硕士论文-网络数字音频公共广播技术的研究与应用.pdf

浙江工业大学 硕士学位论文 网络数字音频公共广播技术的研究与应用 姓名：傅越千 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：李章维 20081015 网络数字音频公共广播技术的研究与应用 摘要 传统的模拟音频广播技术可以方便地将音频信号从演播设备传输到用户终端，但在传 输大型广播系统的音频信号时存在一系列的问题，主要表现为：随着传输距离的增加，音 频信号的质量会急剧下降，信噪比、高频特性变得差；现代建筑物规模庞大，如何减少布 线成本和降低信号衰减已成为模拟音频广播系统中非常棘手的问题；分组广播、故障定位、 系统冗余等新功能在传统的模拟音频广播系统中难以实现。随着以太网实时应用技术的发 展，传统的模拟音频广播技术将逐步被基于以太网络传输的网络数字音频广播技术所取 代。 本文在总结分析C o b r a N e t 和E t h e r S o u n d 专利音频广播技术的基础上，提出了一种基 于以太网络传输的数字音频公共广播技术，适用于对实时性要求不高的音频公共广播。本 文的主要工作及成果如下： 1 文中研究了多种网络数字音频公共广播的相关技术，主要包括：低延迟的网络音 频数据传输方案、先进的网络数字音频公共广播传输协议、高性能的数字音频压缩方案、 系统的体系结构和冗余备份等，提出了一种基于音质控制的自适应抖动缓冲控制算法。 2 利用网络数字音频公共广播的整体技术方案，搭建了示范系统，研究开发了音频 控制服务器应用软件、基于N i o sI I 软核嵌入处理器和uC 0 S I I 实时操作系统的数字音 频广播终端和实时语音采集终端。 3 、详细介绍了基于pC o s I I 实时操作系统、H A L 库和L w I P 协议的终端设备软件设 计及基于S O P C 技术的终端设备硬件设计，可实现终端设备的软硬件在线升级，具有非常 广阔的产业化前景。 4 、网络数字音频公共广播示范应用系统涵盖了以下功能：传统广播系统所有功能、 动态分区播音、实时插播、移动播音、远程管理、实时监控等。 关键词：网络数字音频公共广播，片上可编程系统( S O P C ) ，N i o sI I 软核处理器， uC O S II 操作系统，轻量级I P ( L w I P ) R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n0 f I n t r a n e tD i g i t a lA u d i oB r o a d c a s tP l a t I - 0 r m A B S T R A C T A u d i os i g l l a l sc a l lb et r a n s m i t t e dc o n v e n i e m l yf 如mo n et e m l i l l a lt 0a n o t h e rb ym e t r a m t i o n a la n a l o g u ea l l d i ob r o 敏l c a s tt e c h l o l o g y H o w e V e r i tw i l lm e c tas e r i e so fp r o b l e m st o n _ 觚s 血ta u d i os i g n a l si l lal a r g e s c a l eb r o a d c a s ts y S t e m F i r s t l y ，t h ea u d i os i g l l a lq u a l i 吼 i n c l u d i n gs i 弘a l - t o n o i s er a t i oa I l dh i 曲一懿q u e n c yr e S p o n s ec h a r a C t e r i s t i c s ，w i Ud e c l i n es h a r p l y 谢t hm ei n c r e a s ei nt I I 觚s m i s s i o nd i s t a n c e S e c o n d l y ，d u et ot h ee x i s t e n c eo fh u g em o d e m b u i l d i n g s ，h o wt or e d u c et h ew i r i n gc o s ta I l dd e c r e a S et h es i g n a l 扰e n u a t i o ni n2 u l a l o g u ea u d i o b r o a d c a S ts y s t e mi sat r o u b l e s o m ep r o b l e m T l l i r d l y ，i ti sd i m c u l tt or e a l i z es o m en e wm n c t i o n s ， s u c ha Sp a C k e tb r o a d c a S t ，f a u l t1 0 c a t i o n ，s y s t e mr e m m d