,

邻近设备之间的电缆最大长度为4.5l米。不久的将来,规定将再次升级,支持 最大数据传送率1.6Gbps,邻近设备之间的电缆最大长度100米。这将为mLAN 传输能力的提高提供可靠的保障。
1.2.4我国网络音频现状

我国采用以太网完成实时、非压缩音频传输还处于初期阶段,成型的产品

不多,方案也不甚完善。在上海Fl国际赛车场、上海科技馆、大亚湾核电站、
中南海总理会议室等工程项目中也采用了CobraNet技术,但CobraNet设备都

是国外生产,我国自主研发的C0braNet产品还没有。现阶段网络音频传输设备 较多的还是采用嵌入式系统方案,即利用嵌入式系统丰富的TCP/IP协议栈完成 音频数据网络传输,但传输效率不高,风险也较大。这主要是由于以太网是异 步网络,如果不加入必要手段,那么一旦网络数据量增大,音频传输有出现中
断的危险

1.3关键问题
要完成网络传输实时音频,这里必须解决几个关键问题:①需要选择一个
合适的网络,这是设计的基础。现行的多种网络并不是都适合传输实时音频, 只有比较各种网络的优缺点,结合音频信号的特点,研究和分析在这些网络中

传输音频的可行性,最终选取一个最佳的网络,才能确保设计的顺利进行。② 由于音频数据的时效性极强,采用如何的协议保证实时音频在传输过程中的同 步和实时性是设计的关键。③如何实现多路音频的路由功能。④数字信号处理
的实现。


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1。4论文结构
第一章简要叙述一下论文选题的意义和目前该领域的发展动态。 第二章着重介绍网络音频传输系统的设计构想和组成,并对设计做
了简要的论证。

第三章介绍了CobraNet协议的特点以及传输机制,对CobraNet传输
实时音频的可行性进行了详细阐述。 第四章详细介绍在CobraNet处理器上如何实现实时音频传输、路由 设置以及DSP处理功能。 第五章对本文进行了总结,并提出建议和意见。

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第二章网络音频传输系统构成
网络音频传输系统是可以完成实时音频网络传输、路由设置、数字信号处 理、状态检测和参数设置的一个完整的系统。根据以上要求,我们设计的网络 音频系统的基本组成如图2一l所示,其中包括媒体转换器、监控主机、交换机
等,各部分将在本章中做详细介绍。

图2一I系统设计框图

2.1媒体转换器
媒体转换器是网络音频传输系统中的核心设备,它主要完成2个功能:网 络传输;音频信号处理。其内部结构如图2—2所示。



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音频信号输入二

音频处理

音频数据刭

网络发送





j频信号输出

音频处理

<音频数据

网络接收

图2—2媒体转换器设计框图

2.1.1网络传输

从系统设计框图我们可以看到,音频网络我们选择是基于以太网的,那么 为什么采用以太网进行设计呢?下面将常见的几个网络Token
Ring、FDDI、

ATM、IEEEl394、Ethemet做一个对比,简要说明一下采用以太网的原因。
T0keIl

Ring(令牌网)是一个4/16M多用户接入网,这种网把每一个

接入用户由线缆连接成一个环形,对所有的接入点而言,既是数据接收者 也是数据发送者。一个接入点在收到数据令牌后才开始向下一个接入点发 送数据令牌。它的优点是明确了解接入用户的情况,而且网络带宽的扩展 余地较大。但令牌网的最大缺点是如果一个接入点在没有发出数据令牌就

中断,那么此次数据传输便需要重新进行。对于专业音频实时传输这是不
允许的。 FDDI(光纤分布式数据接口)是基于光纤和UTP(非屏蔽双绞线)的

一种类似令牌网的环形网,它应用了性能较好的HUB(集线器)克服了令
牌网的缺点,它的带宽可到100Mb/s,除了FDDI还未得到广泛应用外, 高昂的成本也限制了这种网络方式的使用。

ATM(异步传输模式)网依靠复杂和昂贵的中央服务器来传输数据, 现在ATM网已经在许多需要大量传输数据的政府或其他部门应用,而且
下一代的ATM网期望能够进入家庭和其他消费领域,它同Ethemet正在 进行激烈竞争,但在价格上没有优势。 IEEEl394提供了短距离高速传输,最初为家庭用控制音视频传输及控 制而开发设计的。但IEEEl394网络扩充方面有一定的限制,而且现在多



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用的IEEEl394网络带宽为400M,传输距离为4.5米,对网络的检测和控制

以及网络数据交换有一定限制。而且现在网络覆盖方面,IEEEl394在国内 并未广泛开展,只有某些场合当作消费类专用网使用,不太适合专业音频
应用。

Ethernet(以太网)是当今世界上使用最广泛的的网络,标准10M的 以太网节点在全世界范围已经有几亿。以太网采用了总线形式来构成网 络,数据从任意一个终端接入都可以到达接入网络的任意终端。接入网络
的每一个终端都有自己的地址,易于确定需要访问的目标。而且以太网可

以同时传输控制数据和时钟信息。通过5类线(CAT5),以太网可以传输 100m的距离,通过光纤桥接传输距离可达到2kin。HUB(集线器)和 SWITCH(交换机)等周边设备的使用大大提高了以太网的扩展性和易控
制性。

综合分析比较这几种网络形式,以太网的以下特点决定了它比较适合
作为开发网络音频产品的介质。

①以太网用户数量正在迅速增长,网络基础设施完备; ②具有现成的庞大网络线路,周边设备丰富、技术成熟; ⑨总线结构易于对信号处理和控制; ④网络具有足够带宽,支持双向传输;
⑤成本相对低廉;

但是我们应该同时看到,以太网传输音频也有一定的不足。 以太网的传输机制是利用CSM~CD(Cartier
Collision Sense Multiple Access with

Detection),即“载波监听多点接入”和“碰撞检测”协议。“多点接

入”就是说明这是总线型网络,许多计算机以多点接入方式连接在一根总
线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否

有其他计算机在发送数据,如果有,则暂时不发送数据,以免碰撞。“碰撞 检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时 在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值将会增大(相互叠加)。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限时,就认为总线上至少
有两个站同时在发送数据,自己的数据就会立刻停止发送,然后再随机“侦

听”,直到总线空闲才会发送自己的数据。由此可以看出,以太网的信号传 输是基于统计理论的竞争机制,也就是说如果有接入网络的两个节点同时
想要传输数据就会引起冲突,这时这两个节点就要等待下一次随机时间分 配空隙来传输自己的数据。所以,以太网是非实时的、非同步的网络,数 据的传输有可能产生较大的时延或者后发先至,这是实时音频传输所不允

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许的。 所以,要在以太网上传输实时音频信号,还必须采用必要的手段确保音频 信号的实时性和同步性。为此,我们采用了CobraNet协议。 为确保数据的同步性,CobraNet网络中总会有一个设备作为时钟源 和仲裁者,这就是Conductor。Conductor按照一定的时间间隔发送节拍报

文,并将其进行多址传输。节拍报文主要作用有3个:①为音频数据的实 时传输提供一个唯一的标准时钟。节拍包每秒钟发送750次,所有的 CobraNet设备只能在这个节拍下发送和接收数据。②在节拍包中有一个 许可传送列表,列表中含有被Conductor允许发送数据包的设备的Mac 地址。所有CobraNet设备只有被Conductor允许发送才能进行数据的发 送。③所有设备按照节拍包的许可传送列表排列顺序依次发送数据包,以 避免冲突。当Conductor出现问题时,根据设置好的优先级,优先级最高
的那个设备将自动转变为Conductor来扮演“仲裁者”的角色,从而确保时 钟的连续性。 CobraNet音频网络具有很好的实时性,仅有3~10ms的延迟,而 RealAudio一般有3~10s的延迟,这个数字是CobraNet音频传输网络技


