基于體域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字音頻實時傳輸系統(tǒng)設(shè)計

買爾丹·祖農(nóng)

（新疆工程學院 信息工程學院，新疆 烏魯木齊830023）

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，針對音頻的傳輸質(zhì)量和傳輸效率提出了更高的要求，為此，廣播、電視等媒體也逐漸向著數(shù)字化方向發(fā)展。在這種發(fā)展背景下，數(shù)字音頻逐漸取代了傳統(tǒng)的模擬音頻。相較于模擬音頻來說，數(shù)字音頻處理簡潔、抗干擾能力強、傳輸性能穩(wěn)定，更適應媒體行業(yè)的長遠發(fā)展需求。隨著數(shù)字音頻的傳輸量不斷上升，而許多傳輸系統(tǒng)的傳輸能力有限，難以保證數(shù)字音頻傳輸?shù)膶崟r性，且由于缺少抗干擾措施，導致數(shù)字音頻在傳輸過程中出現(xiàn)失真或缺少等現(xiàn)象，影響其后續(xù)使用。

為此，相關(guān)研究人員對此展開了深入的研究，以往提出的基于CPCI總線和LVDS的高速傳輸系統(tǒng)，其以PCI9054為橋接器件，F(xiàn)PGA為微控制器，以CPCI總線對信息進行實時分配和壓縮，并采用LVDS擴大數(shù)據(jù)傳輸范圍，建立了將單周期模式讀寫指令和DMA突發(fā)模式傳輸數(shù)據(jù)相結(jié)合的傳輸模式。但該系統(tǒng)忽略了傳輸信道的傳輸能力，導致系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性和完整性較差?；赪5300的傳輸系統(tǒng)將FPGA作為主控制器，在配置W5300相關(guān)寄存器的基礎(chǔ)上，利用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。但該系統(tǒng)硬件設(shè)備間的連接方式混亂，且硬件設(shè)備不能滿足軟件程序運行需求，導致傳輸穩(wěn)定性較低，傳輸質(zhì)量難以保證。

為解決以上問題，本文設(shè)計了基于體域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字音頻實時傳輸系統(tǒng)，并設(shè)計對比實驗對其傳輸性能進行驗證。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

體域網(wǎng)是由多個可穿戴設(shè)備或多個嵌入式設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)，各個部分之間利用無線網(wǎng)絡(luò)進行通信，因此又被稱為無線體域網(wǎng)。本文以體域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計數(shù)字音頻實時傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)備，并針對數(shù)字音頻處理器、發(fā)送器以及通信接口等進行詳細闡述。

1.1 數(shù)字音頻處理器

數(shù)字音頻處理器的主要功能是對高密度的數(shù)字音頻信號及其傳輸信號進行重復運算，從而消除冗余數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對數(shù)字音頻的合理分類，為數(shù)字音頻的傳輸創(chuàng)造了良好的先決條件。在某種程度上，數(shù)字音頻處理器的性能決定了系統(tǒng)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，為此，在以體域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的前提下，本文設(shè)計的數(shù)字音頻處理器以DSP芯片為核心處理器，使其具有高性能的同時滿足體域網(wǎng)的構(gòu)建需求。數(shù)字音頻處理器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，相較于普通處理器，DSP采用流水線式的哈弗結(jié)構(gòu)，采用流水線式指令讀取方式較大地提升了音頻處理效率，且其獨特之處在于，DSP新品具有單獨的乘法器，能夠?qū)Υ罅刻幚碇噶钸M行單周期乘法運算，可處理FIRS、LMS等多種指令。芯片內(nèi)部采用串行執(zhí)行指令實現(xiàn)芯片的數(shù)字音頻處理功能，整體功耗較低，且在強噪聲干擾和電磁干擾下，其工作狀態(tài)受影響較小，具有較高的可靠性。

圖1 數(shù)字音頻處理器結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)字音頻發(fā)送機

數(shù)字音頻發(fā)送機的主要功能是將數(shù)字音頻處理器處理完畢的數(shù)字音頻信號進行編碼后，采用多路復用的方式將其發(fā)送到電纜或光纖等傳輸接口處進行數(shù)字音頻傳輸。數(shù)字音頻發(fā)送機的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，上位機控制數(shù)字音頻發(fā)送機的中斷狀態(tài)、傳輸狀態(tài)和啟動狀態(tài)。考慮體域網(wǎng)中包含大量的嵌入設(shè)備，在避免設(shè)備間互相干擾的前提下，以體域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，在數(shù)字音頻發(fā)送機中嵌入CS8406數(shù)字音頻發(fā)射器，數(shù)字音頻的發(fā)射率為192 kHz，且為保證數(shù)字音頻接收器能夠順利接收信號，規(guī)定數(shù)字音頻的發(fā)射格式為IS，同時采用256*FS的主時鐘頻率，左右時鐘信號分貝為IL2RCK和SDIN，使傳輸?shù)臄?shù)字音頻信號攜帶時間標志，CS8406數(shù)字音頻發(fā)射器的輸出端采用串行式設(shè)計，可預先編譯AES引腳進行格式設(shè)定，且支持自定義引腳編碼，便于后期的格式修改。