a n c ya 1 1 ds oo n W i mt h ed e V e l o p m e n to f m eI m 瑚l e tr e a l t i m e 印p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e 仃a m t i o n a la 1 1 a l o g u ea u d i ob r o a d c a S tt e c h n o l o g y w i Ub er e I ) 1 a c e db yt h eI D B Pt e c h m q u eg r a d u a l l y I l lt h i s p a p e r ，b a s e do n 也ea n a l y s i so fC o b r a N e ta n dE t h e r S o u n da u d i ob r o a d c a S t t e c l l I l o l o g y ，w e i n 订o d u c e dal ( i n do fI n t r 鲫e t D i g i 诅lB r o a d c a S tP l a t f o m ( I D B P )谢m i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o r t h ea u d i op u b l i cb r o a d c a s tw i ml o w r e q u i r e m e n to fr e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i c s T h em a i nw o r ka 1 1 dt h er e s u l t sa r ea Sf o l l o w s ： 1 T l l et e c h I l i c a lp r o p o s a lo fI D B Pi si I l 仰d u c e d T h ep r i m a r ) rt e c h n i q u e si n C l u d e ： l o w - d e l a y e di 棚：r a n e ta u d i od a t ac o 瑚豆n l l l l j c a t i o ns c h e m e ，a d v a n c e da d a p t i V ej i t t e rb u f f e r i n g c o n n o la l g o r i t h m ，印p l i c a b l eI D B Pp r o t o c o l ，h i 曲一p e r f o n n a l l c ed i g i t a la u d i oc o m p r e s s i o n s c h e m e ，s y S t e m a t i ca r c h i t e c t u r e 跚l dr e d m l d a r l c yb a c I 呻 2 B a s e do n 恤I D B P t e c l l n i q u e ，as u i to fd e m o n s t r a t i n gp r o t o t y p ei sb u i l t Ak i n do f a u d i o s e r v e rc o n 仃o ls o R 眦鹏w i t l li n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si sd e s i g n e d ，a 1 1 dm et e 衄i n a l e q m p m e mo fI D B Pa n dr e a l t i m ea u d i od a t as 锄p l i n gb a S e d0 nt h eN i o sI Is o Rc o r e 锄b e d d e d p r o c e s s o r 趾dp C ，O S - I Ir e a l - t i r r l eo p e r a t i n gs y s t e ma r ed e V e l o p e d 3 T h es o R w a r ed e s i 皿o ft e m i n a le q u i p m e n tb a s e do n “C o S I Ir e a J t i H l eo p e r a t i n g s y s t e m ，H A L ( H a r d w a r eA b s t r a c t i o nL a y e r ) l i b r a r y 觚dL w I P ( “g h 僦e i g h tI P ) p r o t o c o li s i n t 】r o d u c e di I ld e t a i l ，a n dm eh a r d w a r ed e s i 印o ft e r m i n me q u i p m e n tb a s e do nS O P C ( S y s t e mo n P r o 则a