术的1 000倍。
2.1.2音频处理

要完成的是对音频信号的线性处理,包括音量调节、压限、噪声门功
能。不包括压缩编码、混频等非线性处理,我们在此完成的功能详述如下: ?音量调节:就是对音频信号的电平幅值进行动态的调整,或放大或 缩小。 ?压限:当信号接近或者达到最大电平时,对信号进行压缩处理使之

不产生硬削波; ?噪声门:抑制处于噪声电平门限以下的噪声,噪声电平门限是人为
设置的;

2.2监控主机
监控主机就是一台普通PC,这里我们主要开发监控软件。监控软

件包括两部分:①基于SNMP(简单网络管理协议)的网络监控软件:②
基于RS.232的串口监控调试软件。 网络监控软件通过SNMP协议可以对联网的任何一台设备完成包


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括更改设备IP、调整音频路由、修改音频处理参数等设置,以及接收音 频信号状态指示、音频信号格式指示、音频信号电平实时指示等。为什么 采用SNMP协议来实现监控和管理,我们首先来看一下它的工作机制。 SNMP实际操作中主要有四个元件:管理程序(Manager)、管理代理 程序(Management Agent)、网络管理通信协议(Network Management
Protoc01)和管理信息库(Management Information Base,即MIB)。其中

“管理程序”存在于网络管理员的“管理站”计算机上,“管理代理程序”和 “管理信息库MIB”则存在于“被管理设备”上。受管理设备会将目前的运行 状态存入“管理信息库MIB”内随时准备接收管理或向管理站提交问题报 告;而“管理站”则通过网络管理通信协议“指挥”管理代理程序去访问管理 信息库MIB上的信息,如图2—3所示。
网络管理通信协议 操作接口 管理程序


管理代理程序


状态分析、处理与记录


图2—3 SNMP运作结构





管理信息库MIB

SNMP定义了网络管理的运作结构和管理及其代理程序的基本访问 指令,但是并没有指定网络管理设备的MIB必须有哪些被管理项目,因 此给网络管理带来了很大的灵活空间,这也是我们采用SNMP协议完成
设备监控的主要原因。不同的厂商认为需要管理的项目会添加到MIB中, 而不重要的或者无需管理的项目则可以隐蔽。这样可以节省管理的数据

量,而不会因为增加了网络管理而使网络变得更加复杂和低效。管理信息 库MIB中包含了被管理设备的数据结构和变量,为了便于管理器的访问
和日后功能的扩展,MIB采用了类似于DNS的“树形”结构,按照命名结

构和用途的不同从“树根”开始逐步向“树叶”发展,而具体的每个被管理的 项目就是一个树叶,我们把这个结构称作“对象命名树”(Objeet
Naming

Tree),而每一个“树叶”就叫“目标标识符”(Object Identifier),简称OlD。 最高一层就是CCITT(记为数字0,CCITT现在更名为ITU.T)、ISO(记
为数字1)以及两个组织的合并Joint
iso

ccitt(记为数字2)。我们常用的

OID一般都是在ISO名称下的第三个分枝org(也就是政府组织,即为数
字3)下的dod(美国国防部,记为数字6),所以我们以后见到的很多 MIB数据库中的被管理项目的OID都是以1.3.6……开头的,CobraNet也 不例外。当然这个数字不可能是企业自己命名的,而是必须向IANA

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(Internet Assigned Numbers Authority)申请才能获得的。Peak Audio向

IANA申请的企业OID就是1.3.6.1.4.1.2680,这样2680以后的分枝(树
叶)Peak Audio就可以自己定义并使用了。例如它给CobraNet命名为“1”, 然后再给CobraNet底下的传送机transmitters命名为“2”等。采用“对象命 名树”这种机构来管理网络的最大好处就是可以不断的发展还能保证向上 的兼容性。 使用SNMP管理网络,有两种主要的模式,一是“轮询”,二是“事件”。 所谓轮询就是SNMP管理进程定时向被管理设备周期的发送轮询信息, 以获得被管理端的当前信息。使用时设定周期时间比较重要,周期过短, 网络的数据开销过大;而周期过长又不能准确地反映被管理设备的情况。 “事件”或者称为“陷阱”(trap),是当被管理设备出现严重事情时提出的一

种“中断”,并将“事件”及时报告给网络管理器。它的字节数很少,作为对 “轮询”的补充,有效地提高了SNMP性能。
串口监控软件主要是设备维护人员使用,在完成网络监控软件同 样的功能以外,它还为技术人员提供调试和维护设备的接口。

2.3交换机
交换机采用标准的以太网交换机即可,通过外购获得。为什么采 用交换机而不用集线器组网,要弄清这个问题,必须先清楚网络传输设备 在数据信号中的作用,这里讲的网络交换设备一般指的是网络集线器 HUB、网络交换机Switch和路由器。我们知道在网络中的设备进行相互 通信的时候,数据要经过操作系统、通信程序、网卡、网络交换设备等各

个环节,而为这些环节生产相应设备的厂家也不计其数,如何能让这些产
品能“相互沟通”和“相互协作”呢?那就必须有一套规则,只要大家都遵守

这个通信规则,则无论是买谁生产的产品都能保证通信的正常进行。由于
网络连接涉及到软件和硬件以及通信协议的问题,所以国际标准化组织

ISO专门为网络传输定义了一个模型,让大家共同遵守,这个模型称为
OSI(即Open System
Interconnect Reference

Model开放式系统互联参考

模型)。该模型由下向上共分为七层,从一到七层分别称为物理层、数据 层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层,参见图2—3。

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应用层

…啪L
mP、TE岫一帅
P1)P3

表示层

j i


会话层

传输层

1℃P

UI)P

网络层

IP



路由嚣

IEEE802’sLIP’P阡

交换机

IS0^l、AI)SL、U1’P、Coax

集线器

图2—40SI网络传输七层模型

上图中的第一层物理层完全是针对网络硬件设备提出的,层数越高越向软 件方面发展,到第七层已经完全是高级应用软件了,例如我们熟悉的Microsott
Office软件。从上图我们也能看出网络集线器HUB是工作在最底层,也就是物

理层,它是直接和物理传输硬件例如光纤、同轴电缆定义在一起的。而第二层 数据层则是定义网卡通信的,网络交换机Switch也是工作在这一层的,所以网 卡和网络交换机是可以互相通信的,这就是Switch和HUB的本质区别。在应 用上HUB只是一个网络信号的“放大器”,它是不能识别信号的“来龙去脉”的,
如图2—4所示,

图2—5集线器示意图

当信号从任一一个端口进入HUB以后,HUB则将这个信号进行放大后传
输到其它的所有端口。也就是说从Portl进入的数据,HUB是不关心它要去哪 里,只是将信号放大后传输到Port2和Port3就算完成任务了。这样对于100M

带宽的HUB来说,某一时刻整个网络只有一个信号在传输,而且这个端口只要
是接收数据的时候就不能发送数据,也就是我们所说的半双工共享100M带宽。

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而网络交换机Switch就不同了,可以将它理解为“智能化的集线器”。因为交换 机内部是有CPU和内存的,存储器中有逻辑单元列表(U几),列表保存着所 有和这台交换机连接的网络设备的MAC地址,当某个通道有数据输入时,CPU 会打开这个数据包的第一层确认这个数据包的去向,然后按照目的地的MAC 地址将这个数据包送到指定的端口,参见图2—5。

