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        基于Dante低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

        2022-10-25 10:25:04郭遠(yuǎn)林
        演藝科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:聲卡網(wǎng)絡(luò)化延時(shí)

        郭遠(yuǎn)林

        (廣州市迪士普音響科技有限公司,廣東 廣州 510450)

        目前,公共廣播工程已經(jīng)普遍采用IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù),這種類型的公共廣播系統(tǒng)具備OSI的七個(gè)協(xié)議層,能較好地兼容標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,可以滿足對(duì)音頻延時(shí)和質(zhì)量要求不高的場(chǎng)景應(yīng)用,但是由于缺乏同步機(jī)制,且延時(shí)在數(shù)百毫秒級(jí),對(duì)音頻指標(biāo)要求較高,尤其是有低延時(shí)需求的應(yīng)用場(chǎng)景就難以達(dá)到要求。針對(duì)這一問題提出基于Dante網(wǎng)絡(luò)音頻傳輸協(xié)議的公共廣播系統(tǒng)解決方案,在具有一般網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)應(yīng)備功能的基礎(chǔ)上,引入Dante網(wǎng)絡(luò)音頻傳輸協(xié)議,具備專業(yè)擴(kuò)聲工程的低延時(shí)、同步性等優(yōu)點(diǎn),可以滿足高標(biāo)準(zhǔn)公共廣播項(xiàng)目的需求。

        1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

        基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)搭建的公共廣播系統(tǒng)一般稱為網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)(IP公共廣播系統(tǒng)),公共廣播系統(tǒng)中最基本的海量音頻節(jié)目庫、遠(yuǎn)距離的傳輸和控制、大范圍的矩陣交互等方面通過計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而化解。網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)將音頻信號(hào)數(shù)字化后封裝到IP數(shù)據(jù)包傳輸,相比采用模擬線路的公共廣播系統(tǒng)的音頻信號(hào)傳輸,性能顯著提升,傳輸距離即是網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的范圍,音頻質(zhì)量可達(dá)到CD級(jí)別。

        1.1 基于x86架構(gòu)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

        早期IP公共廣播系統(tǒng)的硬件是基于x86架構(gòu)的計(jì)算機(jī)平臺(tái),典型系統(tǒng)如圖1所示,音頻信號(hào)傳輸鏈路如圖2所示。由x86架構(gòu)服務(wù)器構(gòu)建的公共廣播系統(tǒng),以x86架構(gòu)服務(wù)器的主機(jī)作為系統(tǒng)核心,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯處理、節(jié)目存儲(chǔ)管理、定時(shí)管理、系統(tǒng)控制界面交互等功能。終端也是x86架構(gòu)的計(jì)算機(jī),分為信號(hào)輸入類終端和信號(hào)輸出類終端,輸入類終端包括模擬音頻信號(hào)輸入、告警信號(hào)輸入、控制信號(hào)輸入等;輸出類終端包括模擬音頻信號(hào)輸出、告警信號(hào)輸出、控制信號(hào)輸出等,音頻信號(hào)輸出的終端就是廣播分區(qū)設(shè)備;此外,還有混合類終端同時(shí)具有輸入輸出功能。

        圖1 早期網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)原理

        圖2 網(wǎng)絡(luò)化廣播的音頻信號(hào)傳輸鏈路

        早期的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)由于主機(jī)和終端都采用x86架構(gòu)硬件,本質(zhì)上就是由通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng),只是主機(jī)性能相對(duì)于終端更好一些,而終端因?yàn)楣δ軉我慌渲孟鄬?duì)低很多,但即便如此,終端成本還是比較高昂,而且體積較大。主機(jī)對(duì)所有的終端在任何時(shí)候都能進(jìn)行獨(dú)立的音頻選擇播放、音量控制、開關(guān)等功能,也可以批量對(duì)若干數(shù)量的分區(qū)進(jìn)行控制,即所謂的分組功能,也可以進(jìn)行雙向的互動(dòng)操作,如終端點(diǎn)播服務(wù)器的音頻內(nèi)容,與主機(jī)或其他終端進(jìn)行音頻對(duì)講等。系統(tǒng)的分區(qū)數(shù)量規(guī)模取決于服務(wù)器主機(jī)的性能和網(wǎng)絡(luò)的帶寬,一般可以很容易實(shí)現(xiàn)過千分區(qū)的功能。