b l eC 1 1 i p ) t e c h I l i q u ei sd e s c 抽e d D u et ot h e0 n l i n eu p d a t eo ft h eh a r d 袱鹏s o R 眦鹏 d e s i g na n dt I l ei n d e p e n d e mi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，m ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no fm et e c h l l i q u c i sp r o s p e c t i v e 4 1 1 l ef m c t i o I l so f l ed e s i g n e dI D B Ps y S t e mi 1 1 c l u d e ：a 1 1t l l e 劬c t i o n So f 仃I d i t i o n a l b r o a d c a s ts y s t e m ，d ) ，I l a 础cp a r t i t i o nb r o a d c a s t ，r e a l 一t i m e 缸e r c u tb r o a d c a s t ，m o b i l eb r o a d c a S t ， r c m o t em a I l a g e m e n t ，r e a l t i m em o I l i t o r i n g K e yW o r d s ：h l t r a l l e tD i g i t a lB r o a d c a S tP l a t f o m ( I D B P ) ，S y s t e mo nP r o 伊a m m a b l e C l l i p ( S O P C ) ，N i o sI Is o Rc o r ee m b e d d e dp r o c e s s o r ，川C O S I Io p e r a t i n g s y s t e m ，L i 西m e i g h t I P ( L w I P ) 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 鹰出于 日期：夕够年，月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密咣 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名泛参锨 日期：碑肛月彳日 日瓤：妒看沣| 只| 宫B i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 目前，音频公共广播系统大量采用模拟音频技术，其信号的传输采用专用的模拟音频 电缆和传输设备。随着计算机技术特别是网络技术的发展和广泛应用，人类的生产和生活 发生了深刻的变化，网络已成为人们信息传输的重要渠道。通过网络技术实现数字音频广 播信息的传输、分配和监测是音频广播技术发展的必然趋势。音频技术的数字化、网络化 作为一种日益成熟的技术，将会成为音频公共广播技术的发展方向。 1 1音频公共广播技术的发展 音频公共广播技术的发展经历了模拟音频公共广播技术、数字音频公共广播技术和网 络数字音频公共广播技术等三个阶段【1 】【2 】。 1 1 1 模拟音频公共广播技术 在传统的模拟音频公共广播技术中，传输的信号都是模拟信号。模拟信号可以很方便 地从演播设备传输到广播终端，但将其作为一个大型公共广播系统的传输信号时，将会产 生一系列的问题。 首先，信号衰减和串扰控制困难。随着传输距离的增加，模拟音频信号电平的衰减也 随之增加，这使得信号的信噪比、系统的高频响应变得越来越差，通道之间的串扰变得越 来越大。在一些项目中，建筑物的规模越来越庞大，比如机场、奥运会场馆、主题公园、 城市地铁等，各单体建筑物之间相距很远，可能相距几百米或几公里，如果采用以往模拟 音频线路布线，长达几公里的布线成本、信号衰减和串扰将成为工程商很棘手的问题。 其次，音频信号分组控制困难。现代建筑物单体规模越来越大，不同广播内容针对的 广播区域各不相同，有些信息对整个区域进行广播，有些信息必须分区域广播( 如高层建 筑物的火警广播) ，这就要求广播系统具有分区广播功能，并可实现动态分区。传统的模 拟信号必须经过专用线路进行传输，同一总线内的广播信息完全相同，要实现分区广播就 不能采用总线结构，使施工难度和线缆成本成倍上升，而动态分区还需配备大容量的音频 切换矩阵，使系统的复杂性和制造成本进一步提高。 再次，音频公共广播系统维护困难。由于传统的音频公共广播技术是基于单向传输的， 使其几乎无法自动定位故障的位置，只能通过人工巡查实现。随着，大规模建筑物大量涌 浙江工业大学硕士学位论文 现，这种维护方式必将浪费更多的人力物力，使维护成本大幅提高。现实需要能实现自动 诊断，自动故障定位的智能音频公共广播系统。 1 1 2 数宇音频公共广播技术 数字音频公共广播技术是对传统模拟音频公共广播系统中的局部模拟设备进行数字 化升级改造。