基于CobraNet的網絡音頻傳輸的設計與實現

黃云（杭州蕭山國際機場，浙江 杭州 311207）

基于CobraNet的網絡音頻傳輸的設計與實現

黃云
（杭州蕭山國際機場，浙江 杭州 311207）

依據機場內部局域網具有的功能，探索出利用常規性網絡傳輸實現機場航站樓廣播系統自動數字化的方法。基于利用CobraNet技術開發的CM-2數字音頻網絡接口模塊的功能，借助交換機進行局域網子網劃分，實現分布式分區廣播，完成從傳統模擬音頻傳輸到網絡數字音頻傳輸的飛躍。該方案具有系統結構簡單、施工走線方便、分區拓撲靈活和低成本優勢，為數字化廣播工程的設計施工提供一定的參考。

CobraNet專業音頻 網絡協議 交換機

1 引言

機場航站樓音頻系統作為音頻處理中心，不僅為旅客提供廣播信息服務，還提供娛樂節目，對播放內容、語音清晰度和語音質量等提出了很高的要求。音頻系統CobraNet協議的物理架構是標準以太網。CobraNet協議可以通過識別技術與計算等通信技術在標準以太網上傳送等時或軟時鐘特性的數據流，等時數據流具有時間敏感性和確定性兩大特點；但是以太網是異步網絡傳輸，不能確保某一數據包的及時送達；而音頻信號傳輸的實時性極強，任何傳輸延遲將導致音響質量的急劇下降。也就是說，將CobraNet設備和生產計算機放置在一起，當大數據量到來時，則會出現爭搶帶寬的現象，會產生計算機得不到帶寬或者CobraNet丟失數據包。在機場實際工程中，并非單獨為CobraNet設立以太網絡，而是借助交換機進行子網劃分，把CobraNet獨立出來使用，充分利用網絡音頻來保證信號傳輸的連續性。

2 CobraNet協議

CobraNet是綜合硬件、軟件和通信協議為一體的網絡音頻實時傳輸技術［1］，它采用的是標準以太網IEEE802.3網絡協議。CobraNet音頻傳輸技術是多通道的數字信號技術，利用成熟的快速以太網技術來傳輸和分配實時、非壓縮的（PCM）數字音頻信號，在互聯網基礎上延伸和擴展，其標準采樣率和量化分辨率為廣播級的48 kHz和20 bits，高于了CD唱片的數據指標［2］；其特點是信號不會產生壓縮而引起失真，聲音延時量小于8 ms而不會有感覺。CobraNet協議把音頻信號打成數據包（Bundle），一個Bundle的數據量含8路20 bits的音頻信號。CobraNet的Network Bundle數據包有目的設備與源設備

定稿日期：2015-11-26的Mac地址，信號的路由分配非常靈活，能夠多點（multiast）和單點（unicast）對數據進行定點傳輸。CobraNet數據服務如圖1所示。

圖1 CobraNet數據服務示意圖

CobraNet數據被“封裝”在以太網MAC幀中，CobraNet協議包括3種基本的數據包類型為：時鐘（Beat）數據包、預約數據包和音頻數據包。Beat數據包是由局域網中的Conductor指揮官發出的，每秒發送750次，大小約為100 Bytes，由主機用多播地址（01：60：2B:FF:FF:00）差拍分組傳送。其作用保證全網絡建立一個同步的時鐘節拍，讓CobraNet設備在一個時鐘步調上傳送數據。預約數據包即是PC數據，是CobraNet音頻數據傳輸的開始，每隔差不多一秒一次向外發送的組播數據包，預約用多播地址（01：60：2B:FF:FF:01）控制數據包的地址分配，是協議中預約－允許－發送機制的重要環節。它有2個方面的作用：一方面每個CobraNet設備定期向Conductor發出預約傳送請求，并等待批準；另一方面定期向網絡公布自己的CobraNet優先級和IP地址，供上層管理軟件使用。音頻數據包是包含數字音頻數據，數據可以是16、20或24 bits未經壓縮的PCM音頻數據，在默認情況下的采樣為48 kHz/20 bits，其作用是當傳送機的傳送請求得到批準后，開始向目的地址發送同步音頻數據。

