（信号与信息处理专业论文）网络实时音频分配单元的研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术特别是网络技术的迅速普及和发展，高质量的多路音频分配 己成为广电行业、大型馆场、大型楼宇广播、大型娱乐会场馆的最基本需求。传 统的模拟分配已经远远不能满足现代化的广播对分配和控制需求，数字化和网络 化分配方式是必然发展趋势。 网络实时音频分配单元是指音频分配的网络化设计，通过将采集到的模拟信 号转换成数字信号，然后f p g a 进行协调各个模块之间的交互工作，最后采用数 字信号处理单元将音频信号封装、传送到接收地，从而达到了实现音频信号的网 络化分配的目的。基于此，本文的主要工作如下： 1 在分析了已有音频技术的方法的基础上，引进了先进的网络数字化音频技 术，研究了多个网络音频传输设备组网的方案。根据模拟信号的数字处理的较为 现实的模型，提出了各个模块的功能实现，模块化设计方法容易实现。 2 设计了一个硬件系统，包括数字音频处理器，以太网控制器，f l a s h ，多路 音频输入、输出模块，l e d 多路音频监测模块。本文通过采用数字音频处理器、 以太网控制器、f l a s h 的结合将音频信号封装成标准的以太网报文送入网络，并将 数据传送到接收地，再对信号解封装处理后，恢复成原来的音频信号，从而达到 了实现音频信号的网络化分配的目的。其次本文重点研究和设计了音频输入、输 出模块。 3 编写了v h d l 程序，通过实现数字信号处理单元的端口信号输入控制、 a d 转换模块的校验、d a 转换模块的消音等等处理来实现f p g a 与数字信号处 理单元的交互；通过1 6 路音频信号的路由，a d 输入模块的立体声音频转换为单 声道、i i s 音频信号的并行处理，音频信号的状态比较，实现了多路音频的强度显 示。 总之，通过多路音频输入、输出模块、数字音频信号处理单元、和f p g a 各 路音频监测电路，实现了高质量的音频信号的数字化分配以及各路音频信号的强 度监测功能。同时，模块化的软硬件设计使本系统便于进行二次开发，快速应用 于各种场合。通过测试，网络实时音频分配单元的设计达到了设计要求。 关键词：以太网，数字信号处理，各路音频信号监测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i t ya n dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k , e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to f e t h e m e t , h i g h - q u a l i t y - m u l 卸l e - c h a n n e la u d i ot r a n s m i s s i o ni st h eb a s i cd e m a n df o rt h e b r o a d c a s ti n d u s t r y , b i gs t a d i u m , h i g hb u i l d i n gb r o a d c a s t , a n db i ge n t e r a l n m e n tp l a t h et r a d i t i o n a la n a l o gt r a n s m i s s i o nc a nn o ts a t i s f yt h em o d e r nb r o a d c a s tn e e d t r a n s m i t t i n ga u d i od i g i t a l l yo v e rt h en e t w o r kb e c o m e st h ed e v e l o p i n gt r e n d t h ed e s i g no f t h en e t w o r kr e a l - t i m ea u d i ot r a n s m i s s i o nu n i ti st ot r a n s m i tt h ea u d i o o v e rt h en e t w o r k 。f i r s t , i tc o n v c l l st h es a m p l i n ga n a l o gs i g n a lt od i g i t a ls i g n a l f p g a h a r m o n i z e st h ei n t e r o p e r a t i o no fa l lm o d u l e s f i n a l l yt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gu n i t c o m p r e s s e st h ea u d i ot os t a n d a r de t h e r n e tm e s s a g e s ，w h i c ha r et r a n s m i t t e dt ot h e r e c e i v i n gd