淺談數(shù)字音視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)——AVB（上）

居姝曼

在傳統(tǒng)的音響系統(tǒng)里，聲音信號(hào)是模擬信號(hào)，它的振幅具有隨時(shí)間連續(xù)變化的特性。對(duì)模擬音頻信號(hào)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和傳送都會(huì)引入噪聲和信號(hào)失真，并且隨著復(fù)制次數(shù)的增加，每次都會(huì)加入新的噪聲和失真，信號(hào)質(zhì)量會(huì)越來(lái)越差。而數(shù)字音頻技術(shù)的出現(xiàn)，解決了上述模擬信號(hào)中的諸多問(wèn)題。

數(shù)字音頻技術(shù)是把模擬音頻信號(hào)變換為振幅不變的脈沖信號(hào)，音頻信號(hào)的信息量全部包含在脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）中。各種處理設(shè)備引入的噪聲和產(chǎn)生的失真與數(shù)字信息完全分離。因此，數(shù)字音頻信號(hào)具有：復(fù)制不走樣、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大、可遠(yuǎn)距離傳輸、可以遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)如今，數(shù)字音頻信號(hào)還可以融入到網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中，在一條傳輸線路上同時(shí)實(shí)行多路音頻信號(hào)的傳輸，大大節(jié)省了傳輸運(yùn)行成本，簡(jiǎn)化了傳輸線路。

音頻信號(hào)的數(shù)字化

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，如圖1所示，先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，再經(jīng)過(guò)低通濾波器去除掉采樣中產(chǎn)生的高頻失真，通過(guò)量化將采樣后的數(shù)值調(diào)整為整數(shù)，再經(jīng)過(guò)二進(jìn)制編碼后生成數(shù)字信號(hào)。

采樣，是每隔一定的時(shí)間間隔，抽取信號(hào)的瞬時(shí)幅度值。每一秒鐘所采樣的次數(shù)叫做采樣頻率。以CD為例，采樣頻率為44.1kHz，即1秒鐘對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行了44100次取值，如圖2b所示，采樣后的信號(hào)變成了多個(gè)密布的點(diǎn)。采樣頻率越高，抽取的點(diǎn)密度越高，信號(hào)也就越精準(zhǔn)。

在圖2b中采樣過(guò)后的信號(hào)除了原始頻譜之外，還會(huì)額外產(chǎn)生一些高頻的失真，形成新的頻譜。這些失真的頻譜以nfu（n為正整數(shù)）為中心、左右對(duì)稱，它的頻譜分布與原信號(hào)的頻譜形狀相同。采用低通濾波器（LPF）把新增加的多余的頻譜濾掉就可以恢復(fù)原信號(hào)的頻譜。

根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）采樣定理：采樣頻率fs大于或等于采樣信號(hào)最高頻率fu的2倍，就可以通過(guò)低通濾波器恢復(fù)無(wú)失真的原始信號(hào)。如果fs<2fu，采樣過(guò)程中產(chǎn)生的一部分高頻失真會(huì)與原始頻譜相互疊加，如圖3中會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊失真的現(xiàn)象，這種疊加是無(wú)法用低通濾波器分開(kāi)的。

因此采樣頻率fs必須大于原信號(hào)中最高頻率的2倍以上，新增加的頻譜與原信號(hào)的頻譜才不會(huì)相互疊加。例如，人耳的聽(tīng)音頻率上限是20kHz，采樣頻率最低應(yīng)為40kHz。但低通濾波器有一定的截止邊沿寬度，是按一定規(guī)律逐步對(duì)信號(hào)衰減濾除的，為了較好的防止產(chǎn)生高頻失真，通常fs=（2.1～2.5） fu。CD的采樣頻率是44.1kHz，它等于20kHz的2.205倍。

采樣后的振幅值并不是整數(shù)，且是隨機(jī)變化的。還需要將這些隨機(jī)變化的振幅值通過(guò)四舍五入的方法將其變換為能用二進(jìn)制數(shù)列來(lái)表達(dá)的數(shù)值，這個(gè)過(guò)程就是量化，單位是bit（比特），如圖4中采樣和量化所示。采樣值是6.4的幅值量化后取整數(shù)6，采樣值是3.6的幅值量化后取整數(shù)4。