如将播音室的模拟调音台更换成数字调音台；大量采用带有A E S E B U 数字 接口的C D 、M D 、数字延时器等音频设备。这种广播系统的音频信号是基于数据信号分 配的，具有较强的抗干扰能力，传输差错也得到了有效控制，稳定性较好，技术成熟。但 它仍需要敷设大量专用的数字音频电缆，而且存在线路复杂、传输过程大量使用音频广播 专用设备、制造维护成本高等缺点。 1 1 3 网络数字音频公共广播技术 网络数字音频公共广播技术( I n t r a n e tD 珥t a lB r o a d c a u s tP l a t f o m ) 简称为I D B P 。该技 术主要应用于大型公用广播系统，如校园、主题公园、大型体育场、大型音乐中心、智能 大厦、机场、地铁等大型建筑物内的音频广播。该技术采用当今世界最广泛使用的以太网 络技术，将音频信号以标准的I P 包在以太网中进行传输，彻底解决传统公共广播系统中 存在的音质不佳，易受干扰，维护管理复杂，缺乏互动性等问题。同时，采用多路定向寻 址等技术实现对广播节目播出、接收的智能化管理，如：按预排节目表自动广播，选择全 部、部分或特定区域进行定向分组广播，分组授权调用接收或强制接收等等，突破了传统 模拟公共广播系统只能对全部区域或固定区域进行公共广播的局限，是目前公共广播技术 的发展方向。 1 2 网络数字音频公共广播技术的特点 与其它音频公共广播技术相比，网络数字音频公共广播技术具有以下特点： l 、更强的灵活性 以太网在传输数字音频信息的同时，还可以传输控制信息，从而对系统的分组模式和 重复信息、文本信息、邮件信息等进行智能化管理。如在大厦的火警广播时，为实现人群 的分批疏散，应采用分区域警告。传统的广播系统一般采用多组总线分别对各层进行控制， 只能实现固定分组广播，灵活性较差。采用网络数字音频公共广播技术则可通过控制信号 实现音频广播终端的动态分组，从而实现动态分区域广播，提高了系统的灵活性。对于重 浙江工业大学硕士学位论文 复信息、文本信息、邮件信息的处理则可由音频控制服务器直接播发对应的音频信息，而 不需要人工的干预。 2 、更好的音质 网络数字音频公共广播从节目的制作到传输全部实现了数字化、网络化，其音质只受 到数字音频的量化和编解码算法的影响( 是可控的) ，不会在传输环节中产生噪声和串扰， 从而可以获得比较好的音质。 3 、更高的可靠性 在网络数字音频公共广播系统中，冗余备份和容错设计非常容易实现。通过合理设计， 当系统检测到任何音频广播终端或者网络电缆发生故障，都可以进行应急切换，保证系统 继续运行。在网络管理方面，可以在中心机房或任何需要的地方设置专门的监控服务器， 对网络上所有的设备进行监控，如果有设备发生损毁，在应急切换的同时也可以给出报警 信号，比如监控服务器上原先的绿灯变成红灯，或者发出电子邮件、B P 机呼叫和手机短 信，提请工程师注意进行系统维护。对系统进行中央监控可以节省大量的时间和劳力，尤 其是当网络数字音频公共广播技术应用于大型场馆的情况。 4 、更简单的安装 随着信息经济的不断发展，网络系统已成为智能大厦的标准配置。基于网络传输的数 字音频公共广播系统作为一种网络终端设备，可方便地嵌入到原有的网络系统中，从而省 却线缆敷设和传输设备的安装，使系统成本进一步降低，安装更加便捷。系统中添加一个 数字音频公共广播终端或主机只需将信息点连接到需要添加的设备，就像在网吧中新增一 台电脑那么简单，不需要繁重的体力劳动来搬动机柜机架，更不需要繁琐的重新焊接线头 之类的工作。 5 、更低的价格 网络数字音频公共广播的传输采用标准网络传输设备，而不是采用专用的数字音频传 输设备。目前局域网和广域网都是基于以太网构建起来的，以太网传输设备已大量应用于 生产和生活，价格已降低到令人瞠目的地步。将其引入到公共广播系统，很多现成的网络 设备均可直接使用，不存在兼容性的问题，这使得广播系统的造价大为降低，甚至低于同 档次的模拟音频公共广播系统。 基于网络传输的数字音频公共广播系统可以方便地应用于已建成的以太网系统中，采 用成熟的综合布线技术、网络传输设备，传输协议，保证了系统的可靠性、灵活性、兼容 性和可扩展性，是一种新型的智能数字音频公共广播系统。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 课题国内外研究现状 到目前为止，网络数字音频公共广播技术尚未形成相应的国际标准和国家标准。目前， 占主导地位的主要是美国尖峰音频( P e a l 【蝴i o ) 公司的C o b 洲e t 技术和法国数码 ( D i g i 鲫n ) 公司的E m e r S o u l l d 技术。目前包括P e a v e y 、B o s e 、B O S C H 、Y A M 川队、E A W 、 P o 、e r S o R 等国际一流音频设备公司的网络数字音频公共广播系统的整体解决方案都是建 立在这两类专利技术之上的。 国内尚未见到关于“网络数字音频公共广播技术”开发完成的相关报道，大量的应用是 建立在C o b r a N e t 或E t h e r S o u n d 技术上的国外产品的系统集成。目前，我国的网络数字音频 公共广播技术尚处于起步阶段。 