图2—6交换机示意图 这样,Switch就具备的智能的条件,它只是将需要相互沟通的两个端口之 间建立了数据连接,而其它通道的数据传输也在同步进行而不相交叉。所以交 换机的端口是“独享带宽”而且是全双工的工作的。 对于路由器,由于我们采用的CobraNet是建立在标准以太网构架下的网络 传输协议,是工作在数据层的低层传输协议,所以涉及不到网络层以上的高级 协议,也就是说CobraNet不属于TCP/IP,也不能穿过路由器进入Internet,它 只能在局域网中传递。 综上,使用交换机组成音频网络是一个正确的选择:

①交换机是双工通信,可以方便实现音频的收发双向传输。 ②交换机具有记忆功能,可以将需要通信的双方进行智能连接,从而避免其它
设备的干扰。

③交换机为每对通信的双发提供独享的带宽,为多路音频的传输提高带宽的保
障。

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第三章CobraNet技术

3.1

CobraNet特点
CobraNet是PeakAudio公司开发的一种多通道数字音频传输技术,

它是利用成熟的快速以太网技术来传输和分配实时、非压缩的数字音频信 号。实时、非压缩的数字音频信号优点是不会产生信号压缩失真和感觉不 到声音延迟,因此音质极好,但需要占用较大的信号带宽。CobraNet是 一种硬件、软件和网络协议的组合体,支持以太网各类转发器和交换机。
在转发器网络上能消除数据传输之间出现的碰撞,而且能充分运用网络的

带宽。CobraNet采用的是标准的以太网信息包以及网络结构(如控制器、 集线器、转发器、交换机以及电缆等)。
3.1.1同步性

CobraNet实现了声频信号的实时的多路分配和传输,如果是一跟 CAT-5电缆的话,信号发送点和信号接收点的最大数目可分别达到64。 声频信号的传输不仅可以单向传递,也可以多向传递。为了管理上述多种 信号的传输以防止信号阻塞和丢失,网络中将由一个设备来扮演指挥者的 角色,它将向所有的接口设备发送时钟信号及控制信息。只有接收到时钟
信息和允许发送时,这些设备才可以发送数据到网络,这样所有的设备都

在同一个时钟的管理下收发数据,从而确保了数据的同步性。
3.1.2实时性

音频信号实时性极强。在音频网络中,数据包的延迟发送将导致音频 信号的流失和不连贯。也就是说,音频信号的质量可能会起伏不定。以太 网是一种异步技术,因而它不具备实时概念。以太网的网络传送管理也是 “非确定的”,这就意味着以太网不能百分之百的保证某一数据包的即使送
达。但是,CobraNet技术提供某种确定性的时效机制可在百兆以太网上

送达等时或者软时钟特性的数据流。等时数据流具有时间敏感性和确定性
14

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两大特点。CobraNet数字音频网络中的音频输入和输出延迟限制在 1.33ms,2.66ms或5.33ms。 由于CobraNet网络中的声频信号的发送的缓冲,将带来5.33ms的延

迟,相当于256个采样点所占据的时间。另外在模数转换、数模转换及采
样频率转换时也会引入附加的延迟,这一延时大约是几十个采样点所占据 的时间。由于数字信号在互联网上的传递以光速进行,其占用时间于上述 延迟相比微不足道,因此在CobraNet网络中的任一输入点至输出点的延 迟是几乎固定的,这种不到几十毫秒的延迟对广播和扩声系统的音质不会 造成可闻的损害。
3.1.3音质保障

现有的CobraNet网络支持48KHz和96KHz的采样速率,分辨率在1 6bit,
20bit和24bit中选取,在传输20bit量化音频信号时,其动态范围达到122.16dB, 失真小于0.0078%。在0-、,24Kl-lz的频域区间频率响应为士-0dB。以上指标已经 大大超出目前D/A、A/D转换器的技术指标范围,也就是说,CobraNet音频传 输网络对于音频信号的影响可以忽略,音频信号的质量只收到所使用的D/A、 A/D转换器的影响。

3.2

CobraNet应用范围
并非所有的声频工程都需要使用计算机网络进行声频信号传输。对于那些

独立使用音响器材的DISCO舞厅、中小型会议室和多功能厅等场合,目前还不 适合使用网络型设计,因为这样作只能是增加设计难度和提高成本。但是对于 像运动场、主题公园、歌舞剧院、广播电台、大型现场演出、大规模智能会议 系统和楼宇智能声频系统等大型工程则比较适合。因为CobraNet信号是在以太

网设备中传输的,所以一条普通的5类双绞线可以在双方向传输128个通道的 高质量、无压缩的声频信号,如果使用光纤则可以轻易的将上百路音频信号传
输数千米的距离而无损耗。显而易见,这会大大降低多通道、远距离多电控制

声频系统的设计和运行成本。标准的CobraNet信号采用和CD唱片同样的无压
缩PCM音频数据,这就能满足广播电台直播间信号的传送、录音棚中个录音间 之间的信号共享等高质量要求

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3.3

CobraNet数据帧结构
国际标准化组织ISO(Intemational
Organization for

Standardization)锘1]定的网

络互联模型OSI中,以太网帧结构归属于数据层,因此基于以太网的CobraNet 也是面向这个层面的协议。

3.3.1

MAC数据帧结构

在以太网构建的局域网中,MAC帧则是最大的一个数据包,其它所有的同 步或者非同步信息都是包含在这个数据包中进行传输,图3—1表示的是标准以
太网MAC帧的格式。 前 导 字 段 帧 起 始 界 定 符
图3一l以太网帧结构

目的 MAC 地址
(6B)



以太网 数据类 型
(2B)

帧校验 序列 数 据
(4B)

MAC
地址

(46"-'1500B)

(6B)

上图中,前导字段(连续7个10101010)和起始界定符(10101011)共8

个字节是在MAC帧发送之前,物理层封装上去的。这8个字节实要提醒网络

内的所有接收器新的MAC帧将要开始传送。紧随其后的就是MAC帧的全部
1518个字节的分配。以太网规定了每个帧的长度必须在1518个字节和64个字

节之间,当信息数据小于46个字节时,以太网将进行自动填充以确保MAC帧
达到最小长度64个字节。

接下来就该传送MAC帧索要发往的目标地址,以及发送方的源地址各6
个字节的信息了。由于MAC地址在网络中是全球唯一的,这就意味着全世界

的所有网卡都不能有相同的MAC地址编号。国际上负责分配MAC地址编号的
组织是IEEE(Institute ofElectrical and
Electronics

Engineers,美国电气和电子工

程师学会),他们负责给每位申请者分配一个成为“机构唯一标志符(OUI)”的
三个字节地址前缀。例如Inter公司的OUI是X’00.90.27(注:X’表示后面的 数字是十六进制),CobraNet的版权公司PeakAudio的OUI是X’OO.60.2B。IEEE

分配给各公司前3个字节的MAC地址,而后面的3个字节的地址则由获得OUI
的公司自行分配。所以我们所看到的所有具有CobraNet接口的设备,它的MAC 地址前三位一定是X’00一60.2B。

16

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MAC帧的第三部分是以太网的协议问题,也称为以太网类型(EtherType)。

也就是当一个网卡按照MAC地址接收到了一系列数据包,那么它是依据什么
来判断这个数据包是CobraNet数据包,而不是其它数据包呢?这两个字节就包 含了以太网类型的全部信息。按照IEEE的命名,将世界上所有开发以太网协 议的公司按照申请的顺序进行命名排列,Cobra.Net的EtherType为X’88.19,因 特网(Interned的EtherType是X’08.0l。所以当一个网卡按照“收信地址”收到

