基于Wi-Fi私有協(xié)議的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金立平 王鵬

摘要：先對目前電視音箱的使用需求和市面上常見的音頻傳輸方式做了簡單的分析，基于分析提出了基于 Wi-Fi私有協(xié)議的音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)闡述了如何優(yōu)化音頻傳輸方案以保證系統(tǒng)中的音畫同步滿足用戶需求及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：無線音箱；音頻傳輸；音畫同步；Wi-Fi協(xié)議

1背景

隨著電視技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的提升，電視產(chǎn)品向著輕薄化的趨勢發(fā)展，同時(shí)電視音響單元的設(shè)計(jì)空間也受到影響，越來越狹小的音響單元設(shè)計(jì)空間使得電視自身的音效受到了影響。并且，隨著人們生活水平的提高和審美認(rèn)知的提升，越來越多的用戶開始追求更好的家庭觀影視聽體驗(yàn)，開始購買外置音箱來增強(qiáng)客廳觀影音效。

過去的音箱多以有線音箱為主，電視通過 HDMI ARC、光纖等線路傳輸音頻信號給音箱，但是有線極大影響美觀程度，并且隨著各類無線音頻傳輸技術(shù)的發(fā)展，更多的廠商選擇研發(fā)無線音箱。無線音響系統(tǒng)的出現(xiàn)徹底使音響系統(tǒng)擺脫了音頻數(shù)據(jù)線的束縛，可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整不同音箱的位置，特別是為了增加效果，還可以隨時(shí)配備臨時(shí)音箱，這些都是有線音響系統(tǒng)最頭痛的問題[1]。因此無線音箱必將是未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)發(fā)展方向。

目前主流的無線音頻傳輸技術(shù)有藍(lán)牙、5.8G、WiSA和 Wi-Fi。藍(lán)牙音箱是較為常見的無線音箱形態(tài)，適用性廣，但是有著較為明顯的缺陷：藍(lán)牙音頻編碼絕大部分都是壓縮傳輸?shù)?，在長距離傳輸中具有一定的延遲性，這也是它不適合用于建設(shè)多聲道家庭影院系統(tǒng)的原因之一[2]。

5.8G 和WiSA都是比較成熟的技術(shù)，并廣泛的應(yīng)用在無線音箱產(chǎn)品上，但是它們都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是音箱系統(tǒng)的產(chǎn)品形態(tài)是固定的，例如2.0聲道音箱系統(tǒng)無法直接增加重低音音箱將原有系統(tǒng)變?yōu)?.1聲道系統(tǒng)，需整體更換，產(chǎn)品靈活性較差。

相較于藍(lán)牙技術(shù)，Wi-Fi 的覆蓋范圍更廣、數(shù)據(jù)傳輸速率更高、組網(wǎng)難度更小[3]。而私有 Wi-Fi 協(xié)議是在共有 Wi-Fi 協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對音頻信號傳輸?shù)奶匦赃M(jìn)行底層優(yōu)化，輔以電視本地的優(yōu)化方案，從而減少音頻傳輸延時(shí)，實(shí)現(xiàn)電視與音箱系統(tǒng)，并且 Wi-Fi 的帶寬大，使用場景靈活，但是由于是最新的技術(shù)方向，目前還未廣泛被各個(gè)廠家應(yīng)用，但是得益于其優(yōu)異的技術(shù)特性，一定是未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。

2使用場景設(shè)計(jì)

Wi-Fi 私有協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)允許廠家設(shè)計(jì)一個(gè)使用方式靈活、可擴(kuò)展性極強(qiáng)的音頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電視和至少1只 Wi-Fi 音箱組成，電視本身的音響單元可以與外置的 Wi-Fi 音箱共同發(fā)聲，組成多聲道組合，例如，電視本身2.0的音響單元與3只外置 Wi-Fi 音箱組成1個(gè)4.1的多聲道組合。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)設(shè)備同時(shí)播出音畫時(shí)，為了使用戶主觀上沒有音畫不同步的觀感，即系統(tǒng)內(nèi)音畫同步的要求，需參照 ITU-R BT1359-1標(biāo)準(zhǔn)[4]，要求系統(tǒng)內(nèi)音畫延遲在（-100～20） ms之間，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)音畫延遲時(shí)間在此范圍內(nèi)時(shí)，則用戶感受不到系統(tǒng)內(nèi)音畫的延遲，才能給用戶帶來更好的視聽體驗(yàn)。

并且用戶可以根據(jù)自身需求去自由增加系統(tǒng)內(nèi) Wi-Fi 音箱的數(shù)量和聲道設(shè)置，Wi-Fi 音箱組合還可以當(dāng)作藍(lán)牙音箱去使用，使用場景更加自由，這些產(chǎn)品優(yōu)勢都是藍(lán)牙或5.8G、WiSA等技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。