1 3 1C o b r a N e t 网络数字音频公共广播技术 美国P e a l ( A u d i o 公司开发的C o b r a N e t 音频网络技术是一个申请了专利的音频电信号的 传输技术，可在1 0 0 M b i t 快速以太网上实时地发送和接收高质量的数字化了的非压缩多路音 频电信号【3 】。它在悉尼2 0 0 0 年奥运会主会场的扩声及广播系统中得到应用。与传统使用音 频电缆的模拟方式相比，该技术使管线工程所需成本大幅下降，信号传输路径的灵活性增 强，借助于防错设计，信号在网络上传输具备一定的修复功能。由于音频电信号在网络上 以标准互联网包的形式传递，基于其数字化的基本特征，动态范围、信噪比、失真系数、 频率响应等技术指标均大大高于模拟方式。 C o b 神、e t 是一个软件、硬件和网络技术规则相结合的数字音频公共广播技术，可提供 网络广播、多路分区播音、自由点播、移动播音等网络数字播音的各种功能，并已有大型 的应用实例。C o b r a N e t 技术应用的代表是美国百威媒体矩阵( M e d i a M 嘶x ) 的系列产品。 在实际应用中仍有如下问题： ( 1 ) 成本昂贵，只能应用于高端系统中。C o b r a N e t 是一种专利技术，其价格包括C o b r a N e t 模块的成本、预先支付的技术许可费和每一轨道所需的专利使用费。 ( 2 ) 属于准专用音频网络技术。C o b r a N e t 技术传输使用流行的以太网布线技术和网络设 备( 如交换机等) ，但它不能简单地融入基于T C P I P 协议的通用局域网，而只能建立一个 在空间上独立于普通局域网之外的专用音频广播网。 ( 3 ) 采用非压缩音频数据流进行传输，最大音频通道不能超过6 4 个【4 】。为了保证音频信 号的不失真，C o b m N e t 技术采用非压缩格式传输音频数据，从而占用了大量的网络带宽， 在1 0 0 M b i t 的快速以太网中最多只能提供6 4 个音频通道。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 传输的延迟仍有待改善。在网络传输当中有一个致命的难题一网络延时问题。对于 典型的公共广播系统，延迟不一定是问题；在现场语音广播、双向信号传输及其它类似的 应用中，轻微的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，如现场的实 况应用、音乐厅和演播室应用等，这些延迟对系统而言是不可以被接受的而且是灾难性的， 这也就是C o b 洲e t 的技术为什么一直不能在现场应用的原因所在。 1 3 2E t h e r S o 岫d 网络数字音频公共广播技术 E t h e r S o u I l d 技术是D i g i g r 锄公司拥有专利的网络数字音频广播技术。与C o b r ：荆e t j 支术相 似，它仍然是一种准专用的以太网络系统，可支持6 4 路采样率为4 4 1 或4 8 K H z 、2 4 比特数 字音频信号的网络广播。此技术具有单向音频信号流、双向控制和状态数据功能，并基于 主从设计【5 J 。 E t h e r S o u n d 是根据标准的以太网框架构建的，允许此系统使用现成的以太网硬件( 如 交换机和路由器等) 扩展系统功能。E t h e r S o u I l d 网可以配置为菊花链、星形或混合式拓扑 结构。 E t h c r S o u n d 技术提供了一种独特的办法来满足专业音频机构的严格要求。它选用低电 平以太网机架结构，而不是采用标准I P ，以减少系统延迟。在E t h e r S o u n d 链路上的每台设 备只有1 2 2 u 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，未超出实时监听的 可接受范围。D i g i 掣锄将E t h e r S o u I l d 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。 澳大利亚N o r w e s t P r o d u c t i o n s 音频制作公司选择了E m e r S o 吼d 技术用于在悉尼T e l s 缸a 体 育场的“世界杯橄榄球赛”开幕式和闭幕式声音扩音。三个菊花式链接的E t h e r S o u I l d E S 8 i n 单 元，将前台调音台的2 4 路模拟音频信道转换成2 4 路E t h e r S o u I l d 信道，然后通过以太网流传 送到扩音音箱，通过光纤线路连接到中央声音控制室，并下传到由光纤C A T 5 混合布线的 两条线路，到达东区和西区的音箱，这是E t h e r S o u n d 技术一个应用实例。 1 4 课题来源和研究目标 本课题得到宁波市自然基金资助，研究的网络数字音频公共广播系统主要应用于各类 大型建筑物内的准实时需求的数字音频公共广播，如校园、主题公园、智能大厦、机场、 地铁等的公共广播。数字音频信息以标准音频压缩格式通过标准以太网进行传输，系统传 输信道中的所有设备均使用标准以太网设备。在这种背景下，本课题应满足以下性能要求。 