將量化后的二進(jìn)制數(shù)組按照時(shí)間順序排列成可以順序傳送的脈沖序列，這個(gè)過(guò)程就是編碼。由于數(shù)字電路以開(kāi)關(guān)的通和斷（1和0）兩種狀態(tài)為基礎(chǔ)，可以大大簡(jiǎn)化數(shù)字電路的運(yùn)算，因此二進(jìn)制編碼在數(shù)字技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

量化級(jí)數(shù)越多，量化誤差就越小，聲音質(zhì)量就越好，如圖5所示，3bit是23個(gè)二進(jìn)制數(shù)，6bit是26個(gè)二進(jìn)制數(shù)。對(duì)于音頻信號(hào)，由于動(dòng)態(tài)范圍較大，而且要求的信噪比又高，所以量化的取值大一些，通常為16bit，甚至20-24bit。

以太網(wǎng)的傳輸方式

以太網(wǎng)創(chuàng)建于1980年，它是一種可以在互連設(shè)備之間相互傳送數(shù)據(jù)的技術(shù)。發(fā)展至今日，因它具有成本低、速率快、可靠性高等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用。我們可以通過(guò)以太網(wǎng)傳送Email、圖片、聲音、視頻等等。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)）技術(shù)，是一種爭(zhēng)用型的介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議。

它的工作原理是： 發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽(tīng)信道是否空閑 ，若空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。若信道忙碌，則等待一段時(shí)間至信道中的信息傳輸結(jié)束后再發(fā)送數(shù)據(jù)；若在上一段信息發(fā)送結(jié)束后，同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)都提出發(fā)送請(qǐng)求，則判定為沖突。

若偵聽(tīng)到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段隨機(jī)時(shí)間，再重新嘗試。我們稱這種傳輸機(jī)制為“Best Effort”（盡力而為），也就是說(shuō)當(dāng)數(shù)據(jù)抵達(dá)端口后，本著FlFO（先入先出）的原則轉(zhuǎn)發(fā)。不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入端口的速度大于端口能發(fā)送的速度時(shí)，F(xiàn)IFO按數(shù)據(jù)到達(dá)端口的先后順序讓數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列，同時(shí)，在出口讓數(shù)據(jù)按進(jìn)隊(duì)的順序出隊(duì)，先進(jìn)的數(shù)據(jù)將先出隊(duì)，后進(jìn)的數(shù)據(jù)將后出隊(duì)。采用CSMA/ CD控制方式的特點(diǎn)是：原理比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各工作站處于平等地位 ，不需集中控制，不提供優(yōu)先級(jí)控制。

在以太網(wǎng)中，我們經(jīng)常會(huì)遇到“帶寬”一詞，它是指在單位時(shí)間（一般指的是1秒鐘）內(nèi)能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。也就是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從一端流到另一端的信息量，即數(shù)據(jù)傳輸率。數(shù)字信息流的基本單位是bit（比特），時(shí)間的基本單位是s（秒），因此bit/s（比特/秒，也用bps表示）是描述帶寬的單位，1bit/s是帶寬的基本單位。不難想象，以1bit/s的速率進(jìn)行通信是非常緩慢的。幸好我們可以使用通信速率很快的設(shè)備，比如56k的調(diào)制解調(diào)器利用電話線撥號(hào)上網(wǎng)，其帶寬是56000bit/s（1k=1000bit/s）， 電信ADSL寬帶上網(wǎng)在512kbit/s至100Mbit/s之間，而現(xiàn)如今的以太網(wǎng)則可以輕松達(dá)到100Mbit/s以上（1Mbit/s=1000*1000bit/ s=1，000，000bit/s）。

以千兆網(wǎng)（1Gbit/s）為例：假如說(shuō)交換機(jī)的端口帶寬是1Gbit/s，也就是1000，000，000bit/s，則說(shuō)明每秒可傳輸1000，000，000個(gè)二進(jìn)制的“位”，那么1bit所占用的時(shí)間是1÷1000，000，000=1ns。也就是每個(gè)二進(jìn)制位（1bit）之間的時(shí)間間隔大于1ns時(shí)，就不會(huì)發(fā)成沖突，如圖6所示。

但在以太網(wǎng)傳輸中，并不是以二進(jìn)制位（bit）來(lái)傳輸?shù)?，而是以“幀”為單位的。如圖7所示，在一幀中至少包含了46 Byte（字節(jié)）的數(shù)據(jù)，那么一個(gè)最小的以太網(wǎng)幀是72 Byte；如果一幀中包含的最大數(shù)據(jù)是1500 Byte，那么一個(gè)最大的以太網(wǎng)幀是1526 Byte。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和組件在接收一個(gè)幀之后，需要一段短暫的時(shí)間來(lái)恢復(fù)并為接收下一幀做準(zhǔn)備，也就是相鄰兩幀之間是有一個(gè)間隙的，IFG（Inter frame Gap）幀間距。IFG的最小值是12Byte，如圖8所示。

