基于Dante低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

郭遠(yuǎn)林

（廣州市迪士普音響科技有限公司，廣東 廣州 510450）

目前，公共廣播工程已經(jīng)普遍采用IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這種類型的公共廣播系統(tǒng)具備OSI的七個協(xié)議層，能較好地兼容標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以滿足對音頻延時(shí)和質(zhì)量要求不高的場景應(yīng)用，但是由于缺乏同步機(jī)制，且延時(shí)在數(shù)百毫秒級，對音頻指標(biāo)要求較高，尤其是有低延時(shí)需求的應(yīng)用場景就難以達(dá)到要求。針對這一問題提出基于Dante網(wǎng)絡(luò)音頻傳輸協(xié)議的公共廣播系統(tǒng)解決方案，在具有一般網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)應(yīng)備功能的基礎(chǔ)上，引入Dante網(wǎng)絡(luò)音頻傳輸協(xié)議，具備專業(yè)擴(kuò)聲工程的低延時(shí)、同步性等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足高標(biāo)準(zhǔn)公共廣播項(xiàng)目的需求。

1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)搭建的公共廣播系統(tǒng)一般稱為網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)（IP公共廣播系統(tǒng)），公共廣播系統(tǒng)中最基本的海量音頻節(jié)目庫、遠(yuǎn)距離的傳輸和控制、大范圍的矩陣交互等方面通過計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而化解。網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)將音頻信號數(shù)字化后封裝到IP數(shù)據(jù)包傳輸，相比采用模擬線路的公共廣播系統(tǒng)的音頻信號傳輸，性能顯著提升，傳輸距離即是網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的范圍，音頻質(zhì)量可達(dá)到CD級別。

1.1 基于x86架構(gòu)計(jì)算機(jī)平臺的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

早期IP公共廣播系統(tǒng)的硬件是基于x86架構(gòu)的計(jì)算機(jī)平臺，典型系統(tǒng)如圖1所示，音頻信號傳輸鏈路如圖2所示。由x86架構(gòu)服務(wù)器構(gòu)建的公共廣播系統(tǒng)，以x86架構(gòu)服務(wù)器的主機(jī)作為系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯處理、節(jié)目存儲管理、定時(shí)管理、系統(tǒng)控制界面交互等功能。終端也是x86架構(gòu)的計(jì)算機(jī)，分為信號輸入類終端和信號輸出類終端，輸入類終端包括模擬音頻信號輸入、告警信號輸入、控制信號輸入等；輸出類終端包括模擬音頻信號輸出、告警信號輸出、控制信號輸出等，音頻信號輸出的終端就是廣播分區(qū)設(shè)備；此外，還有混合類終端同時(shí)具有輸入輸出功能。

圖1 早期網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)原理

圖2 網(wǎng)絡(luò)化廣播的音頻信號傳輸鏈路

早期的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)由于主機(jī)和終端都采用x86架構(gòu)硬件，本質(zhì)上就是由通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)，只是主機(jī)性能相對于終端更好一些，而終端因?yàn)楣δ軉我慌渲孟鄬Φ秃芏啵幢闳绱耍K端成本還是比較高昂，而且體積較大。主機(jī)對所有的終端在任何時(shí)候都能進(jìn)行獨(dú)立的音頻選擇播放、音量控制、開關(guān)等功能，也可以批量對若干數(shù)量的分區(qū)進(jìn)行控制，即所謂的分組功能，也可以進(jìn)行雙向的互動操作，如終端點(diǎn)播服務(wù)器的音頻內(nèi)容，與主機(jī)或其他終端進(jìn)行音頻對講等。系統(tǒng)的分區(qū)數(shù)量規(guī)模取決于服務(wù)器主機(jī)的性能和網(wǎng)絡(luò)的帶寬，一般可以很容易實(shí)現(xiàn)過千分區(qū)的功能。

1.2 基于ARM架構(gòu)處理器的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

得益于ARM架構(gòu)處理器的快速發(fā)展，新一代網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的終端硬件核心也逐漸改由ARM嵌入式系統(tǒng)，產(chǎn)品體積和成本均大幅減小，一個典型的基于ARM架構(gòu)處理器的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)如圖3所示。主機(jī)采用x86架構(gòu)的硬件+Windows/Linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器，也有采用ARM架構(gòu)服務(wù)器+Linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器，各終端設(shè)備通常采用ARM嵌入式SoC或者其他類型的MCU作為核心。

圖3 新一代網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)原理

該類公共廣播系統(tǒng)涉及的設(shè)備類型較多，本文中不討論完整系統(tǒng)，僅討論與音頻相關(guān)部分的功能。從信號源類型來看，通常系統(tǒng)的音頻信號源主要有兩類。