浙江工业大学硕士学位论文 1 、传输媒体的标准性 为降低系统成本，增强系统的可靠性和可扩展性，数字音频传输媒体使用成熟的以太 网综合布线技术、交换技术和传输设备。 本课题使用的传输网络遵循E I 刖T I A5 6 8 A 或E I f T I A5 6 8 B 快速以太网布线标准，主 要使用各类三层、二层交换机、集线器、路由器等网络设备，可通过虚拟局域网( V L A N ) 技术将所有网络数字音频公共广播设备划归到一个专用的音频虚拟局域网中进行工作。 2 、音频格式的标准性 为降低音频信号在网络传输中的带宽，增强灵活性，保证通用性。系统传输的非实时 数字音频信息采用流行的音频压缩格式，主要包括M P 3 、眦、W A V 等音频格式，在 播放前，由各数字音频广播终端负责解码。为提高语音编解码速度，保证实时性，实时数 字语音信息则采用较为简单的A D P C M 或P C M 音频格式。 3 、音频品质 网络数字音频公共广播从节目的制作到传输全部实现了数字化、网络化，其音质只受 到数字音频的量化和编解码算法的影响，不会在传输环节中产生噪声和串扰，从而可以获 得比较好的音质。 非实时音频( 如背景音乐) 的品质由生成的M P 3 、眦文件决定，数字音频公共广播 终端最高可对1 2 8 K B P S 码流的M P 3 或w M A 数字音频文件进行解码，达到C D 品质。实时语 音音频( 如现场发言) 达到8 K H z 、1 6 位双声道采样和回放的语音标准。 4 、实时性 在广播系统中，根据音源的性质可分为实时音频和非实时音频两种类型。对已录制好 的音频信息，如M P 3 、C D 、磁带等音源，其传输可采用异步缓冲方式，对实时性要求不高。 对现场音乐、发言等音频信息，系统必须有较强的实时性。 目前，标准以太网的传输速率可达到1 0 0 M b s 甚至1 0 0 0 M b s ，远快于任何现场总 线系统。但网络延时是其致命的难题，标准以太网的I E E E 8 0 2 3 通信机制，使其虽有很高 的传输速率，却不能保证通信的实时性。 本课题研究的对象主要应用于非实时需求的公共广播系统，但仍有部分现场播音等一 些对音质要求一般、实时性相对较低的准实时需求，在系统设计中应加以考虑。参考 I T U T G l l 4 规定，对于高质量语音可接受的时延是3 0 0 m s ，优良为1 5 0 m s 。 5 、广播终端数 根据课题立项申请书，可管理的广播终端数为6 4 路，必要时可扩充。 浙江工业大学硕士学位论文 6 、主要功能 涵盖传统广播系统的所有功能，增加动态分区、分区广播、计划广播、移动播音、实 时监控等新功能。 1 5 主要研究内容 本课题研究的内容包括两个方面：网络数字音频公共广播技术的研究、基于研究成果 的具体系统设计和应用。 1 5 1网络数字音频公共广播技术的研究 网络数字音频公共广播技术是一种集软件、硬件和网络传输相结合的公共广播技术。 其中网络传输是本技术的核心，主要包括以下几个方面： 1 、系统结构 为实现网络数字音频公共广播，系统物理结构采用以太网的拓扑结构( 星型拓扑结构、 星云拓扑结构等) ，在逻辑上采用主从式结构。主设备是唯一的，用来协调系统工作。 2 、数据通信协议 本课题提出符合网络数字音频公共广播的数据通信协议，所有采用本技术的网络数字 音频公共广播设备都将按照该协议进行信息交换，可以说数据通信协议是网络数字音频公 共广播技术的核心。课题将对各种报文的格式、内容和应用方法提出详细的规范文档。 3 、准实时广播技术 如前所述，由于标准以太网的I E E E 8 0 2 3 通信机制，使其虽有很高的传输速率，却不能 保证通信的实时性，这会引起数字语音信息传输的延迟和抖动。本课题将分析影响网络传 输实时性的原因，通过实验获得在消除音频抖动和保证数字语音传输实时性前提下的最佳 缓冲区数量，研究自适应抖动缓冲控制算法，提出在音频以太网中实现数字语音信息实时 传输的方法。 1 5 2 网络数字音频公共广播系统的设计与应用 将网络数字音频公共广播技术推向实际应用，构建一个完整的网络数字音频公共广播 系统，主要研究内容包括网络数字音频公共广播系统的组成和工作原理、音频控制服务器 的软件设计、数字音频广播终端和实时语音采集终端的软硬件设计等几个方面。最终目标 是完成具有自主知识产权的软硬件技术，并构建示范性的样机系统。 浙江工业大学硕士学位论文 1 6 论文的组织结构 第一章，介绍音频公共广播技术的发展过程，分析网络数字音频公共广播技术的优势 和研究现状，提出课题来源、研究目标和主要研究内容。 第二章，介绍网络数字音频公共广播系统的相关知识及关键技术，主要包括音频以太 网的结构，高性能的自适应抖动缓冲控制算法，实时音频网络传输技术，网络音频广播通 信协议，音频格式的选用及其解码方案等。 第三章，介绍基于S O P C 技术的数字音频广播终端的硬件设计，主要包括基于N i o sI I 软核处理器的S O P C 系统设计，详细说明了系统基本硬件、网络接口、音频解码接口、双 核处理器系统等的S O P C 实现，部分内容给出了用V e r i l o gH D L 语言实现硬件的源程序。 