3硬件方案

音箱的硬件架構(gòu)包括 SoC 芯片、Wi-Fi 模塊（包括 Wi-Fi 及藍(lán)牙）、功放模塊、喇叭、電源、接口（USB）、按鍵、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、FLASH。

一般藍(lán)牙音箱或5.8G 無線音箱不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用 MCU 即可滿足功能要求。由于 Wi-Fi 音箱的產(chǎn)品功能更多，需要一個(gè)系統(tǒng)來進(jìn)行總體的控制，以及解析接收到的基于私有 Wi-Fi 協(xié)議打包的音頻數(shù)據(jù)，因此本方案設(shè)計(jì)使用 SoC 來負(fù)責(zé)較為復(fù)雜的控制解析功能。

4軟件方案

基于 Wi-Fi 私有協(xié)議的音頻系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)將基于以下幾點(diǎn)，以達(dá)到系統(tǒng)中電視與外置音箱音畫同步的效果：

1）低延時(shí) Wi-Fi 傳輸：使用 Wi-Fi 私有協(xié)議傳輸音頻信號，一是使用更小的數(shù)據(jù)包和更快的發(fā)送頻率來發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包封裝的速度和傳輸速度相比于公有 Wi-Fi 協(xié)議更加快速；二是使用 P2P 的方式將音頻信號發(fā)送給音箱端，電視端與音箱端直連，不經(jīng)過路由設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)；三是優(yōu)化軟件處理層級，音頻信號的發(fā)送不再經(jīng)過應(yīng)用程序?qū)樱ˋPPs）和應(yīng)用程序架構(gòu)層（API Framework），直接通過運(yùn)行庫（Library）傳輸給 Wi-Fi 芯片，從而降低低音頻信號的傳輸延時(shí)。傳輸延時(shí)在33 ms以下；并且根據(jù) Wi-Fi 數(shù)據(jù)包重傳率來動(dòng)態(tài)調(diào)整 Wi-Fi 傳輸速率來說保證數(shù)據(jù)的傳輸品質(zhì)，降低丟包率，實(shí)現(xiàn)音頻傳輸不卡頓；

2）電視與音箱同步發(fā)聲優(yōu)化：由于電視平臺(tái)處理圖像和聲音的路徑不同，電視對于圖像的優(yōu)化會(huì)造成聲音與圖像之間有著一定的延時(shí)，一般來說，電視產(chǎn)品本地音畫的延時(shí)在（-50～20） ms之間；再根據(jù)圖像幀率和音箱傳輸延時(shí)信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整電視本地聲音延時(shí)和畫面延時(shí)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低電視端與音箱端發(fā)聲的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)聲。

同時(shí)，在音箱端也可以實(shí)時(shí)調(diào)整延時(shí)，來匹配電視端的音畫延遲。音箱根據(jù)聲音延時(shí)值對PCM 數(shù)據(jù)包的輸出時(shí)間進(jìn)行延時(shí)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所述視頻畫面與所述 PCM 數(shù)據(jù)包對應(yīng)的音頻數(shù)據(jù)同步 [4]。

3）音箱高精準(zhǔn)同步：使用私有 Wi-Fi 協(xié)議封裝的數(shù)據(jù)流會(huì)將每個(gè)數(shù)據(jù)塊打上時(shí)間戳，音箱端在播放接受到的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)根據(jù)時(shí)間戳信息來動(dòng)態(tài)調(diào)整播放時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)不同音箱之間的精準(zhǔn)同步播放。

5 結(jié)束語

本文提出的方案是以 Wi-Fi 私有協(xié)議為基礎(chǔ)，根據(jù)Wi-Fi 私有協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了該技術(shù)在音頻傳輸領(lǐng)域可搭建的音頻系統(tǒng)的廣泛使用場景，并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)相應(yīng)的軟硬件方案，從而達(dá)到了該基于 Wi-Fi 私有協(xié)議架構(gòu)的音頻系統(tǒng)內(nèi)的音頻傳輸延時(shí)滿足行業(yè)內(nèi)音畫同步的標(biāo)準(zhǔn)，奠定了商業(yè)化的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔強(qiáng).影院無線音響系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2018（5）：32-35.

[2] 編輯部.為高質(zhì)量無線影院系統(tǒng)而來淺析WiSA無線傳輸技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢[J].家庭影院技術(shù)，2022（8）：20-29.

[3] 卜旭，程允麗.智能音箱關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢研究[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（7）：33-37.

[4] ITU-R BT.1359-1-1998，聲音和視頻廣播的相對定時(shí)[S].國際組織：國際電信聯(lián)盟，1998.

[5] 吳敏，韋澤垠.音頻傳輸方法、裝置、設(shè)備及可讀存儲(chǔ)介質(zhì)：中國.201811631310.8[P].2021，10（1）.