e v i c e s ot h ed e s i g nc a na c h i e v et h er e a l - t i m ea u d i ot r a n s m i s s i o n a n dm y w o r ki sa sf o l l o w s ( 1 ) t h em g i t a ln e t w o r ka u d i op r o c e s s o ri ss t u d i e d a n dn e t w o r ka u d i ot a n s m i s s i o n s u i ts c h e m ei sa d o p t e d ，w h i c hi sc o n s i s t e do fm u l t i p l ea u d i ot r a n s m i s s i o nd e v i c e s a c c o r d i n gt os i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e s ，t h e d i s s e r t a t i o n a d o p t e dt h e f u n c t i o n a c h i e v e m e n t , m o d u l i z e dd e s i g ni se a s yt or e a l i z e ( 2 ) h a r d w a r em o d u l e sa r ed e s i g n e d , i n c l u d i n gd i 西t a la u d i op r o c e s s o r , e t h e m e t c o n t r o l l e r , f l a s h , m u l 却l e - c h a n n e la u d i oi m p o r t i n gm o d u l e , e x p o r t i n gm o d o l e ，l e d m u t i p l c - c h a n n e la u d i os u p e r v i s i o nm o d u l e f i r s t , t h ed i g i t a la u d i op r o c e s s i n gc o m b i n e d w i t he t h e m e tc o n t r o l l e ra n df l a s hc a ba c h i e v ec o m p r e s s i n gt h ea u d i ot os t a n d a r d e t h e r n e tm e s s a g e s ，w h i c ha r et r a n s m i t t e dt ot h er e c e i v i n gd e v i c ea n du n c o m p r e s s e dt o t h ea u d i os i g n a l t h e nt h ed i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d i e st h ea u d i oi m p o r t i n ga n de x p o r t i n g m o d u l e s ( 3 ) f p g ai m p l e m e n t st h ep o r ti n p u to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gu n i t ，a d c a l i b r a t i o n , d am u t ee t c r o u t i n g1 6 c h a n n e la u d i o ，c o n v e r t i n gt h es t e r oa u d i ot o s i n g l ec h a n n e la u d i o ，e o n v e r t t i n gi i sa u d i ot o2 4b i tp a r a l l e ld a t a , a n dc o m p a r i n ga u d i o s t a t u st h r o u g hv h d l p r o g r a ma r et oa c h i e v em u l t i p l e - c h a n n e la u d i oi n t e n s i t yd i s p l a y t o 羽】mu p t h ed i s s e r t a t i o na c h i e v e st h ef a c t i o n so ft h eh i g h - q u a l i t ya u d i o t r a n s m i s s i o na n dm u l f i p l e - c h a n n e la u d i os u p e r v i s i o nb yt h ei n t e r a c t i o no fa u d i o a