        1.2 基于ARM架構(gòu)處理器的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

        得益于ARM架構(gòu)處理器的快速發(fā)展,新一代網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的終端硬件核心也逐漸改由ARM嵌入式系統(tǒng),產(chǎn)品體積和成本均大幅減小,一個(gè)典型的基于ARM架構(gòu)處理器的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)如圖3所示。主機(jī)采用x86架構(gòu)的硬件+Windows/Linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器,也有采用ARM架構(gòu)服務(wù)器+Linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器,各終端設(shè)備通常采用ARM嵌入式SoC或者其他類型的MCU作為核心。

        圖3 新一代網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)原理

        該類公共廣播系統(tǒng)涉及的設(shè)備類型較多,本文中不討論完整系統(tǒng),僅討論與音頻相關(guān)部分的功能。從信號(hào)源類型來看,通常系統(tǒng)的音頻信號(hào)源主要有兩類。

        1)從服務(wù)器硬盤播放的音頻文件,格式有MP3、MP4、AAC、WAV、WMA、APE等,通常采用流媒體技術(shù),用UDP協(xié)議由主機(jī)發(fā)送到廣播分區(qū)終端,一個(gè)文件可以被同時(shí)播放到所有分區(qū)終端或者若干個(gè)分區(qū)終端,終端接收數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)解碼成模擬音頻信號(hào),并送往下級(jí)信號(hào)處理設(shè)備(功率放大器、揚(yáng)聲器)。

        2)由音頻輸入類終端(傳聲器、播放機(jī)、線路輸入)實(shí)時(shí)采集的模擬音頻信號(hào),需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),為保證實(shí)時(shí)性和音頻質(zhì)量,一般不經(jīng)過壓縮處理,直接封裝成IP數(shù)據(jù)包,并通過UDP協(xié)議發(fā)送到廣播終端,終端處理過程與處理服務(wù)器傳送文件音頻流類似。

        1.3 網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的延時(shí)與同步

        網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)具有服務(wù)器向每個(gè)分區(qū)終端同時(shí)播放不同音頻文件的能力,而采集類信號(hào)源則以一對(duì)多或多對(duì)多的方式完成分區(qū)實(shí)時(shí)廣播,總體來看類似于網(wǎng)絡(luò)化的音頻交叉矩陣。

        公共廣播系統(tǒng)工程本身屬于擴(kuò)聲工程,除常規(guī)的頻響、失真度、聲壓級(jí)等衡量電聲性能指標(biāo)外,音頻信號(hào)的延時(shí)和同步指標(biāo)也非常重要。這里的延時(shí)是指信號(hào)源進(jìn)入到系統(tǒng)輸入設(shè)備,再經(jīng)過系統(tǒng)傳輸與處理,最終由輸出設(shè)備輸出,全鏈路整個(gè)過程的時(shí)間差,如圖4,這個(gè)值越小越好。同步是指當(dāng)兩個(gè)以上設(shè)備輸出同一個(gè)信號(hào)時(shí),彼此之間存在的時(shí)間差,如圖5,這個(gè)值也是越小越好。

        圖4 網(wǎng)絡(luò)化公共廣播的延時(shí)

        圖5 網(wǎng)絡(luò)化公共廣播的同步

        當(dāng)前廣泛使用的IP公共廣播系統(tǒng)一般基于OSI 7層架構(gòu)及完整的來自操作系統(tǒng)的協(xié)議棧,設(shè)計(jì)編程以頂層應(yīng)用為主,具有開發(fā)技術(shù)難度較低,可以廣泛兼容常規(guī)局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的特點(diǎn),但是由于缺乏網(wǎng)絡(luò)及媒體時(shí)鐘同步機(jī)制,以及針對(duì)時(shí)間敏感數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡讓觾?yōu)化措施,對(duì)于實(shí)時(shí)傳輸音頻信號(hào)而言,延時(shí)和同步的問題比較明顯。目前各公共廣播產(chǎn)品都有自己的一套協(xié)議組合,采用不同的技術(shù)路線,如A/D的采樣率、IP數(shù)據(jù)包的載荷長(zhǎng)度、緩存的大小等,對(duì)于延時(shí)和同步的指標(biāo)會(huì)帶來較大差異;除產(chǎn)品本身的硬件與軟件算法、協(xié)議有關(guān)外,還與設(shè)備使用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)。目前,網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)理想狀態(tài)下,延時(shí)普遍能達(dá)到的實(shí)測(cè)值是100~400 ms,在實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用中,很多時(shí)候各種網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)備混用在一個(gè)局域網(wǎng)中,通常延時(shí)要大于這個(gè)數(shù)值,使公共廣播系統(tǒng)的電聲指標(biāo)會(huì)大打折扣。以網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)中音頻信號(hào)源的播放為例,對(duì)于直接播放存于播放服務(wù)器的音頻文件,無需信號(hào)處理,延時(shí)??;對(duì)于實(shí)時(shí)采集的信號(hào)源,尤其是傳聲器輸入延時(shí)最敏感,其他類型的相對(duì)不太敏感,因?yàn)槁牨娍梢酝瑫r(shí)聽到講話者的直達(dá)聲和由傳聲器拾取經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣播還原的電聲信號(hào),如果延時(shí)過大將明顯影響聽音質(zhì)量,甚至聽到兩個(gè)聲音。而在聲音同步方面,同步性能對(duì)所有的信號(hào)類型都有影響,同步不好時(shí)會(huì)劣化聲場(chǎng)分布,降低語音清晰度,不同程度地影響到聽音效果。