CobraNet網絡在純CobraNet設備中會認定主機為“指揮官”設備，主機從CM-2模塊的（VCXO）晶體振蕩器或接受外部的時鐘源生成一個標準時基，主機按一定規律的節拍向網絡發送數據包，在網絡上的CobraNet設備鎖定數據包和本地生成的時鐘到達時間，接收數據。如果主機出現故障，網絡中的CobraNet設備在幾毫秒內將會承擔起主機的角色，缺乏主機將無法完成音頻數據的傳送。

3 CM-2數字音頻網絡接口模塊的介紹

CobraNet技術是Cirrus Logic推出的領先于音響界的數字音頻網絡技術。CM-2［3］是數字音頻網絡接口模塊，它很容易集成到各種音頻設備中，如信號處理器、混合器和功放等等。要讓數字音頻能夠在以太網絡上傳輸，必須要有數字音頻到網絡數據包的轉化，CM-2模塊就能把音頻數據封裝成網絡數據包同步發送到以太網中，在以太網中的另外的CobraNet設備收到網絡數據包后進行分析確認；若是同設備應該接受的數據包，CM-2模塊把數據包進行解包處理得到音頻數據，形成IIS標準通訊模式的數字音頻數據送入到FPGA（Field Programmable Array Logic現場可編程門陣列）中，有FPGA路由到指定的D/A端口，完成音頻傳輸。CM-2模塊結構原理圖，如圖2所示。建立了一個可與TCP/IP數據網絡共存、傳遞音頻數據的CobraNet協議，接口采用變壓器隔離。

圖2 CM-2模塊結構原理圖

3.1 CM-2模塊特性

CM-2模塊特性主要有：100 BASE-TX以太網接口—100 Mbps、全雙工以太網，完全兼容IEEE 802.3u標準；次級100 BASE-TX以太網接口—提高容錯能力的冗余網絡連接；四路同步串行輸出端口—能夠以48或96 kHz采樣率提供2、8或16個輸出通道；四路同步串行輸入端口—能夠以48或96 kHz采樣率接收2、8或16個輸入通道；錄音棚等級的低時基抖動時鐘信號源—抖動小于1 ns；高速并行主機接口—可接至外置控制處理器（可選）；SNMP代理—符合標準的以太網控制、監控和管理；支持TFTP—可在線更新固件程序；低遲延—可選1.33、2.66或5.33 ms網間遲延；可選RJ-45連接遠程供電—通過Cat-5以太網連接供電，需要外置電路；異步串行輸入/輸出端口—向以太網傳送串行控制數據；狀態指示燈—為每個以太網插孔提供連接狀態、活動狀態以及CobraNet指揮狀態指示。

3.2 IIS通訊模式

IIS（Inter IC Sound Bus）標準數字音頻數據總線，能夠與各種具有IIS協議的音頻設備互通互聯。是CM-2常用的時序傳輸模式。如圖3所示，標準的24位的音頻數據，最高有效位與采樣周期FS1向左對齊，當一個采樣周期FS1到達。數據采樣DAI_SCLK邊緣的上升和下降沿時音頻數據變化。

圖3 IIS時序圖

3.3 CS1810xx/CS4961xx硅系統產品

CS1810xx/CS4961xx（帶DSP處理功能）2個系列的網絡音頻處理器，是CM-2模塊的重要組成部分。CS1810xx/CS4961xx實現了網絡協議棧和執行實時同步轉換。網絡時鐘是與壓控晶體振蕩器（VCXO）產生同步并受網絡音頻處理器控制，采用LPQF144腳封裝，引腳可分為處理器外部總線、主機接口HMI（Host Management Interface）、數字音頻接口SSI（Digital Audio Interface）和異步通信等等。