b s t r a c t i m p o r t i n gm o d u l e s ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gu n i t , a u d i oe x p o r t i n gm o d u l e sa n df p g a m u l t i p i v - c h a n n e la u d i os u p e r v i s i o nc i r c u i t m o d u l a r i z e ds o f h v a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n i s u s e f u l t o t h es e c o n d l y d e v e l o p m e n t , e a s i l y b e u s e d i n a l l k i n d s o f s i t u a t i o n t h e w h o l e d e s i g na c h i e v e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d ：e t h e r n c t , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g , m u l t i p l e c h a n n e la u d i os u p e r v i s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：整轻陛：日期：0 年易月c ，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：廛苤丝导师签名：团豳 日期：纠年l ，月1 日 第一章绪论 1 1 音频技术发展的背景 第一章绪论 随着计算机技术特别是网络技术的迅速普及和发展，人们的生产和生活发生 了深刻的变化，网络己成为人们获取信息的重要渠道。通过网络技术进行数字音 频信号的传输、分配、监测是音频设备的必然趋势。而音频技术的数字化、网络 化作为一种臼益成熟的技术，必定会成为广播电台技术的发展方向，为了更深刻 的理解本课题，下面简单地介绍音频技术的发展特点。 1 1 1 传统的音频技术 音频技术的发展经历了三个阶段：传统的模拟音频技术，传统的数字音频技 术以及先进的网络数字化的音频技术。 作为传统的模拟音频设备，它传输的信号都是模拟信号。虽然模拟信号可以 很容易地从一个设备传输到另外一个设备，但是构架音频设备却有着很多的局限 性。一方面，对模拟信号的处理信号必须经过专用的线路，一路信号对应一条线 路，对于信号源较多而且输出较分散的场合，布线会非常复杂，而且不容易维护； 另外一方面，为了实现信号音频切换，必须将所有输入、输出音频信号接入路由 控制中心，大量音频线缆的布线，既增加的施工成本和施工难度，更加重要的是 会给系统的稳定性和可靠性带来很大的影响。同时音频输入输出设备相对比较分 散，设备出现故障时，对故障的诊断，以及监控等等都难以实现。 由于模拟音频分配方式存在很大的局限性，数字化的音频分配方式取代模拟 音频传输方式是必然的。传统的数字音频技术是对传统模音频系统中的局部模拟 设备进行数字化升级改造，例如直播间设备是把模拟调音台更换成数字调音台的 数字化改造，以及周边设备( 包括主备播数字音频工作站、c d 和m d 设备及数 字延时器) 带有a e s e b u 数字接口的，改用数字接口连接( 专业a e s e b u 数字 接口) 作相应的调整。 传统的数字音频设备只是对传统模拟设备进行的部分的数字化升级改造，所 以整个设备需要敷设大量的数字音频电缆，同样存在着线路复杂，系统扩展性不 强的特点。但是整个设备是基于数据信号分配的，所以设备对于存储和基于计算 电子科技大学硕士学位论文 机的制作系统的适应性好，传输抗干扰能力强，传输差错可以控制，使得功能增 强，设备稳定性好，同时数字技术方案成熟，易于理解。 1 1 2 先进的网络数字化音频技术 传统的数字音频设备使得传输抗干扰能力增强，音频质量得到了改善，但是 需要敷设多条专门的数字音频电缆进行信号传输，而网络音频设备在现有的网络 资源基础上( 仅仅通过一根5 类双绞线) 进行音频传输、音频路由( 交换) 、音频监 测，而不需要敷设专门的数字音频电缆，总之采用网络的音频信号传输是最理想 的选择，利用网络进行音频传输有很大的优势： ( 1 ) 灵活性：传统的连线方式是点对点的，信号必须经过专用的线路，每个 连接都要有一根线，一路信号对应一条线路，对于信号源较多而且输出较分散的 场合，布线会非常复杂，而且不容易维护。通过网络，每个音频输入可以通过虚 拟的连接，通过更改系统配置，连接到任意输出，而不需要更改任何一根实际的 连线，使得设备的灵活性大大增加。 ( 2 ) 自动监测：采用以太网络，可以通过网络管理，计算机中心可以监测网 络中所有的设备，当系统某处出现问题时向系统操作员发出警报，同时l e d 发出 警报显示。 ( 3 ) 自动切换：通过网络，通过网络管理软件，可以监测整个网络，当网络 中的某一个设备出现问题时，系统可以自动切换到备份线路，这样就大大的提高 了系统的可靠性，缩短了调试时间。网络系统可以充分利用冗余设计的优点，为 每一条线路，设备做好备份，当线路或者设备出现问题是，网络系统可以做到自 动切换。而传统的模拟系统中，当某一连线断开的时候，必须首先发现故障然后 决定是修理它、替换它还是绕过它。 由于网络传输音频存在着灵活性好、自动监测、自动切换等等功能，并且只 用通过现成的以太网接口来实现音频信号的传输，所以目前发展起来了以下几种 音频传输网络：c o b r a n “1 】即嘲，y a m a h a 公司的m l a n _ 【2 ，s a d i es a d i e n c t 3 1 ， s t e i n b e r g v s t s y s t e m l i n 必4 1 ，f a i r l i g h t m e d i a l i n k t 5 】等。它们作为新一代的网络技术， 必定会成为广播电台技术的发展方向。 1 2 课题的发展现状 由于c o b r a n e t 网络音频传输技术是一种开放的国际网络音频技术标准，已经 2 第一章绪论 成功地应用在悉尼奥运会上，而国内c o b r a n e t 技术处于技术引进和开发期，尚没 有形成规模应用，基于此技术的开发能在国内面向未来多路高质量数字音频传输 和控制市场中占有利地位。 c o b r a n e t 网络音频传输技术是美国p e a ka u d i o 公司( c i r r u sl o g i c 公司的一个 分部) 开发的网络音频传输技术，它是利用成熟的快速以太网技术，在一根网线 上分配、转播未经任何压缩的实时数字音频的专业音频尖端技术。 1 3 课题的研究内容 本章介绍了音频技术的发展特点，由于网络音频技术是一种先进的音频技术， 所以本课题将研究基于网络音频技术的应用开发。结合实际需求、硬件开发技术 以及f p g a 技术给出网络音频实时传输系统的设计方案，论文结构如下： 第一章：绪论 分析了我国广播电台音频传输的发展特点，介绍了网络音频传输的现实意义， 指出在当前情况下，要实现实时传输且布线简单，灵活性好、自动监测、自动切 换、信号抗干扰能力强，通过以太网来实现音频传输是最好的选择。以太网与多 路高质量的音频信号两者的结合是本系统的一个特点，它适应了当前实际情况， 是当前网络过渡时代中的一个较好的解决方案。 第二章：课题方案设计 针对论文提出的解决方案，论文第二章分析了网络音频传输单元的功能与性 能需求，并针对电台需求给出了详细的系统框图。在设计中，为了保证设计的可 扩展性和可移植性，采用了模块化的设计方法进行设计，同时简单介绍了模块化 设计的选型方案，其中对数字信号处理单元以及音频输入、输出板进行了重点介 绍。 第三章：网络音频分配单元的硬件设计 网络音频分配单元的硬件设计是本课题的关键，本章主要介绍音频信号处理 单元原理图、音频输入、输出板设计、模拟音频信号监测等的硬件设计，实现了 从芯片选型到具体的硬件连接，从具体的印刷电路板设计到电路板的焊接。在本 章最后给出了本课题的硬件设计的一些p c b 设计的心得体会和p c b 调试。 第四章：f p g a 各路音频监测的设计 本章介绍了网络音频传输单元的f p g a 实现，f p g a 能够实现对音频信号的地 址译码、路由、音频强度显示，以及对数字信号处理单元、d a 、a d 转换模块的 电子科技大学硕士学位论文 交互设计。 第五章：课题测试及结果 最后，课题根据专业音频信号标准，对设备的总谐波失真、信噪比、频率响 应误差等参数进行了测试，结果满足系统需求。 第六章：总结与工作展望 总结课题的研究与具体工作，课题实现了高质量的音频信号的数字化分配以 及各路音频信号的强度监测功能，但是还需要进一步的改进和完善。 本课题的创新点：本课题通过分析已有音频技术的方法，引进了先进的网络 数字化音频技术，分析了将多个网络音频传输设备组网的方案。根据模拟信号的 数字处理的较为现实的模型，提出了各个模块的功能。设计过程中对数字音频网 络处理器的研究，进行了基于数字音频网络处理器的数字信号处理单元的原理图 和p c b 设计，它可以将数字音频信号封装成标准的以太网报文送入网络，并将数 据传送到接收地，再对信号解封装处理后，恢复成原来的音频信号，从而达到了 实现音频信号的网络化分配的目的。另外，f p g a 模块进行了数字信号处理单元的 端口信号输入控制、a d 转换模块的校验、d a 转换模块的消音等等预处理，实 现1 6 路音频信号的路由，a d 输入模块的立体声音频转换为单声道、i i s 音频信 号的并行处理，音频信号的状态比较，从而完成了多路音频的电平显示。 4 第二章课题设计方案 第二章课题设计方案 2 1 课题背景及需求分析 网络音频传输单元存在着灵活性好、自动监测、自动切换等等功能，主要用 在公共广播、专业广播中，因此要求系统单元能够实时、连续、稳定地传送数据， 而且要求音频达到很高的专业音质，为了更深刻的理解本课题的需求，下面给出 本课题的背景及主要性能指标。 2 1 1 性能及功能需求 在基于c o b r a n e t ( 参看1 2 节) 网络音频传输技术的背景下，本文对本论文的 研究内容提出了以下性能需求。 ( 1 ) 标准性：音频输入输出信号应该符合专业音频信号标准，输入音频信号 为2 4 d b u 时、总谐波失真小于o 0 0 5 时的信号强度的要求；要求信噪比大于9 0 d b u ； 频率响应误差小；输入、输出电平一致性等标准。 ( 2 ) 实时性：课题应该进行连续、实时的音频信号传输，传输延迟低于人耳 的听觉误差。 ( 3 ) 传输性：传输4 8 k h z 的音频非压缩数据流，动态调整通道数量使传输位 数适应网络带宽( 参看3 1 6 节) 。 ( 4 ) 复杂性：通过一根普通网线或者一根光缆来实现音频设备之间的通信， 使得设备结构简单化；音频分配单元可位于局域网上任意一点，便于系统建设和 维护。 ( 5 ) 冗余和备份：如果工作在异常情况下，可人工重建连接或通过采用备份 以太网控制器重建连接。 ( 6 ) 连续性及稳定性：整个课题是基于c o b r a n e t 协议，此协议稳定。 2 1 2 网络连接设计图 本文根据广电行业的具体使用需求，提出了将网络音频分配设备组网的方案 ( 图2 1 ) 。方案中假设组网中有多个网络音频传输设备，任何一个设备都是全双 电子科技大学硕士学位论文 工通信设各，可以同时作为发送和接收音频的设备，而x y 控制器( 或计算机) 用来实现分配单元的软件控制。 网 劂络音频分配单元 终端 2 2 模拟信号的数字处理 图2 1 网络连接图 控制端 x y 控制器 由上可知，本课题要实现数字音频信号分配的功能，其研究成果主要应用在 广播电台，而e l 前在广电行业中，有些情况下输入信号为模拟音频信号，所以必 须进行对模拟信号的数字处理【6 ，下面给出模拟信号的数字处理的较为现实的模犁 ( 图2 - 2 ) ： 压一匪卜彗哥臣 图2 - 2 模拟信号的数字处理模型 根据图2 - 2 所示模型，可以将本课题分为以下几个部分：数字信号处理及控制， 音频输入、输出板。下面具体阐述一下各个模块的功能： 6 o 裂 |一雕、 a粼， 詹峰。 一 第二章课题设计方案 ( 1 ) 音频输入模块 目前在广电行业的项目要求中，输入信号为模拟音频信号，而课题中采用一 种先进的网络数字音频技术，这就要求输入到数字信号处理模块的信号应该是数 字信号。基于此，本课题中首先对模拟信号进行放大，然后a d 转换输出数字信 号。 ( 2 ) 数字信号处理单元 由课题的网络连接图( 图2 - 1 ) 可知：设备是为了将信号传送到网络中，这意 味着经过a d 转换后的数字音频信号必须经过信号封装、处理才能传送到以太网， 所以课题引入了数字信号处理单元。 ( 3 ) 控制模块 通常，音频输入、输出板的交互作用是通过控制器来实现，本课题采用常用 的单片机来协调模块之间的交互控制。另外，由于要实现多路的模拟音频信号的 输入和输出，为了使得信号之间能够自由的切换和路由，课题引入了f p g a 模块进 行音频信号的切换、路由及电平显示。f p g a 模块通过v h d l 硬件描述语言来实现硬 件功能，容易调试。 ( 4 ) 音频输出板 。 为了得到模拟信号的输出，就必须对经过数字信号处理单元处理后得到的数 字信号再转换成相应的模拟信号作为输出，所以课题引入了音频输出板，音频输 出板主要实现了d a 转换模块功能。 综合以上介绍可以将网络音频分配单元的设计可以分为3 个大部分：数字信 号处理单元模块，控制模块( 单片机控制以及f p g a 处理) 以及音频输入、输出 模块( 音频输入、输出板) 。具体功能模块框图如下( 图2 3 ) ： 以 太 “ 网 数 一l 控 字 制 音 罂 频 争片机 以 处 太理 网 器 控 制 l 器 图2 - 3 功能模块框图 7 电子科技大学硕士学位论文 由上图( 图2 3 ) 可知，整个设备应该被放入一个组网中，通过多个设备组网 ( 参照图2 1 ) ，x y 控制器( 或计算机) 的参与控制，组网内的设备可以同时作 为发送、接收设备，发送和接收设备的具体功能如下： 当设备作为发送设备时：音频信号处理控制器接收经过f p g a 路由选通的音 频输入板的音频数据或者f p g a 的测试音频数据，并通过数字音频处理器，将接 收到的数据进行p c m 编码、封装处理，通过以太网控制器将所需要的通道数据发 送到局域网上。 当设备作为接收设备时：以太网控制器接收来自局域网上的音频数据包，通 过c o b r a n e t 标识来识别符合条件的数据包，并将数据包经过数字音频处理器处理， 由于接收到多路的音频数据包，那么f p g a 对音频通道进行路由输出。 由上可知，数字信号处理单元的实现尤为重要，它是作为发送、接收设备的 核心模块。由此本课题可以通过采用基于c o b r a n e t 网络音频传输技术( 参看2 1 1 节) 的数字音频网络处理器来实现音频信号的处理、分配。下面就简单地对数字 信号处理器的工作原理及其所选芯片进行介绍。 2 3 数字音频处理器的工作原理以及必要性 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 3 0 1 是一门广泛应用于许 多领域的新兴学科，它是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号 进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用 的目的。