圖2 數(shù)字音頻發(fā)送機結(jié)構(gòu)

數(shù)字音頻發(fā)送機電路圖如圖3所示。圖3中，數(shù)字音頻發(fā)送機有4個電容、5個電阻。不同的電容和電阻負責不同的工作、彼此連接，從而確保音頻發(fā)送機能夠順利地發(fā)送信息。CS8406數(shù)字音頻發(fā)射器包含一個片上低失真器，能夠最大限度地降低信號在傳輸過程中的失真程度，同時兼容微分線路驅(qū)動器，降低CS8406數(shù)字音頻發(fā)射器阻抗的同時，允許用戶驅(qū)動更長的電纜，以擴大數(shù)字音頻的傳輸范圍。

圖3 數(shù)字音頻發(fā)送機電路圖

1.3 通信接口設(shè)計

根據(jù)體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信需求，從功能上可將本文設(shè)計的通信接口分為硬件配置接口、控制接口、媒體接口、時鐘輸入接口四種。

首先，硬件配置接口選擇PHY集成內(nèi)部集成了物理層模塊，配合體域網(wǎng)內(nèi)的嵌入式設(shè)備，選擇I/O接口為硬件設(shè)備接口，接口的狀態(tài)參數(shù)在硬件運行后進行調(diào)制，可通過編譯TEST引腳改變接口的狀態(tài)參數(shù)，以適配體域網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備。通信接口數(shù)據(jù)傳輸過程如圖4所示。

圖4 通信接口數(shù)據(jù)傳輸過程

圖4中，通信接口利用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信息，然后通過兩組信息傳遞，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

控制接口連接數(shù)字音頻處理器和發(fā)射器的通信端口，用來傳輸復位信號、選擇信號等控制信號。其中，復位信號的低電平為2 μs，高電平為10 μs，PIL的電路始終保持150 MHz的穩(wěn)定輸出。選擇信號對應的數(shù)據(jù)總線規(guī)格為16/8 bit，選擇16為數(shù)據(jù)總線進行信號傳輸，以提升數(shù)字音頻傳輸?shù)耐掏铝俊?/p>

媒體接口可同時輸出差分輸入信號和差分輸出信號，差分輸入信號為系統(tǒng)從媒體設(shè)備接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的輸入信號，差分輸出信號為數(shù)字音頻處理器將數(shù)據(jù)輸出給媒體設(shè)備時產(chǎn)生的輸出信號。

時鐘輸入可傳輸無源晶振和有源晶振兩種時鐘信號，最低傳輸率為25 MHz，最高為150 MHz，能夠快速處理體域網(wǎng)內(nèi)的IP協(xié)議棧。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在上述數(shù)字音頻實時傳輸系統(tǒng)硬件的設(shè)計基礎(chǔ)上，以體域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)字音頻實時傳輸網(wǎng)絡(luò)，連接智能終端設(shè)備進行數(shù)字音頻的傳輸和控制，解決傳統(tǒng)數(shù)字音頻實時傳輸系統(tǒng)處理效率低、傳輸速度慢等缺點。

由于在實際的數(shù)字音頻傳輸過程中，信號傳輸通道的容量有限，大量且重復數(shù)字音頻的傳輸不僅會造成信號傳輸擁堵，且給系統(tǒng)的信號處理造成巨大困難，為此，本文應用音頻相關(guān)性計算法計算數(shù)字音頻間的相似性，對數(shù)字音頻信號進行優(yōu)化處理，便于在傳輸時剔除重復冗余數(shù)據(jù)，從而完善系統(tǒng)的軟件設(shè)計。基于體域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字音頻實時傳輸系統(tǒng)軟件工作流程如圖5所示。

圖5 基于體域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字音頻實時傳輸系統(tǒng)軟件工作流程

首先，經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字音頻信號為離散信號，相較于普通音頻信號更具復雜性，為此本文采用互相關(guān)函數(shù)描述隨機數(shù)字音頻信號間的相似性，假設(shè)有兩個待比較數(shù)字音頻信號[]和[]，則互相關(guān)函數(shù)的表達式如下：

式中：表示時間；表示數(shù)字音頻傳輸周期；r[]為時刻下數(shù)字音頻信號[]和[]的相似值，相似值越大，表示兩個信號越相似。

為更直觀地描述兩個信號間的相似性，對上述互相關(guān)函數(shù)進行歸一化處理，利用相關(guān)系數(shù)進行相似性表達，相關(guān)系數(shù)的計算方式如下：