        2 基于Dante的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

        2.1 系統(tǒng)原理

        為實(shí)現(xiàn)IP公共廣播系統(tǒng)低延時(shí)的音頻傳輸,一個(gè)有效的解決方案是選用專業(yè)擴(kuò)聲領(lǐng)域使用的網(wǎng)絡(luò)音頻協(xié)議,目前主流的傳輸協(xié)議有CobraNet、EtherSound、Dante、AVB等。其中,Dante具有完備的軟、硬件的解決方案,包括專用芯片和接入模塊(硬件)、控制管理軟件(API接口以及Dante Controller,見圖6)、虛擬聲卡(軟件,見圖7)等。目前,在各種類型的專業(yè)擴(kuò)聲、會(huì)議系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,其延時(shí)低、同步性好、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)應(yīng)用等特性決定了在公共廣播系統(tǒng)也具備很好的實(shí)用性。Dante虛擬聲卡能安裝在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,通過計(jì)算機(jī)本地網(wǎng)口,直接將計(jì)算機(jī)中錄放音文件數(shù)據(jù)流與Dante協(xié)議控制流進(jìn)行對(duì)接,極大方便了IP公共廣播系統(tǒng)的音頻文件播放及傳輸。圖8就是基于Dante數(shù)字音頻傳輸協(xié)議的低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)方案。

        圖6 Dante Controller

        圖7 Dante虛擬聲卡

        圖8 基于Dante的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)工作原理

        由于Dante協(xié)議是一個(gè)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字音頻傳輸協(xié)議,與通常意義的網(wǎng)絡(luò)流媒體傳輸機(jī)制不盡相同,因此基于Datne網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的公共廣播系統(tǒng)必須將系統(tǒng)中的兩類音頻信號(hào)源(見前文1.2節(jié))統(tǒng)一到Dante的傳輸方式和協(xié)議格式上。對(duì)于傳聲器、線路輸入、調(diào)音臺(tái)等輸入類設(shè)備的信號(hào),可以直接采用Dante SoC硬件模塊進(jìn)行采集。對(duì)于服務(wù)器音頻文件庫的輸出則有以下兩種方式。

        1)通過服務(wù)器的音頻播放軟件從聲卡輸出音頻信號(hào),再由DanteSoC硬件模塊封裝成Dante協(xié)議數(shù)字音頻數(shù)據(jù)包。這種方式由于采用硬件聲卡,在服務(wù)器信號(hào)源通道少的情況下,比較容易實(shí)現(xiàn),而當(dāng)服務(wù)器信號(hào)源通道達(dá)到幾十上百以上時(shí)面臨硬件復(fù)雜、成本高的問題,即使采用USB聲卡也是如此。

        2)采用純軟件實(shí)現(xiàn)廣播服務(wù)器音頻庫文件轉(zhuǎn)換為Dante網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流。如采用Dante VirtualSoundcard軟件,兼容ASIO驅(qū)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)多通道虛擬聲卡,音頻播放器輸出的數(shù)據(jù)流可以通過ASIO接口與虛擬聲卡耦合,將虛擬聲卡的音頻信號(hào)封包成Dante協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。這就意味著可以實(shí)現(xiàn)多通道Dante協(xié)議數(shù)據(jù)流,具有16×16、32×32、64×64,甚至更多通道。