一个以太网帧以后,就可以通过MAC报头第13、14个字节的内容判断出数据
包应该交给哪个处理模块进行处理。例如当网卡发现以太网类型是X’88.19时,
就将这个数据包转交给CobraNet Core处理;如果时X’08.00则网卡将这个数据

包交给上层按m数据报进行处理等。

MAC帧报头数据完成以后,接下来的最大1500个字节的数据就交给网络
类型协议对应的处理模块进行处理。

在每个MAC帧的最后还有4个字节的帧校验序列FCS(Frame

Check

Sequence),负责检查整个MAC帧的数据的准确性。这个检查是非常必要的, 对于整个数据帧,Ibit的错误信息就有99.9%的概率被检测出来。而对于这些 错误,更高级的协议(如TCP)甚至可以要求源服务器重发这个帧。当然这种

重发对于像CobraNet这样的同步传输的MAC帧来说是没有意义的。这样数据
层就完成了一个完整MAC帧的传输工作,准备接收下一个帧。 需要注意的是,MAC帧只是完成了数据链路层协议的工作,当数据传输到

目的地以后,MAC帧结构就已经被打开,而只将其中46"-1500个字节的数据
传输到上层协议中,上层协议还要继续分析这个数据包。假如这个数据包是为
因特网服务的(协议类型X’08.01),那么这个数据包中就是一个标准的Ⅲ包了, 其中包含目的口地址、源Ⅲ地址、协议(TCP/UDP)和数据等,这就是一个 封装过程。网络数据按照各自的功能,由各层的处理模块完成。高层协议数据 包在低层数据包中封装,而不相互“越权”处理。CobraNet以太网类型编号是 X’88.19,这样它的MAC帧从数据链路层开始就被CobraNet解码器处理而不可 能进入到网络层。
CobraNet数据包

3.3.2

CobraNet数据包也类似于图3.1那样被封装在MAC帧中。但是由于MAC 帧中标注的协议类型是X’88.19,所以这个数据包不会再向高层传递,而是直 接被送N-r CobraNet的同步解码器。在同步解码器中识别的CobraNet数据包, 根据CobraNet的报头信息协议还要再分为Beat数据包协议、预约数据包协议 和音频数据包协议三种类型。
17

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①Beat数据包。Beat数据包的结构如图3—2所示。
CobraNet报头
(Beat)

网络操作 和基准

许可传送机
列表

许可传送 列表

图3—2Beat数据包结构

这个数据包是由网络中唯一的Conductor发出的。一个Beat数据包大约100
个字节,每秒钟发送750次,总共占用大约1MHz的带宽。使用Conductor发

送网络同步传输信息由两个方面原因:一方面,由于100M以太网采用 CSMA/CD的传输机制来防止发生冲突,CobraNet通过O.Persistent机制抑制了 它以后,为了避免发生冲突而采用了类似“令牌网”的手段而引入了这个Beat数 据包;另一方面,以太网本身是一个非同步传输网络,所以没有网络基准时钟, 这对于音频这种同步信号来说是无法传输的。发送Beat数据包就是在整个网络 中建立起一个同步的“时钟节奏”,这样才能保证网络中的所有CobraNet设备在 同一个“步调”上传送音频。 许可传送机列表中列出网络中所有可以发送音频数据的CobraNet设备,许 可传送列表列出音频帧的传送顺序。这样,当CobraNet设备收到Beat包后, 首先查看许可传送机列表,确定字节是否可以发送数据。如果可以发送被许可, 则根据许可传送列表中的被分配的传送顺序开始传送音频数据;如果不能,则
等待发送请求被Condunctor许可。

②预约数据包。预约数据包的结构如图3—3所示。
CobraNet报头 (预约包) 网络性能 报告 Ⅲ地址 转发预约列表 (传送机请求) 图3—3预约数据包结构 反向预约列表 (接收机请求)

预约数据包是网络中所有的CobraNet设备向外定期发送的多播数据包(有 请求每秒钟发送1次,无请求2秒钟发送1次),每个包包含100字节的数据量,
总共约占10KHz左右的带宽。预约数据包的作用有两个,一是每个CobraNet

设备(无论是发送机还是接收机)定期向Condunctor发送预约传送(或者接收)
请求,并等待批准;二是定期向网络公布自己的CobraNet优先级和IP地址。 所有CobraNet设备的优先顺序必须在网络中时刻进行排队,这样当网络中突然

失去Conductor时,排在后面的CobraNet设备立刻充当Conductor的角色。
前面已经提到,CobarNet属于数据链路层协议,所以不能进入到网络层参

与口协议。但是可以看到预约包中却包含IP地址,其实这不是为CobraNet信 息本身服务的,而是为其它非同步信息的高级管理软件使用的。 ③音频数据包。音频数据包结构如图3—4所示。

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CobraNet报头 (音频数据)

Bundle号码 和当前时间

第一通道数据格 式和PCM音频数 据

第二通道数据格式 和PCM音频数据

图3—4音频数据包结构

当传送机的传送请求得到批准以后,开始向目的地址发送同步音频数据。 这个目的地址可以是一个(单播),也可以是多个(多播),区分依据就是按Bundle 号码进行判断,1"-255的Bundle号码表示的是多播地址,此时该数据包的以

太网报头目的地MAC地址以X’01.60.2B开始;256-~65279之间的Bundle号

码则表示单播地址,此时该数据包的以太网报头目的地MAC地址以X’00.60-2B
开始。

音频数据包数据在整个CobraNet数据中占据了绝大多数,在采样速率为 48KHz,20bit量化电平的情况下,一个包大约包含了1280个字节的数据,加
之其它报头和报尾数据,一个Bundle(每个Bundle包含8个PCM音频数据通 道)大约要消耗8MHz的带宽。

3.4大容量数据的CobraNet网络设计
通过前面对CobraNet的MAC数据包的介绍,我们知道CobraNet的3个数
据包满负荷工作时会给网络设备带来相当大的压力,当系统中大数据量达到极

限时(总发送Bundle数量大于8),必须对网络设备进行优化。
3.4.1生成树协议(Spanning Tree)IEEE
802.1d

该协议虽然不能增加网络流量,但是可以为网络增加“备份”功能。当一条

主干线出现故障时,该协议会自动生成另外的“树枝”来取代损坏的链路。这对
于大系统来说是非常重要的。

通常,不论是集线器网络还是交换机网络,我们是不能把CobraNet连接成 “环状”结构的。在集线器中,由于所有的数据都是“分发”到其它端口的,如果 将集线器连接成“环状”,将会在集线器之间形成循环数据而中断其他数据的交 换,这是集线器网络自身的问题,是无法克服的;在交换机网络中,我们知道 其中存在着Beat数据协议包和预约数据包,这两个数据包是以“广播”形式分发 到每个端口的,如果采用通常的交换机技术,则这些数据包就会在“环形”网络
中形成自循环,导致“广播风暴”。不过当选用的网络交换机支持生成树协议是, 该协议会自行断开环形连接,如图3—5所示。

19

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“断开”的连接

有效的

图3—5生成树协议自动建立单向连接

当连接链路出现问题的时候,生成树协议会自动建立新的连接,但是新连
接不会立刻生效,一般在30秒内系统会恢复通信,如图3—6所示。
重新建立连接

这里出现问

图3—6生成树协议对网络的自动修复

3.4.2干线生成协议IEEE

802.3ad

该协议又称链路聚合(Link Aggregation)协议。在100M交换式以 太网的设计中,当CobraNet信号在单方想大于8个Bundle时,必须要考
虑这个问题,如图3—7所示。

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图3—7干线上交换机要支持链路聚合协议

图中表示的时两台交换机之间要传递超过8个Bundle时,必须采用
两条双绞线连接这两个交换机。此时交换机必须支持IEEE 802.3ad协议, 即链路聚合,否则CobraNet信号会在两台交换机之间形成“自激循环”, 如图3—8所示。

雾i< \

萸,/, ’●、

,一




自循环)

-/

’>蒡
//机


自循环



图3—8自激循环

当两台交换机同时支持IEEE 802.3ad协议时,它们就会平均分配数

据流量,使得交换机与交换机之间的带宽成倍增加,如图3—9所示。

</ 泌换机

//一’

~\.