CS1810xx/CS4961xx網絡音頻處理芯片的固件裝載是由生產廠商自帶的光盤完成。它的固件ROM裝載由bootloader和應用程序兩部分，先用網線將計算機的并口和520CPU模塊的下載接口相連，運行Cirrus Logic公司提供的DOS應用程序，執行命令“elcm2.cmd”實現bootloader裝載，完成以太網接口和主機接口等驅動安裝。CS1810xx/CS4961xx內部主機接口部分提供8個8位寄存器，其地址由基址HMI-BASE和低位HADD3-HADD0之和決定。0～8位地址對應信息寄存器Message A（MS）、Message B、Message C、Message D（LS）和數據Data A（MS）、Data B、Data C、Data D（LS）。主機可以向CS1810xx/CS4961xx發送10種消息，消息功能和對應信息寄存器的值如表1所示。

表1 主機接口信息表

CS1810xx/CS4961xx接到消息后，將主要處理結果存放在信息寄存器Message D中，Message D中各位對應的狀態是bit0信息翻轉位；bit1接收包有效位；bit2包發送完成位；bit3地址轉換完成位；bit4可寫區位。主機可以完成許多任務，其中包括HMI的讀和寫的地址轉換處理。程序代碼如下：

等待地址寫入轉換結束，清除數據管道

｝

4 CobraNet音頻傳輸網絡

在網絡中音頻設備進行相互通信的時候，數字音頻要經過操作系統、通信程序、網卡和網絡交換設備等各個環節，而為這些環節生產相應設備的廠家也不計其數，如何讓網絡連接涉及到的軟件設備和硬件設備、通信協議能夠“相互溝通”和“相互協作”必須要有一套通信規則，CobraNet技術授權給予了這些制造商。CobraNet支持以太網轉發和交換的協議，如表2所示。CobraNet協議是建立在標準以太網構架下的網絡傳輸協議，與標準以太網的OSI七層參考模型對應。

表2 OSI七層參考模型對應

CobraNet協議可以圍繞以太網交換機或者以太網集線器來構成，協議標識符為0X8819是邏輯鏈路層協議。

4.1 CobraNet數據包中音頻通道的限制

CobraNet數據包的一個標準通道的數據量帶寬為48 kHz×20 bits=0.96 MBit/s，那么每個Network Bundle數據包中含有8路20 bits的音頻信號，為48 kHz×20 bits×8=7.68 MBit/s再加上控制數據和公共數據，實際數據流約為9 MBit/s。也即CobraNet協議在100 Mbps的快速以太網上可以持64路音頻信號。因此總發送數量大于8個8路20 bits的音頻信號時，就會出現爭搶帶寬，必須對網絡進行優化。

4.2 交換機作為CobraNet網絡交換設備

交換機是全雙工設備，能夠支持采樣頻率為48 kHz/20 bits的64路音頻信號，當多口交換機的數據疊加時，則更加要求交換機的主板有足夠的帶寬，并且CPU的速度也要夠快［4］，才能保證廣播語音的質量，解決延時問題。因為交換機具有強大的路由交換能力和支持閉合環路的拓撲結構，能夠智能化路由分配、網絡流量監控和設定虛擬局域網（VLAN）等功能。交換機的“智能”體現在能夠記住與它相連接的設備的MAC地址，在數據收發的兩端建立了數據連接，直接由MAC地址準確“投遞”到對方的端口上。而以太網集線器其工作在物理層，僅僅是簡單將輸入端口的信號進行放大然后均勻的“廣播”到其他端口的信號放大設備，不能同時進行發送、接收2種狀態。

5 音頻網絡傳輸實例

杭州蕭山國際機場航站樓采用了IED數字廣播系統。為了提高航站樓廣播網絡系統可靠性，廣播網絡系統設計成二級雙星型結構：第一級：由設在主機房的核心層交換機與各匯聚機房的接入層以太網交換機通過單模光纖連接，形成千兆網絡主干，第二級由接入層交換機至廣播系統設備之間采用10/100Base-Tx，實現接入層連接。在交換機上使用VLAN技術劃分2個VLAN，分別為CobraNet音頻信號傳輸VLAN及控制信號傳輸網絡（IEDNet）VLAN。系統能夠同時輸入16路語音信號，向32個不同的任意廣播區域輸出。采用集中管理、分散控制的模式。510ACS廣播系統的矩陣、功放系統設備和廣播站臺之間采用以太網絡連接，根據信息傳輸協議的不同，510ACS系統通過510N卡進入CobraNet音頻信號傳輸網絡，與外圍數字廣播站或其他數字音頻音源、TITAN數字功放系統之間進行CobraNet音頻信號的傳輸。510ACS系統通過520CPU卡上的網絡端口與系統管理服務器及自動廣播服務器進行通訊，采用IED的CobraNet網絡協議，形成系統內部的控制信號傳輸網絡（IEDNet）。