我們假設(shè)這兩幀數(shù)據(jù)在千兆網(wǎng)（1Gbit/s）內(nèi)傳輸，那么兩幀之間的時(shí)間間隔大于96ns就不會(huì)發(fā)生沖突。

隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，千兆網(wǎng)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上對(duì)幀的數(shù)據(jù)量做出了一定的修改。采用了載波延伸（Gamier Extension）的方法，將最小字節(jié)擴(kuò)展到512Byte，即凡是發(fā)送幀長(zhǎng)不足512 Byte時(shí)，就填充特殊字符（0F）補(bǔ)足。當(dāng)許多短幀需要發(fā)送時(shí)，如果每一幀都擴(kuò)展為512 Byte，會(huì)造成資源的巨大浪費(fèi)。因此又設(shè)定了幀突發(fā)（Frame Bursting）的方法，可以解決此問(wèn)題，第一個(gè)短幀使用載波延伸，一旦發(fā)送成功，則隨后的短幀連續(xù)發(fā)送直到1500 Byte為止。此期間由于線路始終處于“忙”的狀態(tài)，不會(huì)有其它站點(diǎn)搶占信道。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)如何傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流（音、視頻流）？

以太網(wǎng)通過(guò)RTP（Real-time Transport Protocol）實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議為數(shù)據(jù)提供了具有實(shí)時(shí)特征的端對(duì)端傳送服務(wù)。RTP本身并不能保證傳送，也不能保證防止無(wú)序傳送。因此，想要對(duì)所有的數(shù)據(jù)流進(jìn)行排序，就離不開(kāi)對(duì)數(shù)據(jù)的緩沖（Buffer）。但是，一旦采用緩沖的機(jī)制就又會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題——延時(shí)。所以我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上聽(tīng)歌、看電影的時(shí)候，都會(huì)緩沖后才開(kāi)始播放。但這個(gè)緩沖時(shí)間，在專業(yè)音、視頻傳輸領(lǐng)域里是不能被接受的。

數(shù)字音頻信號(hào)對(duì)以太網(wǎng)的要求

我們以C D為例，它的采樣頻率是44.1kHz，量化位數(shù)是16bit。每次采樣的時(shí)間是1÷44.1×1000≈22.7μs。我們對(duì)聲音的要求是連續(xù)不間斷的，也就是要求每個(gè)采樣下的數(shù)據(jù)傳輸間隔不能大于22.7μs。而在千兆網(wǎng)（1Gbit/s）里，兩幀之間的最小時(shí)間間隔只有96ns，遠(yuǎn)小于我們所要求的22.7μs，那么在這個(gè)帶寬下，我們是完全可以傳輸連續(xù)不間斷的音頻信號(hào)的。

如果我們?cè)?Mbit/s的帶寬下傳輸數(shù)據(jù)，那么1bit所占用的時(shí)間是1÷1，000，000=1μs，兩幀之間的間隔是96μs，這時(shí)候如果傳輸CD數(shù)字音頻信號(hào)就會(huì)存在斷斷續(xù)續(xù)的問(wèn)題了。

從上面兩個(gè)例子不難看出，只要網(wǎng)速足夠快，也就是網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬，我們就可以很順利的在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)字音頻信號(hào)。但大多數(shù)情況下，由于帶寬通常是由多個(gè)設(shè)備共享的，我們不單單只用它去傳輸一路數(shù)字音頻信號(hào)，我們會(huì)同時(shí)傳送多路數(shù)字音頻信號(hào)，還會(huì)傳輸郵件、網(wǎng)頁(yè)、圖片等等其它的數(shù)據(jù)。而所有的發(fā)送端沒(méi)有基于時(shí)間的流量控制，那么這些發(fā)送端永遠(yuǎn)是盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣來(lái)自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)流就會(huì)在時(shí)間上產(chǎn)生重疊，即我們前文所說(shuō)的沖突。這一定會(huì)影響數(shù)字音頻信號(hào)的傳輸，為了改善這種傳輸機(jī)制，提高部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸效率，以太網(wǎng)通過(guò)QoS優(yōu)先機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，可以保證一部分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。（未完待續(xù)）