\’

总带宽加倍

~~\ 。、、
。二二/

交趔爹<

图3—9链路聚合使干线带宽加倍
2l

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采用这种方法,为设计高于8 Bundle的CobraNet信号通道的提供可 能。
VLAN的应用IEEE 802.1q

3.4.3

VLAN(Virtual Local Area

Network)即虚拟局域网技术,是指在一

个指定的交换式以太网中,重新建立若干“子网”,而子网之间是不能相互

通信的,但是从物理结构上说,他们却又同时存在于一个网络中。在实际 应用中,如果将CobraNet设备和其它数据PC放置在一个网络之中,这 样会出现争抢带宽的现象。当大数据量到来时,要么PC机得不到带宽, 要么CobraNet丢失数据包。这是就可以借助VLAN技术将交换机进行子 网划分,把CobraNet独立出来使用,这样就解决了网络资源占用的问题。 使用这种技术连接的以太网提供了在一个网络下传输不同信号的方 法。这种连接方法看似和分开的两个物理网络是一样的,但是实际上
VLAN还有一个重要的优势,就是某些端口是可以同时出现在两个子网的

MAC地址列表上。这就意味着网络上的某台授权的PC机不但可以进行
通常的PC通信,还可以远程管理网络、遥控CobraNet设备等。

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第四章设计实现
如图2一l所示,网络音频传输系统包括媒体转换器、交换机、监控 主机三部分。交换机采用标准的以太网交换机,直接通过外购获得;监控

主机是一台计算机,我们主要开发基于SNMP的监控软件;媒体转换器
由我们自主研发,这是整个设计的核心,网络传输、路由功能以及数字信

号设计实现都在媒体转换器中完成,本章将详细介绍媒体转换器的设计实
现过程。

4.1硬件电路设计
媒体转换器硬件设计如图4一l所示。我们研发的媒体转换器有三种

机型,包括模拟发送器(8入),模拟接收器(8出),数字收发器(8入8 出)。因此对于模拟发送器音频输入接口就是A/D转换器,输出接口就是
D/A转换器;对于数字收发器音频输入接口就是AES/EBU信号到PCM 码流的转换器,输出接口反之。音频采集和格式适配部分主要是为接口模 块提取数据,并将采集的数据进行相应的处理,使之能与CobraNet处理 器需要的格式匹配。网络模块完成网络传输、路由设置和信号处理等功能。

图4一l媒体转换器设计图

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4.2网络传输

4.2.1同步系统设计

①传输同步。以太网是一个非同步的网络,CobraNet为保证音频数 据的同步采用了类似“令牌网”的令牌机制,Conductor每个秒钟发送750 次Beat包作为时钟同步信号,对网络上的所有设备进行调校,从而使所 有的设备都工作在同一个“节奏”下。设计中每个设备都带有一个压控振荡
器作为本地的时钟源,利用接收的Beat包对该时钟进行相位校准从而达

到同步的目的,并且由该时钟源分频获得音频左右时钟LRCK,串行时钟 SCLK,具体见图4—2所示。

嗽+
SCu(—+

图4—2传输同步

②本地同步。确保了设备间的传输时钟同步,并且获得音频时钟之后, 所有音频接口的时钟都采用该时钟作为时钟源,从而确保本地数据输入输 出和传输的同步。因此对于模拟信号而言,只要保证A/D和D/A的时钟 采用图4—2所示的MCLK、LRCK和SCLK即可;但对于数字信号 (AES/EBU)我们?必须要做采样频率变换,如图4—3所示。

图4—3采样频率变换

采样频率变换将输入的音频信号用本地时钟进行重采样,确保了输入 信号与网络传输数据之间的同步关系,并且通过重采样将不同采样频率的
音频信号统一变换为48KHz,为音频信号的网络传输做好准备。

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4.2.2与其它数据包共存

CobraNet网络协议栈不仅支持音频数据的实时传输,同时它还支持 包括地址解析协议ARP(Address
Resolution

Protoc01)和逆地址解析协议

RARP(Reverse Address Resolution Protoc01)、因特网控制报文协议ICMP (Intemet Control Message Protoc01)以及网际协议IP(Internet Protoc01)

等标准以太网协议,如图4—4所示

釜=
图4—4CobraNet网络协议栈

①ARV协议主要完成IP到硬件地址的映射。每一个主机都有一个ARP 高速缓存,里面有所在的局域网上的各个主机和路由器的IP地址到硬件地
址的映射表,这些都是该主机知道的一些地址。当一台主机A欲向本局域

网中的另一台主机B发送IP数据报的时候,就先查看ARP高速缓存有无
主机B的IP地址。如有,就查看该IP对应的硬件地址,再将此硬件地址

写入MAC帧,然后通过局域网将该MAC帧发往该硬件地址。如果没有, 则主机A向本局域网广播发送一个ARP请求分组。局域网中的所有主机
都收到ARP请求分组,只有主机B发现请求分组中的IP地址与自己相同,

就向主机A发送ARP响应分组,并写入自己的硬件地址。主机A收到主 机B的响应分组后将其IP地址到硬件地址的映射写入ARP高速缓存。 CobraNet只支持ARP响应,不主动发送ARP请求。因此CobraNet只能响
应IP数据报,但不能发起IP通信。

@RARP协议完成硬件地址到IP地址的映射。CobraNet设备的动态IP
就通过RARP协议获得。同样CobraNet不发送RARP请求,只对RARP 请求作响应。

(要)ICMP协议允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的
报告。ICMP报文分为ICMP差错报告报文和ICMP询问报文,CobraNet 只支持ICMP询问报文中的回送请求和回答,不支持其它类型的ICMP报 文。

④IP协议用来使互联起来的许多计算机网络能够进行通信。CobraNet 不支持分组转发功能,不能发起IP通信,只能接收和响应IP报文。

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⑤UDP是在IP的数据报服务之上增加端口功能和查错检测功能。UDP 不提供可靠交付,没有拥塞控制,但由于其协议简单,传输时延较小。所 以在允许网络发生拥塞时丢失一些数据,但却不允许数据有太大的时延的 场合比较适合使用。CobraNet完全支持UDP协议。 (fi)BOOTP协议可以为主机自动获取配置信息。BOOTP使用客户服务器 工作方式。为获取配置信息,协议软件广播一个BOOTP请求报文。收到 请求报文的BOOTP服务器查找发出请求的计算机的各项配置信息,将配 置信息放入一个BOOTP回答报文中,并将回答报文返回给提出请求的计 算机。这样,一台计算机就获得了所需的配置信息。BOOTP协议是CobraNet 设备获取IP地址的方法之一。CobraNet设备随机发送BOOTP请求,发送 频率开机时较为频繁,逐渐降低到每分钟发送2次。 (Z)TFTP协议通过UDP/IP支持文件的读写。CobraNet设备通过TFTP协
议完成固件的下载。

⑧SNMP的基本功能包括监视网络性能、检测分析网络差错和配置网络 设备等,在网络正常工作时,SNMP可实现统计、配置、和测试等功能。 当网络出故障时,可实现各种差错检测和恢复功能。SNMP的网络管理由 三部分组成,即管理信息库MIB,管理信息结构SMI以及SNMP本身。 管理信息库MIB时一个网络中所有可能的被管理对象的集合的数据结构。 只有在MIB中的对象才是SNMP所能管理的。CobraNet支持标准网络设
备的管理信息库,并在此基础上添加了部分新的CobraNet独有的MIB。