1）從服務(wù)器硬盤播放的音頻文件，格式有MP3、MP4、AAC、WAV、WMA、APE等，通常采用流媒體技術(shù)，用UDP協(xié)議由主機(jī)發(fā)送到廣播分區(qū)終端，一個文件可以被同時(shí)播放到所有分區(qū)終端或者若干個分區(qū)終端，終端接收數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)解碼成模擬音頻信號，并送往下級信號處理設(shè)備（功率放大器、揚(yáng)聲器）。

2）由音頻輸入類終端（傳聲器、播放機(jī)、線路輸入）實(shí)時(shí)采集的模擬音頻信號，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為保證實(shí)時(shí)性和音頻質(zhì)量，一般不經(jīng)過壓縮處理，直接封裝成IP數(shù)據(jù)包，并通過UDP協(xié)議發(fā)送到廣播終端，終端處理過程與處理服務(wù)器傳送文件音頻流類似。

1.3 網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的延時(shí)與同步

網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)具有服務(wù)器向每個分區(qū)終端同時(shí)播放不同音頻文件的能力，而采集類信號源則以一對多或多對多的方式完成分區(qū)實(shí)時(shí)廣播，總體來看類似于網(wǎng)絡(luò)化的音頻交叉矩陣。

公共廣播系統(tǒng)工程本身屬于擴(kuò)聲工程，除常規(guī)的頻響、失真度、聲壓級等衡量電聲性能指標(biāo)外，音頻信號的延時(shí)和同步指標(biāo)也非常重要。這里的延時(shí)是指信號源進(jìn)入到系統(tǒng)輸入設(shè)備，再經(jīng)過系統(tǒng)傳輸與處理，最終由輸出設(shè)備輸出，全鏈路整個過程的時(shí)間差，如圖4，這個值越小越好。同步是指當(dāng)兩個以上設(shè)備輸出同一個信號時(shí)，彼此之間存在的時(shí)間差，如圖5，這個值也是越小越好。

圖4 網(wǎng)絡(luò)化公共廣播的延時(shí)

圖5 網(wǎng)絡(luò)化公共廣播的同步

當(dāng)前廣泛使用的IP公共廣播系統(tǒng)一般基于OSI 7層架構(gòu)及完整的來自操作系統(tǒng)的協(xié)議棧，設(shè)計(jì)編程以頂層應(yīng)用為主，具有開發(fā)技術(shù)難度較低，可以廣泛兼容常規(guī)局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的特點(diǎn)，但是由于缺乏網(wǎng)絡(luò)及媒體時(shí)鐘同步機(jī)制，以及針對時(shí)間敏感數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡讓觾?yōu)化措施，對于實(shí)時(shí)傳輸音頻信號而言，延時(shí)和同步的問題比較明顯。目前各公共廣播產(chǎn)品都有自己的一套協(xié)議組合，采用不同的技術(shù)路線，如A/D的采樣率、IP數(shù)據(jù)包的載荷長度、緩存的大小等，對于延時(shí)和同步的指標(biāo)會帶來較大差異；除產(chǎn)品本身的硬件與軟件算法、協(xié)議有關(guān)外，還與設(shè)備使用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)。目前，網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)理想狀態(tài)下，延時(shí)普遍能達(dá)到的實(shí)測值是100～400 ms，在實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用中，很多時(shí)候各種網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)備混用在一個局域網(wǎng)中，通常延時(shí)要大于這個數(shù)值，使公共廣播系統(tǒng)的電聲指標(biāo)會大打折扣。以網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)中音頻信號源的播放為例，對于直接播放存于播放服務(wù)器的音頻文件，無需信號處理，延時(shí)小；對于實(shí)時(shí)采集的信號源，尤其是傳聲器輸入延時(shí)最敏感，其他類型的相對不太敏感，因?yàn)槁牨娍梢酝瑫r(shí)聽到講話者的直達(dá)聲和由傳聲器拾取經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣播還原的電聲信號，如果延時(shí)過大將明顯影響聽音質(zhì)量，甚至聽到兩個聲音。而在聲音同步方面，同步性能對所有的信號類型都有影響，同步不好時(shí)會劣化聲場分布，降低語音清晰度，不同程度地影響到聽音效果。

2 基于Dante的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

為實(shí)現(xiàn)IP公共廣播系統(tǒng)低延時(shí)的音頻傳輸，一個有效的解決方案是選用專業(yè)擴(kuò)聲領(lǐng)域使用的網(wǎng)絡(luò)音頻協(xié)議，目前主流的傳輸協(xié)議有CobraNet、EtherSound、Dante、AVB等。其中，Dante具有完備的軟、硬件的解決方案，包括專用芯片和接入模塊（硬件）、控制管理軟件（API接口以及Dante Controller，見圖6）、虛擬聲卡（軟件，見圖7）等。目前，在各種類型的專業(yè)擴(kuò)聲、會議系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其延時(shí)低、同步性好、支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)應(yīng)用等特性決定了在公共廣播系統(tǒng)也具備很好的實(shí)用性。Dante虛擬聲卡能安裝在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)本地網(wǎng)口，直接將計(jì)算機(jī)中錄放音文件數(shù)據(jù)流與Dante協(xié)議控制流進(jìn)行對接，極大方便了IP公共廣播系統(tǒng)的音頻文件播放及傳輸。圖8就是基于Dante數(shù)字音頻傳輸協(xié)議的低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)方案。