第四章，介绍数字音频广播终端的软件设计，主要包括p C O SI I 操作系统的移植，网 络通信规约文本，系统任务功能，数据结构，音频编解码算法、双核处理器信息交换的软 件实现等。 第五章，介绍实时语音采集终端和音频控制服务器的软件设计。由于P C 的软硬件环境 难以控制，对实肘语音采集、编码效果不大理想，故引入了实对语音采集终端，其硬彳牛和 软件与网络数字音频广播终端相类似，本章对其进行了简要说明。音频控制服务器采用P C 机实现，主要介绍了音频流的网络传输和人机对话控制界面的编程。 第六章，总结与展望，对整个系统的研究和设计进行了总结，指出了需要完善的部分， 以及可以扩展的新功能。 浙江工业人学硕士学位论文 第2 章网络数字音频公共广播的关键技术研究 2 1网络数字音频公共广播系统的组成 图2 1 网络数字音频公共广播系统结构示意幽 网络数字音频公麸广播系统主要由以太网、数字音频广播终端、实时语音采集终端和 音频控制服务器组成，其结构如图2 1 所示。数字音频广播终端、实时语音采集终端经由 网络交换机和音频控制服务器组成了一个音频局域网络。在这个音频局域网络中，一切的 音频信号分配都由音频控制服务器进行，广播的音频信息可以分为非实时音频和实时语音 两大类，其中非实时音频以数字音频文件的形式存放在音频控制服务器中，服务器负责将 音频文件通过音频以太网分发到各数字音频广播终端，实时语音则由实时语音采集终端负 责对现场语音的量化、编码和网络传输，实时语音采集终端接受音频控制服务器的管理。 数字音频广播终端负责对数字音频文件和实时数字语音信息的接收、存储和解码，最终以 模拟音频形式输出到扩声系统。音频控制服务器负责数字音频文件的分发，对实时语音采 集终端的管理、数字音频广播终端的动态分组，数字音频_ r 播终端的工作状态切换，巡回 检测所有数字音频广播设备的完好性，实现冗余备份和容错技术等。音频嗍绍传输设各采 用标准以太网设备，主要通过交换机的集连实现。 2 2 网络数字音频公共广播系统的网络拓扑 般应用中，在音频以太网络中不再加入其它与网络数字音频公共广播系统无关的网 9 浙江r 业人。 硕士学位论文 络终端设备，其拓扑结构可使用星型结构、环形结构、总线刑结构或星形总线形混合结构 中的任何一种以太网拓扑结构。如果音频广播网络是作为一个大型局域网的一部分( 立u 校 吲M ) ，则可阻通过三层交换设备将音频以太网在逻辑上划归到个虚拟局域刚( V L A N ) 中，其物理结构仍遵循原删络的拓扑结构。 由于各类音频数据流是通过音频控制服务器和实时语音采集终端向各数字音频r 播 终端分发的，基于传输速率考虑，对广播点密集的小区域系统推荐采用星形结构，对广播 点疏散的大范围系统推荐采用星形总线形混合结构。 p 蔼 K T，匝i 墨器嚣 = 譬 刨，婚 ( a ) 电L i H “删络( h ) 提型音频刚络 图2 2 星H 络结构 星型结构是一种最古老的连接方式，每天都使用的电话就属于这种结构 6 】，直图2 - 2 所示。其中罔2 2 ( a ) 为电话网的星型结构，图2 2 ( b ) 为星型音频以太网结构，处于 L l 心位置的网络设备般采用交换机或集线嚣。这种结构便于集中控制，因为端用户之删 的通信必须经过中心站，端用，t 设备冈为故障而停机小会影响其它端用广州的通信，仳这 种结构非常不利的一点足，巾心系统必须具有极高的叫靠惟，田为r r 】心系统一旦损坏，整 个系统便趋于瘫痪，为此在必要时音频控制服务器町采用双机热备份，以提高系统的可靠 性。这种拓扑结构的音频网络具有以下优点： ( 1 ) 容易实现。它所采用的传输介质般都是通用的五粪双绞线，这种传输介质相对十 M 轴f U 缆或光缆来| 兑比较便宜，简易实现，广泛成用于I E E E8 0 22 、I E E E8 0 23 标准的以 太局域网。 ( 2 ) 节点扩展、移动方便。节点扩展时只需从交换机或集线器等集中设备巾增加条连 线即可，而要移动一个节点只需要把相应竹点设备移到新肖点上即可，而不会像环型网络 那样“牵其一而动全局”。 _ 曷一 一nf雷I I | 坠 T _ I 型 浙江工业： ：= 学硕士学位论文 ( 3 ) 维护容易。一个节点出现故障不会影响其它节点的连接，可任意拆走故障节点，对 系统不会产生其它影响。 ( 4 ) 有利于广播信息的传输。整个网中的节点都可以接收到任何一个节点发送的信息， 这在网络应用中存在着一定的隐患，但应用于音频广播网络中却恰是音频广播数据的主要 传输方式，可提高实时性。而且在使用交换机的网络传输中可有效控制广播风暴，保证端 对端的独有带宽。 圈23 混台犁网络结构的数字音频广播系统 混台型网络拓扑结构是由星型结构和总线型结构的网络结合在一起的网络结构，这种 拓扑结构更能满足较大型网络的拓展，解决星型网络在传输距离上的局限而同时又解决 了总线型删络在连接用户数量的限制【“。这种网络拓扑结构同时兼顾了星型网络与总线型 网络的优点，在缺点方面得到了一定的弥补。这种网络拓扑结构示意图如图2 _ 3 所示。 混合型网络拓扑结构主要用于较大型的局域网络。如果一个单位由几栋在地理位置上 分布较远的建筑物组成，单纯采用星型网络来组成整个单位的局域网络，受到星型网传输 介质( 双绞线) 的单段传输距离( 1 0 0 m ) 限制，很难成功；同时也很难承受大型单位计 算机网络规模的需求。