由于d s p 特有的稳定性、可重复性、可大规模集成，特别是可编程性高 和易于实现自适应处理等特点，给数字信号处理的发展带来了巨大机遇，并使信 号处理手段更灵活，功能更复杂，所以d s p 是一个比较好的选择。同时由于计算 机和信息技术的飞速发展，数字信号处理的实现方法也越来越多，目前有以下几 种方法： 在通用的计算机上用软件实现；在通用计算机系统中加上专用的加速处理机 实现；用通用的单片机上实现；用通用的可编程d s p 芯片实现及用专用的d s p 芯 片实现。 专业的音频分配场合要求信号的处理速度极高，用通用d s p 芯片很难实现， 而专用的d s p 芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程， 这样就简化了课题的操作。同时考虑到课题对传输位数、实时性能有严格的要求， 所以选用专业的基于c o b r a n e t 网络音频传输技术的数字音频网络处理器芯片进行 第二章课题设计方案 信号的处理、传输。综合考虑，课题采用了c i r r u sl o g i c 公司推出的c s l 8 1 0 1 2 7 8 】【2 7 】 芯片，可以完成4 8 姐z ，2 4 b i t 位的音频，下面对c s l 8 1 0 1 2 1 7 s l t 2 r l , - 笛片的特点、芯 片基于的协议、芯片处理的音频信号格式、音频信号的接i z i 模式进行介绍。 2 3 1 数字音频网络处理器特点 c s l 8 1 0 1 2 【7 】【8 2 7 1 是c i r r u sl o g i c 公司推出的一款支持4 8 k h z 或9 6 k i - i z 的采样 率，分别提供2 、8 和1 6 通道的并行音频输入与输出的专业音频分配芯片。c s l 8 1 0 1 2 是一款开放标准的数字音频网络技术产品。该c s l 8 1 0 1 2 带有一个高速平行主机接 口，可选择与主机处理器相连，并通过符合行业标准的s n m p 协议提供基于以太 网的监控与管理功能。利用先进的内置异步传输和网桥功能，该芯片可提供更多 监控性能，以下是c s l 8 1 0 1 2 的内部结构图( 图2 - 4 ) 。 由图2 - 4 可知，3 2 b i t d s p 实现对输入的音频信号的多个1 6 、2 0 或2 4 b i t 的未 经任何压缩的p c m 音频输出，其音频输出的常用接口模式为璐音频接口模式。 其次，c s l 8 1 0 1 2 支持异步串行传输控制，支持闪存和双以太网控制器。由于 c s l 8 1 0 1 2 处理后的数据为多路未经任何压缩的音频数据，所以数据量很大，而 c s l 8 1 0 1 2 数字音频网络处理器的片内存储资源一般不能满足课题开发的需求所以 必须添加外部存储。由于c s l 8 1 0 1 2 数字音频网络处理器支持双重以太网连接，所 以可以通过双以太网控制器来实现网络传输低成本的音频网络备份性能。 圈2 - 4c s l 8 1 0 1 2 的内部结构图 最后，c s l 8 1 0 1 2 通过配合使用外置压控晶振，可以用来提供专业级的低抖动 时钟源。 c s l 8 1 0 1 2 作为一款专业的音频实时传输处理器，它支持以太网连接，那么经 过c s l 8 1 0 1 2 的音频数据传输到以太网上的数据应该有一定的数据格式、遵循一定 的网络协议，下面对c s l 8 1 0 1 2 的一些细节进行介绍。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 3 1 1 网络传输协议 该芯片是基于c o b r a n e t 协议，能够提供高品质、低成本的音频网络性能。该 协议工作在o s i 模型的第二层，数据链路层。该协议基于的网络音频传输技术通 过以太网支持实时数据传输，遵循i e e e 8 0 2 3 以太网协议，一般它能够同时进行语 音和数据的通信。它是一种在局域网内进行音频传输的技术，所以整个系统可以 采用交换机、集线器，而无法穿过路由器。而为了实现多路的音频通道数据传输， 由于网络带宽的限制，一般采用交换机。 2 3 1 2 数据帧结构形式 c s l 8 1 0 1 2 基于网络音频传输技术，该技术采用三种基本的数据包形式( b e a t p a c k e t ”、r e s e r v a t i o np a c k e t 1 】和a u d i op a c k e t 1 】) ，所有的数据包由分配给音频数 据的唯一协议标识码( 0 x 8 8 1 9 ) 标识。 1 b e a t p a c k e t b e a tp a c k e t 是实现系统时钟同步的数据包，它的数据包格式如下图( 图2 5 ) ， 它是建立网络同步、系统同步的最为重要的一种数据包。