        2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

        采用Dante協(xié)議實(shí)現(xiàn)低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖9所示。主機(jī)是系統(tǒng)的管理控制中心,自帶音頻文件庫,可根據(jù)終端的播放需求動(dòng)態(tài)開啟播放器,再由Dante虛擬聲卡封裝成Dante格式音頻數(shù)據(jù)流后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備分為信號(hào)輸入、信號(hào)輸出、輸入輸出混合3類,信號(hào)輸入類設(shè)備包括尋呼器、CD、收音機(jī)、傳聲器等,信號(hào)輸出類設(shè)備包括解碼器、有源揚(yáng)聲器、功率放大器等,輸入輸出混合類設(shè)備主要是有交互功能的對(duì)講終端。公共廣播系統(tǒng)除基本的音頻傳輸功能外,還必須具有系統(tǒng)管理和控制的功能,所有的控制功能均由服務(wù)器實(shí)現(xiàn),操作界面可以通過服務(wù)器的顯示屏、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端APP等方式實(shí)現(xiàn)。

        圖9 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

        基于Dante的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng),在硬件構(gòu)成上,只需把各終端核心從ARM SoC替換成DanteSoC模塊,就可實(shí)現(xiàn)Dante通信功能;在軟件方面,主機(jī)可以沿用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的定時(shí)管理和分區(qū)管理等基礎(chǔ)功能,只需將原來音頻文件流媒體傳輸方式轉(zhuǎn)換成基于Dante虛擬聲卡的多通道音頻播放方式,分區(qū)管理由服務(wù)器調(diào)用DanteAPI接口進(jìn)行,通過Dante網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令數(shù)據(jù)來完成流的切換,以及對(duì)各終端的DanteSoC芯片的控制。在千兆以太網(wǎng)條件下,系統(tǒng)可以達(dá)到1 024通道以上的分區(qū)規(guī)模。

        2.3 延時(shí)及同步的測(cè)試

        對(duì)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的音頻延時(shí)和同步時(shí)差的測(cè)量方法如圖10所示,測(cè)試信號(hào)由音頻播放器產(chǎn)生,內(nèi)容為自行制作的WAV音頻文件,總時(shí)長(zhǎng)為5 s,前2 s空白,接著10 ms是10 kHz/-10 dB正弦音頻信號(hào),最后是2 900 ms的空白,這樣設(shè)計(jì)的測(cè)試信號(hào)易于示波器捕捉。使用上述方法分別對(duì)一套低延時(shí)廣播系統(tǒng)和兩套不同品牌的網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果顯示:

        圖10 第三組吊掛主火炬示意圖

        圖10 同步和延時(shí)的測(cè)試方案

        1)基于Dante數(shù)字音頻傳輸協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng),延時(shí)低于6 ms,同步時(shí)間偏差低于0.5 ms,兩項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到比較理想的狀態(tài),詳見圖11;

        圖11 基于Dante數(shù)字音頻傳輸協(xié)議公共廣播系統(tǒng)的同步和延時(shí)測(cè)試結(jié)果

        2)普通協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)1,延時(shí)達(dá)到415 ms,同步時(shí)間偏差5 ms,詳見圖12;

        圖12 普通協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)1的同步和延時(shí)測(cè)試結(jié)果

        3)普通協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)2,延時(shí)達(dá)到276 ms,同步時(shí)間偏差5 ms,詳見圖13。

        圖13 普通協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)2的同步和延時(shí)測(cè)試結(jié)果

        3 基于Dante網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的應(yīng)用

        某音樂學(xué)院因?yàn)閷I(yè)特點(diǎn)對(duì)公共廣播系統(tǒng)的音質(zhì)有尋呼講話低延時(shí)、分區(qū)聲音同步、語言清晰度方面的高標(biāo)準(zhǔn)要求,校方對(duì)目前的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)不滿意,經(jīng)綜合對(duì)比后選用基于Dante網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng),系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D14,設(shè)備安裝調(diào)試后校方非常認(rèn)可本系統(tǒng)的音頻低延時(shí)和聲音質(zhì)量。

        圖14 基于Dante的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)應(yīng)用拓?fù)鋱D

        4 結(jié)語

        公共廣播系統(tǒng)的信號(hào)延時(shí)是一項(xiàng)重要指標(biāo),對(duì)于有傳聲器信號(hào)輸入需求的現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲系統(tǒng)尤其重要,文中介紹的基于Dante協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)在音頻延時(shí)和同步性等指標(biāo)上具有明顯優(yōu)勢(shì),同時(shí)具備公共廣播系統(tǒng)的應(yīng)備常用功能,可以滿足實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用需求。

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