因此,CobraNet设备的网络监控都可以通过SNMP完成。
CobraNet对以太网数据的解析流程如下,

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目目团

图4—5 CobraNet网络数据解析流程

曰曰曰围

4.3路由设置
CobraNet协议把音频数据打成数据包在以太网上传输,这种数据包被 称为Bundle。一个Bundle可以包含l~8个音频通道,Bundle的编号从l~ 65279,其中1"-'255为广播类型,256--一65279为单播类型。音频信号的路 由分配通过Bundle的设置来完成,收发设备的Bundle号相同时将建立起
一条传输通道,音频通道和Bundle中子帧的对应关系可以通过收发子帧映 射设置来设定,如图4—6所示。路由的设置就是通过Bundle设置以及子 帧映射来完成。

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音频通道


Bundle发送器
l 2 3

串行音频输入

2 3 4 5 6 7 8





4 5 6 7 8

Bundle接收器
33 34 1 2 3

以 太 网

圉亘
4.3.1串行音频接口

35 36 37 38 39 40



口引曰口引



4 5 6 7 8

图4—6音频传输路径

设计中CobraNet接口包含4个串行音频输入接口SSll"一SSl4和4个 串行音频输出接口SSOI"一SS04,每个接13包含4个音频通道(这里我们

只使用了前两个串行音频接口,后两个作为后续扩展音频通道时候使用),
如图4--7所示。

眦K]L——————}÷—————————————————————————_J ≥≥厂—书■■————]L一

裂[j三二工二二互二[二互二]二三口 SssoSl22/[j互二工二二互二[二互二]二二口 涮[![二工二j互二[j互二]二亘二] SsSsI∞4/[玉三二工二j互二[二互二]二j口
图4—7串行音频通道分配

由于CobraNet定义1"32为输入通道,33,--一64为输出通道,因此这 里输入接口的通道编号为1~8,输出通道编号为33~40。串行时钟固定

为采样时钟的128倍,主时钟为采样时钟的512倍,数据采用左对齐格式,
如图4—8所示。

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scLK]门几哪唧唧哪唧哪唧唧哪几唧唧唧唧唧舢

嗽司.麓厂—*————]
图4—8 CobraNet串行音频格式

唧皿弼EEI瑶圈弼旺嚼圈弼旺圃圈弼匝磁旺
而我们从数据接口获得的音频格式为:串行时钟为64倍的采样时钟,
主时钟为256倍的采样时钟,数据左对齐,如图4--9所示。

¨豳豳溢隘豳隧豳豳豳幽幽锄幽隘圆圈隧隧圆圈
÷≥

叫flfl几『1丑几『1fl哪nn唧flflfln丌兀nn几n|1q钉flfln几兀咖n几咖f1丌丌几日l 瞰] .厂—卜————]

黼匝瑶Ⅱ吸Ⅲ皿ⅡⅢⅡ匝翔Ⅱ皿ⅢⅡ皿ⅢⅢ
图4—9输入串行音频格式

因此,这里必须作数据格式匹配,将两路音频数据作合路处理,如图 4一10所示。

图4—10串行音频格式匹配
Bundle收发器

4.3.2

每个Bundle包含1"---8个音频通道,Bundle发送器的功能是将多通道音频
数据根据映射关系进行打包,形成如图3—4所示的CobraNet音频数据包,然

后通过以太网发送:Bundle接收器是从以太网数据报中解出CobraNet音频数据

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包,并将每个Bundle的子帧根据映射关系发往各个音频通道。 Bundle的发送可以设置为广播,单播和组播模式。广播模式下,所有的设 备都可以接收该Bundle,但前提是接收器的Bundle号与发送器的Bundle号相 同:单播即点对点的传输,这就意味着Bundle的接收者只能有一个,如果其它 的接收器设置了与该发送器相同的Bundle号,则这些接收器无法收到音频数 据:组播是一种特殊的单播模式,发送器可以设置1'---4个接收者,即在小于等 于发送器设置的接收者个数的接收器,只要选择接收该Bundle,都可以正常接 收到音频。CobraNct设备可以选择接收不同的Bundle,从而实现路由功能,如
图4一11所示。

田261 田j j田 田≥
设备^ I撕0
●--____-?-__I__-__-__。●



-----_-?------?--__--____l■

j l叫






设笛B

i筻备D

l复各e

r可r11j

图4一ll Bundle路由设置

CobraNet发送设备A、B、C都在向以太网发送Bundle,并且每个设备都 发送两个Bundle,分别为A设备Bundle号为260、261,B设备Bundle号为270、 271,C设备Bundle号为280、281。接收设备D可以接收设备A的Bundle260 和设备C的Bundle 280,这样通过Bundle的设置就可以将设备A—D和设备C
—D连接起来,传输不同的音频信号。

音频数据的格式也可以在Bundle发送器中设置,具体见表4一l所示。
表4—1音频数据格式设置 子帧格式值
0 0x044000 0x054000 0x064000 0x148000 0x158000 0x168000 Ox042000 Ox052000 Ox062000 0x144000 16bit 20bit 24bit 1 6bit 20bit 24bit 16bit 20bit 24bit 16bit 48kHz

解析度

采样频率 无信号

时延

5.1/3ins 5.1/3ins

48l沮Z
48l(HZ 96I【HZ 96kHZ 96kHZ 48:Id-Iz 48kHz

5.1/3ms
5.1/3ms 5.1/3ms 5.1/3ms 2.2/3ms 2.2/3ms 2.2/3ms 2-2/3ms

48lmz
96l【HZ

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子帧格式值
0x154000 0x164000 0x041000 0x051000 0x061000 Oxl42000 0x152000 0x162000

解析度
20bit 24bit 16bit 20bit 24bit 16bit 20bit 24bit

采样频率
96l【HZ 96l(HZ

时延
2.2/3ITIS 2.2/3ms 1.1/3ms 1.1/3ms 1.1/3ms 1.1/3ms

48ⅢZ 48ⅢZ
48l【HZ 96lCHZ 96l(HZ 96kHZ

1.1/3ms
1.1/3ms

4.3.3子帧映射

每一个Bundle都对应8个子帧映射变量,决定8个音频通道和Bundle子

帧的映射关系。如图4—12所示,带箭头连线表示发送器子帧映射和接收器子
帧映射设置,则通过网络传输以后,CobraNet接收设备的音频通道1、2、3、4、

5、6、7、8将对应发送的音频通道3、4、l、2、7、8、5、6,从而实现音频通
道的路由功能。
以太同

音频通道


Bundle号:260


Bundle号":260


音频通道

对应输入通道



2 3 4


2 3

2 3 4 5 6 7 8

6 7






\/, /\▲

>铋

33
34

35 36 37 38 39 40

l 2 7 8 5 6

5 6 7 8

/\▲

图4一12子帧映射

4.4数字信号处理
数字信号处理功能通过Cirrus Logic提供的DSP Conductor软件完成

设计和仿真,编译可以生成设计头文件或者直接与固件合成,更新固件完
成以后,便可以由主机监控软件通过网络(SNMP协议)或者串口(RS.232 协议)对DSP参数进行动态控制。
Conductor简介