由于音频设备是可以用 来发送和接收音频数据包( a u d i op a c k e t ) 和保留请求，而作为系统唯一的“指挥者” 图2 5 b e a t 数据包格式 c o n d u c t o r 1 】( 当前c o n d u c t o r 是网络优先级最高的设备，组网中的每个设备都应该 向当前c o n d u c t o r 发送自己的网络优先级) ，它用来仲裁和仲裁或操作能力的应用， 它定时地( 每秒钟7 5 0 次) 向网络发送节拍包，从而保证网络的时钟同步。b e a t p a c k e t 【l 】在整个网络中起到了关键性的作用，一旦c o n d u c t o r 掉线或工作异常，那 么网络中会有其他的网络优先级高的设备来替代c o n d u c t o r ，作为c o n d u c t o r 来发 送b e a t 数据包。 2 r e s e r v a t i o np a c k e t r e s e r v a t i o n p a c k e t 是组网内的每个设备向网络发送的一种数据包( 每秒1 次) ， 每个设备都应该向c o n d u c t o r ( 指挥者) 发出申请，请求发送音频信号，同时也向 当前的c o n d u c t o r 公布自己的优先级( 防止c o n d u c t o rt 作异常，以便重新选定 c o n d u c t o r ) 和d 地址( 目的口地址) 。预约数据包的帧格式( 图2 6 ) 如下。 1 0 第二章课题设计方案 l班走一擐头t 再豹地麓， c - b 报头 一培性麓撮啬l p 地址 转筮璜曲殚在反向预约列藿 以太再擞愿 t 雌蛾n _ 嘶n 翻| 救帆蒲求 接收机请求jt c 姻 图2 _ 6 预约数据包格式 3 音频数据包 设备发送了预约包得到了c o n d u c t o r 的认可后，c o n d u c t o r 会向设备发送认可 的数据包，那么设备就可以向局域网( 目的地址) 发送音频数据包( a u d i op a c k e t 的帧格式如图2 7 所示。整个系统的设计就是为了稳定、实时的传输音频数据包， 所以一个数据包的数据量不要超过8 路2 0b i t 的音频信号( 如果是2 4b i t 不要超过 7 路) 。 图2 7 晋颡数据包格式 2 3 1 3 通道模式 c s l 8 1 0 1 2 支持4 位双向同步串行接口，所有的接口操作在主模式下。如图2 - 8 ， f s l 作为帧时钟同步信号，同步串行数据的一个采样周期包含有2 个或4 个语音通 道。根据实际情况，我们采用下图的2 个通道的同步串行数据通道结构，下图( 图 2 8 ) 表示每个时钟周期，每个通道能传输一路立体声，每路立体声包含有左右两 个通道，同时通道采用的是全双工的通信模式。 i 订厂_ c h 一。 二二二二二二工二二二二 一- t 二二二二二二 二二二二 c h 一位 二二二二二二 二二二二 c t ， 二二二二二二 二二二二 2 3 1 4 音频接口模式 c s l 8 1 0 1 2 的音频数据的接口时序有三种：正常模式的数据时序、i i s 模式的 数据时序以及标准模式的数据时序。为了方便与于音频输入、输出板的接口保持 电子科技大学硕士学位论文 一致，课题中采用i i s 音频数据接口模式，采样时钟( f s l ) 和位采样时钟( s c l k ) 之间是6 4 倍的关系，其具体的接口时序如下图2 - 9 所示： i i s 音频数据时序模式在本课题中有着很大的应用，它是p h i l i p s 公司制定的一 种数字音频设备之间的音频数据传输总线标准。s ( i n t e ri cs o u n db u s ，内置集成 电路音频总线) 也常被写作i i s ，是工业领域常采用的音频总线之一，它是一种面 向多媒体计算机( m u l t i m e d i ap c ) 的音频总线，该总线专门用于音频设备之间的 数据传输，为数字立体声提供一个序列连接至标准编码解码器吲。 ：! ：厂 舢舢嗍眦肌肌舯眦肌阻衄唧唧肌彻唧时 哑 皿皿皿皿皿皿三 皿皿皿皿皿旺 图2 9 音频数据时序 2 3 2 以太网控制器的选择 由上可知，c s l 8 1 0 1 2 数字网络音频处理器支持双以太网接口连接，所以本课 题采用了基于网络的音频分配、传输。另外由于以太网是目前局域网中使用最为 广泛的一种网络技术，该技术经过多年的发展，已经越来越成熟，性能可靠、稳 定。所以利用网络技术( e t h e r n e t 技术) 进行数字音频信号的分配、传输，使得本 课题采用的技术与其他技术相比，成本更低，音频信号的传输更可靠、实时。 通过考虑，本课题选用d m 9 0 0 0 9 】网络控制器，该控制器是极具特色的以太网 控制器，下面是d m 9 0 0 0 的内部结构( 图2 - 1 0 ) 。 第二章课题设计方案 图2 1 0d m g 0 0 0 的内部结构 由d m 9 0 0 0 的内部结构图可知，该控制器是带有m a c 和p h y 的控制器，通 过m a c 和p h y 外设，具有可编程过滤功能，可自动评价、接收或拒收多种信息 包，从而减轻了处理器的处理负荷；其次该控制器的s p i 接口使得小型单片机也 能具有网络连接功能；它内部继承可编程的8 k b 双端口s r a m 缓冲器，操作灵活 方便；d m 9 0 0 0 通过e e p r o m 进行地址配置；l e d 能够显示d m 9 0 0 0 的工作状态 ( 掉电、上电、工作等几种状态) ；该控制器同时支持1 0 1 0 0 b a s e t 。 