式中：ρ[]表示相關(guān)系數(shù)，其取值范圍為[-1，1]。當數(shù)字音頻信號[]與[]完全相同時，取最大值1，反之，取最小值-1。

當數(shù)字音頻信號通過傳輸通道進行傳輸時，受傳輸環(huán)境、噪聲干擾等影響，可能出現(xiàn)信號缺失或順序紊亂的情況。為確保數(shù)字音頻的傳輸質(zhì)量，本文采用偏差估計法對數(shù)字音頻的傳輸質(zhì)量進行計算，針對偏差較大的數(shù)字音頻，更換傳輸信號進行重新傳輸，并更改信道參數(shù)，提升信道的抗干擾能力，保證信號的傳輸質(zhì)量。偏差估計法的定義式如式（3）所示：

式中：r為傳輸前原始音頻信號；Er[]為傳輸后的音頻信號，表示傳輸時間；bia{r}表示偏差估計值，取值范圍為[0，1]，當bia{r}取0時，表示信號無偏差，當bia{r}取1時，表示信號存在偏差。

上述偏差估計法僅適用于單個信號的傳輸質(zhì)量偏差計算，由于系統(tǒng)的數(shù)字音頻信號傳輸量巨大，因此對上述計算方式進行優(yōu)化，使其能對大量的數(shù)字音頻信號的傳輸質(zhì)量進行計算，修正后的計算公式為：

根據(jù)上述過程實現(xiàn)數(shù)字音頻信息傳輸，確保信息傳輸過程的準確性和真實性。

3 實驗研究

為了驗證本文提出的基于體域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字音頻實時傳輸系統(tǒng)的有效性，選用本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于CPCI總線和LVDS的傳輸系統(tǒng)、基于W5300的傳輸系統(tǒng)進行實驗對比。設(shè)定實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，選用本文提出的系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)進行對比，同時對數(shù)字音頻的實時傳輸電流進行檢測，將檢測結(jié)果與實際結(jié)果進行對比，得到的實驗結(jié)果如表2所示。

表2 電流檢測精度實驗結(jié)果 A

根據(jù)表2可知，在頻率點低于500 Hz時，檢測的電流與實際電流相差較小，檢測結(jié)果的精度相對較高，三種傳輸系統(tǒng)的檢測精度都能夠達到90%以上。隨著檢測點頻率的增加，檢測難度越來越大，因此精度也在逐漸降低。由表2可以直觀地看出：本文系統(tǒng)對于電流的檢測精度始終最高，檢測結(jié)果與實際值最為貼近，最大誤差不會超過10 A；基于W5300的傳輸系統(tǒng)檢測精度相對較低，在檢測過程中，容易受到外界因素影響，檢測精度低于80%；基于CPCI總線和LVDS的傳輸系統(tǒng)僅對物理音頻數(shù)據(jù)有很好的提取能力，整體檢測能力過低，檢測精度與實際結(jié)果相差較大，因此不適用于數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)檢測工作。

數(shù)字音頻在進行實時傳輸?shù)倪^程中，很容易受到外界噪聲干擾，因此本文研究了三種傳輸系統(tǒng)對于外界噪聲的抗干擾能力。在噪音干擾條件下，選用三種系統(tǒng)對數(shù)字音頻傳輸器的變壓器功放端輸出的電壓、電流、功率進行傳輸，得到的傳輸結(jié)果如表3～表5所示。

表3 功放端輸出電壓傳輸結(jié)果 V

表4 功放端輸出電流傳輸結(jié)果 A

表5 功放端輸出功率傳輸結(jié)果 Hz

根據(jù)表3～表5的音頻傳輸結(jié)果可知，在信息進行傳輸時，三種系統(tǒng)都會出現(xiàn)總諧波失真+噪聲的現(xiàn)象，但是本文系統(tǒng)總諧波失真+噪聲的現(xiàn)象出現(xiàn)的最少，基本上數(shù)值都可以控制在2%以內(nèi)，而傳統(tǒng)系統(tǒng)在信息傳輸過程中對頻率的響應能力較差，濾波器不具備濾波功能，因此整個通路頻響的上下限都被影響，傳輸結(jié)果較差。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)的傳輸效率低、穩(wěn)定性差、傳輸質(zhì)量難以保證等問題，本文設(shè)計了基于體域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字音頻實時傳輸系統(tǒng)。通過完善系統(tǒng)的硬件設(shè)備和軟件算法保證數(shù)字音頻的穩(wěn)定傳輸，通過實驗驗證了本文設(shè)計的系統(tǒng)傳輸性能較好，使數(shù)字音頻的傳輸更加高效、穩(wěn)定的同時，保證音頻傳輸?shù)耐暾?，提升系統(tǒng)的傳輸效率，從而促進數(shù)字化傳輸技術(shù)的進一步發(fā)展。

但考慮網(wǎng)絡(luò)影響，本文系統(tǒng)在體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下適應性不強、抗干擾能力較弱，其傳輸穩(wěn)定性和質(zhì)量有待進一步優(yōu)化。