4.4.1 DSP

DSP

Conductor是由Cirrus Logic专门针对带有DSP处理功能的

CobraNet处理器而开发的一款图形化编程工具,软件界面如图4一l 3所
不。

北京邮lU人学T程倾{‘学位论文

图4—13 DSPConductor

如上图所示,CobraNet处理器有4款可选。只有调入处理器以后, Flyoffs菜单中才会有与其相应的音频输入输出接口(Audio Output)和CobraNet输入输出接口(CobraNet
Input/CobraNet Input/Audio

Output)出

现。DSP Conductor集成了很多数字信号处理相关模块,包括延迟单元

Delays、动态效果处理器Dynamics(包括噪声门、压缩器、限幅器等)、 滤波器Filters(包括FIR滤波器、高通滤波器、低通滤波器等)、信号发
生器Generator、电平控制元件Levels、混音器Mixers、路由器Routers

等等。设计时只需要选择相应模块拖拽进入编辑区即可,非常简单方便。
这里需要说明的是,DSP Conductor是针对开发人员设计的一款设计

软件。对于普通用户而言,只需要在完成设计之后,根据需要通过我们开 发的基于SNMP协议的网络监控软件或者串口监控软件对数字信号处理
的参数进行调节即可。

4.4.2数字信号处理设计

数字信号处理设计如图4~14所示。

北京邮电人学_丁程硕士学位论文

图4一14数字信号处理设计 从网络接收的8路音频信号(CobraNet Inputl~8)首先经过噪声门 隔离无用信号,避免无用信号被放大送出。压缩/限幅器Limiter放置在音 量调节模块Gain之后主要是为了避免音频信号输入过大或者经过音量调 节放大使后续电路受损。Meters为电平显示模块,主要为调试时监测信 号使用,各模块详述如下:

①输入输出接口。DSP Conductor包括CobraNet
Output、Audio Input、Audio

Input、CobraNet

Output四种输入输出接口信号。CobraNet

Input/Output信号是由CobraNet设备从网络解析获得或者发送至网络的音 频信号,Audio Input/Output为CobraNet处理器输入和输出的串行音频(包 含在SSI和SSO中)。本设计我们只在CobraNet接收端(音频输出)添 加数字信号处理功能,因此信号输入为经由以太网解析获得的CobraNet Input信号,输出为串行音频Audio
Output。

②噪声门。噪声门的作用是隔离无用信号,它有3个参数可以设置:
阈值(Threshold)、衰减程度(Depth)和保持时间(Hold Time)。阈值决 定了噪声门打开的电平值,只有高于阈值的信号才可以通过,低于阈值电 平被衰减。衰减程度表示噪声门关闭时,信号被衰减的程度。保持时间定 义了当检测到信号低于阈值时门依旧保持打开的时间。参数的设置没有固 定值,必须根据工程实际应用而定,不能过高也不能过低,例如过高的阈

值会使有用的信号被挡在门外,而过低的阈值又有可能把噪声放进来。 ③音量调节。音量调节可以完成信号的放大、衰减、静音、反相等功
能。

④压限器。压限器的用途是让信号的输出动态范围变小,它使较微弱 的信号变大而使较大的信号变小,其结果是使大信号和小信号之间的差别
变小。当输入信号电平超过了设定的阈值,则压限器就将开始工作,把过

高的输入电平降低,这样在增大输入信号电平的同时,不会造成输出电平
产生同等幅度的增加。压限器的参数有:阈值(Threshold)、压缩比(Ratio)、 启动时间(Attack)和恢复时间(Release)。

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阈值设置启动压限器的电平,当输入信号电平高于阈值时压限器开始
工作。

压缩比就是选择一个比率来压缩已经超过阈值的信号电平,例如设置 阈值为OdB,输入信号为4dB,则当压缩比为2:1时,输出信号电平为 2dB;当压缩比为4:1时,输出信号电平为ldB;当压缩比设为无穷大 时,压限器也就变成了简单的限幅器了。


启动时间表示信号超过阈值电平时压限器的开启速度。较大的启动时 间使得在进行压缩之前“允许通行”更多的原始动态信号,但是过大的启动 时间将使压限器的作用下降。 恢复时间表示信号低于阈值时压限器停止工作的速度,即当输入信号 在恢复到阈值范围内时,要通过多长时间才能让压限器回到正常状态。
4.4.3生成配置文件

设计完成数字信号处理模块之后可以通过以太网下载到CobraNet设 备RAM中直接运行,利用DSP Conductor的Gesture功能改变各种效果
器的参数,观测设计结果。但是要将DSP功能脱离DSP Conductor,使 用开发的软件进行控制,则必须生成配置文件。 配置文件分为两种:C头文件和HML文件。C头文件主要为串口监

控软件服务,包含与数字信号处理相关参数的管理接口变量的地址,这样
微控制器就可以通过主机管理接口对这些参数进行设置,从而完成必要的

处理功能。C头文件中变量的定义由4部分组成,格式如下:
#define dspc_<primitive

name>.-<primitive

ruid>-<parameter

name>—.<metric><value>

其中前3部分主要是为区分模块与参数所起的名字,力求直观、明了。
第4部分<metric>最为重要,它指明了后面<value>所代表的含义。<metric> 的代码有4中,分别为WO、rw、fb、sg。其中 WO即Word 0ffset,表示参数的地址偏移,它用于产生主机管理接口 地址和SNMP
OID;

刑即Read/Write,表示该参数的访问权力:0为只读,1为可读写;
fb即Franction Bits,CobraNet的DSP都为定点32位处理器,fb表示

小数点的位置:0表示该参数是32位整型数据,31表示该参数是一个绝
对值小于等于l的小数。

HML文件主要为网络监控服务,包含与数字信号处理相关参数的目
标识别符(OID),这样就可以通过SNMP协议根据需要设置各个参数。

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4.4.4生成固件

为了便于带有数字信号处理功能的CobraNet设备独立运行和量产,我 们必须将数字信号处理设计以固件的形式存入程序存储器ROM中。在DSP Conductor下,将编译生成的代码以补丁的形式合成到原有的固件当中,然 后存入程序存储器,便可将数字信号处理设计固化在CobraNet处理器里。 这样,设备加电以后,用户就可以通过SNMP或者串口设置DSP参数,改 变音频输出效果。

4.5串口监控设计
串行控制接口硬件设计如图4一15所示,串口监控主要由微控制器
(Microchip
Control

Unit)完成。串口适配器实现RS232物理电平与TTL电平

之间的转换,而微控制器与CobraNet处理器之间通过主机管理接口完成网络音 频状态监测和控制。

Cobralqe

t处理器



主 机 管 理 接

一TⅪl——●
/ 、 1 r 、 /

路232-T-◆ 串口适配器

徽控制器

●—一RXD一
图4—15串口控制接口设计

RS232-R--

4.5.1主机管理接口

主机管理接口通过读写管理变量实现,而所有的管理变量通过4位地

址线寻址的10个寄存器访问,这10个寄存器的地址如表4—2所示。
表4—2主机端口寄存器 主机地址
O l 2 3 4 5

寄存器
Message A(MS) Message B Message C Message D(LS)
Data

A(MS)

Data B

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主机地址
6 7 8 9

寄存器
Data C Data

D(LS)

Control Status

由于CobraNet处理器为32位数据宽度,而主机控制端口只有8位
数据线,所以在访问管理变量时Message A"--D和Data A---D组成32位

数据,其中Message A和Data A为最高位,Message D和Data D为最低
位,访问时序如图4一16和4一17所示。 批加




一 一 一 一 唧





图4一16主机端口读时序 加D 队T




一 一
町 m

LSP

哪 孵

t∞●H

可 霄 丐 刀



tmwo


图4一17主机端口写时序

从上图可以看出,主机控制端口不仅包括8位数据线和4位地址线, 还有4根控制线。其中,HCS是主机端口片选信号,低有效;HRW为读
写控制线,高电平为读,低电平为写;HDS为时钟信号,上升沿有效;