6 CobraNet技術特點和建議

CobraNet技術可以構建一套性能穩定，安全可靠，功能齊全，智能化管理的音頻傳輸和分布式音頻矩陣廣播系統。一根網線和光纜即可取代模擬系統中多根音頻電纜，網絡中增加監控信息，減少了線纜鋪設所花費的人力和物力，系統調試和維護十分簡便。采用VB可視化程序和強大的Microsoft SQL Server2000數據庫，使操作和維護管理人員能夠更加方便直觀的操作系統，也可通過網絡管理協議（SNMP）采用網絡光電轉換盒進行遠程監控。基于CobraNet技術使用交換機容易拓撲網絡結構，與擴聲和廣播電臺系統等專業音頻領域要求延時不得超過10 ms相比，CobraNet技術每秒同步750次完成音頻傳輸的低延時是其最大的優點。專業的CobraNet應用工具軟件Discovery、DSPConductor和CobraNetCAD可容易地完成設計和切換工作［5］。

在日常維護管理工作中同時也發現廣播系統還有一些問題，還有一些可以提升的方面，主要包括：①通道數的限制，設備支持16通道，如果要進行更多通道的互聯需要進行較大改動；②不能進行視屏傳輸，實現音頻與視屏的同時傳輸，才能實現樞紐機場航班信息聯網，使系統有更好的應用；③智能化程度還不夠，需要人為干預與控制，實現系統自動化功能，完善系統也是需要提升的部分。

7 結束語

模擬方式處理音頻信號是基于硬件來實現，成為產品后就難以更改和擴充，而且難以集成。隨著數字信號處理技術的出現，數字音頻系統的靈活性、易修改和易擴充，便于集成的優點充分顯現出來。將來在機場、鐵路、車站、大型場館、智能樓宇、會議中心、娛樂會場和學校電化教育等場合，數字化音頻網絡傳輸系統會得到廣泛應用。基于CobraNet技術的數字廣播系統，能使音源采集、制作、處理和播出產生質的飛躍；CobraNet設備具有的特性如：互通性好、低成本、高可靠性及高穩定性，將使其成為未來網絡音頻的發展方向和行業標準。

［1］王 峰.一種基于Cobranet技術的視頻會議用聲音采集和回放系統的設計［D］.北京：中國海洋大學，2012：12－23

［2］兆 翦.CobraNet技術原理與應用（上、中、下）［J］.音響技術，2004：58-62.

［3］CobraNet.CobraNet程序員參考手冊［M］.Copyright2005 Cirrus Logic，Inc，2005.

［4］姜少華.CobraNet的技術原理與實際應用［J］.音響技術，2012 （5）：50-52.

［5］羅寧娟.民航機載數字音頻系統的設計與實現［D］.北京：電子科技大學，2013：29-56.

Transmission Design And Implementation Of Network Audio Based On Cobranet

HUANG Yun
（Hangzhou Xiaoshan International Airport，Xiaoshan Hangzhou 311207，China）

This article explores methods of digitalization and automation of broadcasting system terminals by applying conventional network transmission based on the function of local area network of the airport.This is based on function of CM-2 digital audio network interface modular which developed according to CobraNet technology，submitting with the help of exchangers，realize distributed area broadcasting and the breakthrough of audio transmission from analogue to internet digital.This scheme provides a reference for digita broadcasting project due to its simple structure，convenient cable layout，smart topology and cost efficiency.

CobraNet；Professional Audio；network Protocols；Switch

TP393.1

A

1008-1739（2015）24-66-4