另外，由于双网络控制器连接能够提供备份功能，所以为了合理地利用资源， 本课题采用了双网络连接。 2 3 3 存储器选择 由c s l 8 1 0 1 2 的介绍可知，c s l 8 1 0 1 2 数字网络音频处理器的片内存储资源不 能满足课题开发的需求：c s l 8 1 0 1 2 内部集成有r a m ，用于存放非压缩的音频数 据流，而r a m 中存放的数据掉电后就丢失了，这时就应该在外面添加外部存储器， 存储系统设置信息和程序代码。 目前可以应用的存储器件有如下几种，如f l a s h 、r o m 、s r a m 和s d r a m 等。 由于c s l 8 1 0 1 2 支持f l a s h 存储控制器，所以就采用了f l a s h 作为课题的外部存储器。 下面介绍一下f l a s h 存储器的特点： 电子科技大学硕士学位论文 f l a s h 存储器是一种用电信号擦除的可编程r o m ，掉电后信息不丢失的存储 器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程( 烧写) 、擦 除等特点，因而得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通 常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常 用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。主要的生产厂商为 i n t e l ，a m 3 ，h y u n d a i 等，他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封 装形式，可通用。基于以上f l a s h 的优点，本课题选用了m i c r o n 公司的 m t 2 8 f 8 0 0 8 3 1 0 1 ，芯片容量为8 m ，满足了设计要求，以下是芯片的内部结构图( 图 2 1 1 ) 。 图2 1 1u t 2 8 f 8 0 0 8 3 的内部结构图 2 4 音频输入、输出模块选型 本课题的研究成果主要应用在广播电台，那么对音频信号的数据采样率以及 量化位数的要求比较高，以达到实现专业的音频数据的传输。而音频输入、输出 模块作为数字信号与模拟信号的转换接口电路，其主要芯片a d 转换芯片以及d a 转换芯片的数据采样率及量化位数对整个课题有着重要的影响，因此本课题采用 专业音频转换芯片。下面对输入、输出模块的主要芯片进行简单的介绍： 在设计中音频输入板时采用了a s a h ik a s e i 公司的a k 5 3 8 3 t 1 2 】a d 转换器。 a k 5 3 8 3 采用了d e l t a - s i g m a 技术，差分的模拟信号输入方式，可实现2 4 位的高精 1 4 第二章课题设计方案 度分辨率，支持4 8k h z 及9 6k h z 的高采样率，1 1 0 d b 动态范围，大于1 0 3 d b 的 t h d + n ( 总谐波失真和噪声) 。 音频输出板采用了a s a h i k a s e i 公司的a k 4 3 9 3 1 3 1 d a 转换芯片，a k 4 3 9 3 1 3 】 是和a k 5 3 8 3 兼容的一款d a 转换芯片，同样是一款高性能的立体声d a c 。 a k 4 3 9 3 1 3 】引进了先进的数位类比转换器系统，9 6 k h z 的d a t ，d v d 采样模式， 2 4 b i t 的数字滤波器。 2 5 小结 本章主要介绍了整个课题的功能要求以及器件选型，并将网络音频分配单元 的设计可以分为3 个大部分：数字信号处理单元模块，控制模块( 单片机控制以 及f p g a 处理) 以及外围模块( 音频输入模块、音频输出模块、电平显示模块) ， 同时给出了网络音频分配单元的实现框图。下面主要介绍数字信号处理单元模块， 输入、输出模块，电平显示模块的硬件设计及实现。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 第三章网络音频分配单元的硬件设计 由第二章可知，为了使得整个设备的模块性，在整个初级设计时把整个系统 划分为三个大的模块( 数字信号处理单元，控制模块以及音频输入、输出板、音 频信号监测模块) ，这样方便于开发和调试。为了满足不同的输入、输出规格要求， 在音频输入、输出板设计时将音频输入模块和音频转换模块( 4 路模拟立体声输入、 4 路模拟立体声输出) 设计成相同的连接座子。数字信号处理单元和音频输入、输 出板都是连接到控制板上，根据不同的输入和输出要求，可以组合实现不同路数 的音频输入、输出通道，进行不同的f p g a ”】配置，同时根据不同的功能需求上载 不同的单片接控制程序和f p g a 1 5 】配置程序。 本课题中，设备是为了将信号传