HREQ为请求信号,表示数据读写完成。
主机通过管理接口与CobraNet处理器之间传送消息(Message),用

以发送命令、获取相应的数据和状态,消息类型如表4—3所示。

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表4—3主机管理接口消息

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Mode

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Receipt

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G0to

Podket Receive

Buffe,


缸B5

G咖7'狮捌j黼

要发送消息,主机可以将地址写入寄存器A、B、C,然后将命令写入 寄存器D,即可将消息传送至CobraNet处理器。
4.5.1主机管理接口驱动设计

?CobraNet的监测和控制是通过读写管理接口变量实现的(管理接口 变量的地址以及含义可以参照CobraNet编程手册),因此设计中面向应用

程序的主机管理接口驱动也主要有两个,一个是主机读,另一个是主机写。
主机读就是主机通过管理接口读管理接口变量,获取CobraNet相关信息 以及运行状态,驱动流程如图4一l 8所示。主机写就是主机通过管理接口 写管理接口变量,从而设置路由、数字信号处理参数等,驱动流程如图4 —19所示。

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I依次读数据C寄,D存器A’B、


l将数据寄存器A~D从高到低
组成32位整型数据

l I
返回该整型数据

图4一18主机读驱动流程







I将32位数据从高到低依次 l写入数据寄存器A、B、C、D



返回

图4一19主机写驱动流程

4.5.2监控软件设计

计算机监控是通过超级终端这样的命令行向串口发送命令,因此微控

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制器必须将命令行字符串进行接收、分解、转换,从而获得计算机命令、
响应命令。微控制器的主程序流程如图4—20所示。

图4—20主程序流程

为了保证重新开机的情况下,设备能够按照上次设置的路由以及处理 效果运行,微控制器将会把每次设置的路由信息以及数字信号处理参数等 必要的设置进行保存。微控制器开机首先对CobraNet处理器进行复位,然 后便将保存的设置调入,最后进入死循环,获取串口命令、分解命令行并

执行命令。
获取命令行字符串流程如图4—2l所示,其中CR表示回车,LF表 示换行SP表示空格,BS表示退格、DEL表示删除。串口接收字符采用

中断方式,有数据便将数据打入串口接收缓存。微控制器一直监测串口接

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收缓存,一旦有数据输入,就将该数据进行转换、存贮,直到命令行输入 回车确认字符串结束。为了在超级终端上显示输入字符,微控制器还必须

将收到的数据通过串口再发送给计算机。串口发送没有采用中断,发送程
序查询发送缓存,只要有数据写入就启动发送,直到发完为止。



.....................jIL.............一
I向命令行缓仃写入命々行缩l



_囊符



图4—2l获取命令行字符串流程

分解命令行的目的是剔除命令行字符串中间的无用字符,并将其按照 命令、参数1、参数2、参数3、……,划分开来,便于命令的分析和处理,
命令行分解流程如图4—22所示。

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图4—22分解命令行字符串





图4—23执行命令

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命令执行流程如图4—23所示。经过命令行分解模块以后,命令和参 数就被分解称多个字符串,其中第一个就是命令字符串。设备所能响应的 命令已经固化在微控制器的ROM中,这时只要比对命令字符串就可以区 分不同的命令,并根据需要读入命令参数,调用主机管理接口驱动就可以
完成CobraNet状态的监测和参数设置。

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第五章总结与展望
与传统的音频传输相比,基于以太网的音频传输网络在连接、设置、

维护等方面都具有很大的优势。因此,随着网络音频周边设备的不断丰富,
音频传输网络的普及将是一个必然趋势。本文从目前国内外网络音频发展 的现状入手,对基于以太网传输实时音频信号的可行性进行了分析,详细介绍

了CobraNet协议传输实时非压缩音频的原理和方法,具体提出了一种采用 CobraNet协议完成网络音频传输系统的设计方案,并基于该方案详细介绍了硬
件设计、同步系统设计、路由设置以及数字信号处理设计的全过程。通过该课 题的研究和设计,我们成功实现了一套基于以太网的实时音频传输系统。该系 统性能指标优越,应用前景广阔。当然,该设计也具有一定的局限性,本人希 望通过本文的撰写能起到抛砖引玉的作用,使更多的人能投入到网络音频传输 技术的研究工作中来,使我国在网络音频传输方面的技术水平能迅速提高。

5.1系统性能
本课题研究的网络音频传输系统已经经过我所科技质量部验收。目前 该系统可以通过以太网传输8路采样速率为48KHz、分辨率为20bit的实 时非压缩音频,且在20Hz到20000Hz的频域范围内频率响应为士0.3dB,动态 范围达到100dB,谐波失真小于O.01%。

5.2应用前景
目前,许多音频设备厂商都在研究和开发网络音频相关设备,并有很
多产品问世,例如Peavey的CAB 16D系列、CAB 16i/160系列、CAB
8i/80

系列产品、Digigram的ESl61 61、ESl241、ES881等产品、Crown公司 的DBC网络桥、QSC的Rave系列产品等。这些设备都可以完成音频数 据到网络数据或者网络数据到音频数据的媒体转换功能,实现音频数据的 网络传输。但是,这些基于以太网的音频传输设备基本都为国外产品,设 备价格高昂,在工程设计中应用、普及较为困难。 我们研究开发的这套系统可以完成点对点、一点对多点的实时音频传

输,并实现实时监控、路由以及信号处理功能,连线简捷、维护方便,基 本可以取代国外同类产品,但相对价格低廉,可以在工程实践中广泛应用

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于A/V系统,满足主会场到分会场的实时音频传送以及多会议室之间实时

音频的传送;应用于广播电台,完成广播电台直播间信号的传送;应用于
录音棚,实现录音棚中各录音室之间信号的共享;应用于流动演出,满足 演唱会、乐队演出的音频传送;应用于剧场、体育场、主题公园等,实现 多通道音频信号的传送。

5.3未来展望
虽然该课题基本完成了设计要求,但同时我们也意识到①国内对网络音频
的研究还处于初期阶段,缺乏相互学习和探讨的平台,这给设计增加了不少的

困难;②我们没有掌握网络音频核心技术,设计都是基于国外协议和处理器的 应用,无法进行更加深入的开发;③应用国外知识产权的协议和技术,必须付 高额的专利费,无形中增加了设计成本。因此,我们必须积极推动网络音频在 国内的研究和开发工作,熟悉和掌握国外成熟的传输协议和技术,并在此基础
上开发自有知识产权的传输协议,从而使我国在网络音频传输和处理这一领域 能迅速追赶并最终超越国外水平。

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【23】http://www.peakaudio.eom

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致谢
本课题从选题到论文的撰写与修改,都得到寿老师的悉心指导。寿老 师在我研究过程中多次为我指点迷津,帮助我开拓思路,为我论文的完成 提供了最有效的支持和帮助。与此同时,寿老师严谨求实的治学态度和一 丝不苟的工作作风也给我留下深刻的印象,使我受益终身。在此,谨向尊 敬的寿老师表示衷心的感谢! 感谢继续教育学院各位老师从入学、修课到论文完成各个阶段给予我 的关心和帮助,有了你们的关怀我才能顺利完成学业! 感谢中国电子科技集团公司第三研究所为我提供了这次宝贵的深造 机会! 感谢在课题研究过程中张萍研究员、黄川高工对我的技术支持和指 导,以及郭宝忠、白鹤同志的密切配合! 感谢我的妻子和父母,你们的支持和督促给了我坚持完成学业的信心 和动力,你们的关怀和体贴使我有足够的精力投入到学习当中1

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