结合两种拓扑结构，在同一栋楼层采用双绞线的星型结构，不同楼 层采用同轴电缆或光缆的总线型结构，而在楼与楼之间采用总线型结构。传输介质视楼与 楼之间的距离，如果距离较近( 5 0 0 m 以内) 可以采用粗同轴电缆实现，在1 8 0 m 之内还 可以采用细同轴电缆实现，更远的距离可采用单模光缆进行传输。这种布线方式是常见的 综合布线方式，该方式有以下儿个方面的特点： ( 1 ) 应用相当广泛。主要是因为它解决了星型和总线型拓扑结构的不足，满足了大区域 音频组网的实际需求。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 扩展相当灵活。主要是继承了星型拓扑结构的优点。但由于仍采用广播式的信息传 送方式，所以在总线长度和节点数量上也会受到限制，不过在局域网中不存在太大的问题。 ( 3 ) 网络传输速率受到一定的限制。具有总线型网络结构的网络传输速率会随着用户的 增多而下降的弱点，但使用光缆作总线传输可有效解决此问题。 ( 4 ) 较难维护。这主要受到总线型网络拓扑结构的制约，如果总线损坏，则整个网络也 就瘫痪了，但是如果是分支网段出了故障，则仍不影响整个网络的正常运作。必要时将总 线部分构成环形，可提高其可靠性。 2 3网络数字音频公共广播的实时性分析 在广播系统中，根据音源的性质可分为实时音频和非实时音频两种类型。对已录制好 的音频信息，如M P 3 、W M A 、C D 、磁带等音源，其传输可采用异步缓冲方式，对实时性 几乎没有要求。对现场音乐、发言等音频信息，必须保证具有较强的实时性。作为一个公 共广播系统，其广播信息主要是非实时需求的音频文件，但仍有一些对音质要求不高的实 时语音广播( 如现场发言) ，它对网络音频传输有一定的实时性要求。 对现场发言等具有实时需求的网络语音数字广播的基本过程是：语音采集、语音编码、 语音数据按网络协议的标准打包、经过以太网络把数据包发送到数字音频广播终端、语音 数据重组、语音解码、语音恢复等。在上述过程中，音频信号的延迟可分为四个方面：( 1 ) 语音采集和恢复时延，由实时语音采样终端和数字音频广播终端的软硬件引起。( 2 ) 缓冲时 延，由发送端缓冲区排队等待时间、接收端拆包引起的时延和消除语音抖动的缓冲时延所 决定，其中消除语音抖动的缓冲时延起决定作用。( 3 ) 语音编解码时延，由语音编码算法引 起，根据算法复杂性、处理器的运算能力和编解码方法的不同，其值不同，一般在5 4 0 m s 左右。“) 网络传输延迟，由数据通过网络传输到达目的地所需的时间，它和网络的拓扑结 构、路由选择、通信协议、终端数量等有关。 参考I T U - T G 1 1 4 规定，对于高质量语音可接受的时延是3 0 0 m s ，优良为1 5 0 m s 。 2 3 1 实时语音编码 在公共广播系统中，传输的音频信息主要是非实时音频，如背景音乐、预录制的播音 等，实时音频主要是现场发言、应急广播等对音质要求不高的语音信息，考虑语音编解码 运算的复杂性和构成实时语音采集终端、数字音频广播终端的嵌入式处理器的运算能力， 对实时数字语音采用非压缩的P C M 编码和压缩的A D P C M 编码两种格式。 浙江工业大学硕士学位论文 音频信号的变化包括时域和幅度域的变化。在数字音频公共广播系统中，必须对原始的 模拟语音信号通过采样和量化，转换为数字语音信号。通过采样，把连续的时间信号转换成 离散的时间信号，实现时域的离散化；再通过量化，把采样得到的信号幅值转换成数字的离 散的幅度值，实现幅度域的离散化，这一过程也称为A D 转换。语音信号作为音频信号的一 个子集，采集低于4 K H z 的音频对处理可理解的重建语音信号已经足够了【7 1 。根据奈奎施特 采样定理，采样频率至少为信号中所包含的最高频率的2 倍，以避免混叠效应，因此，对实时 语音信号采用8 K H z 的采样频率。 在量化过程中，有一定数量的误差或失真引入到样本值中，这种误差称为量化噪声。对 同样幅度范围的信号，量化等级决定了量化后信号的质量。量化等级数目越多，即采用二进 制数表示幅度的位数越多，量化噪声就越小，反之，量化越粗糙，即采用的码位越少，则恢复后 的语音信号与原始信号之间的误差损失越大。为了保证输入信号的动态范围，而又要使量化 噪声小，这就要求增加每个样本的位数。量化噪声还决定了所能达到的最大信噪比( 当然， 滤波器和模拟处理过程等也会引入一些附加的噪声) 。信噪比通常用d B 数表示。定义为： 口C s = l o 昭( ，2 = 2 0 D g ( 习 ( 2 1 ) Hn ? 其中s 为信号电压值，n 为噪声电压值。从公式2 1 中可以看出，信噪比与量化比特数成正 比。当量化噪声为l 比特时，意味着在量化过程中量化精度每增加一个码子，信噪比将增加大 约( 2 0 L o g ( 2 ) = ) 6 d B 。本课题中实时语音采样使用1 6 位双声道采样，最大信噪比达9 6 d B 。 P C M ( P u l s eC o d eM o d u l a t i o r l ) 脉冲编码调制数字音频格式是7 0 年代末发展起来的，8 0 年 代初由飞利浦和索尼公司共同推出。P C M 基本工作原理即