圖6 Dante Controller

圖7 Dante虛擬聲卡

圖8 基于Dante的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)工作原理

由于Dante協(xié)議是一個實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字音頻傳輸協(xié)議，與通常意義的網(wǎng)絡(luò)流媒體傳輸機(jī)制不盡相同，因此基于Datne網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的公共廣播系統(tǒng)必須將系統(tǒng)中的兩類音頻信號源（見前文1.2節(jié)）統(tǒng)一到Dante的傳輸方式和協(xié)議格式上。對于傳聲器、線路輸入、調(diào)音臺等輸入類設(shè)備的信號，可以直接采用Dante SoC硬件模塊進(jìn)行采集。對于服務(wù)器音頻文件庫的輸出則有以下兩種方式。

1）通過服務(wù)器的音頻播放軟件從聲卡輸出音頻信號，再由DanteSoC硬件模塊封裝成Dante協(xié)議數(shù)字音頻數(shù)據(jù)包。這種方式由于采用硬件聲卡，在服務(wù)器信號源通道少的情況下，比較容易實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)服務(wù)器信號源通道達(dá)到幾十上百以上時(shí)面臨硬件復(fù)雜、成本高的問題，即使采用USB聲卡也是如此。

2）采用純軟件實(shí)現(xiàn)廣播服務(wù)器音頻庫文件轉(zhuǎn)換為Dante網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流。如采用Dante VirtualSoundcard軟件，兼容ASIO驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)多通道虛擬聲卡，音頻播放器輸出的數(shù)據(jù)流可以通過ASIO接口與虛擬聲卡耦合，將虛擬聲卡的音頻信號封包成Dante協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。這就意味著可以實(shí)現(xiàn)多通道Dante協(xié)議數(shù)據(jù)流，具有16×16、32×32、64×64，甚至更多通道。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

采用Dante協(xié)議實(shí)現(xiàn)低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖9所示。主機(jī)是系統(tǒng)的管理控制中心，自帶音頻文件庫，可根據(jù)終端的播放需求動態(tài)開啟播放器，再由Dante虛擬聲卡封裝成Dante格式音頻數(shù)據(jù)流后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備分為信號輸入、信號輸出、輸入輸出混合3類，信號輸入類設(shè)備包括尋呼器、CD、收音機(jī)、傳聲器等，信號輸出類設(shè)備包括解碼器、有源揚(yáng)聲器、功率放大器等，輸入輸出混合類設(shè)備主要是有交互功能的對講終端。公共廣播系統(tǒng)除基本的音頻傳輸功能外，還必須具有系統(tǒng)管理和控制的功能，所有的控制功能均由服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，操作界面可以通過服務(wù)器的顯示屏、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、移動終端APP等方式實(shí)現(xiàn)。

圖9 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

基于Dante的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)，在硬件構(gòu)成上，只需把各終端核心從ARM SoC替換成DanteSoC模塊，就可實(shí)現(xiàn)Dante通信功能；在軟件方面，主機(jī)可以沿用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的定時(shí)管理和分區(qū)管理等基礎(chǔ)功能，只需將原來音頻文件流媒體傳輸方式轉(zhuǎn)換成基于Dante虛擬聲卡的多通道音頻播放方式，分區(qū)管理由服務(wù)器調(diào)用DanteAPI接口進(jìn)行，通過Dante網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令數(shù)據(jù)來完成流的切換，以及對各終端的DanteSoC芯片的控制。在千兆以太網(wǎng)條件下，系統(tǒng)可以達(dá)到1 024通道以上的分區(qū)規(guī)模。

2.3 延時(shí)及同步的測試

對網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的音頻延時(shí)和同步時(shí)差的測量方法如圖10所示，測試信號由音頻播放器產(chǎn)生，內(nèi)容為自行制作的WAV音頻文件，總時(shí)長為5 s，前2 s空白，接著10 ms是10 kHz/-10 dB正弦音頻信號，最后是2 900 ms的空白，這樣設(shè)計(jì)的測試信號易于示波器捕捉。使用上述方法分別對一套低延時(shí)廣播系統(tǒng)和兩套不同品牌的網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果顯示：

圖10 第三組吊掛主火炬示意圖

圖10 同步和延時(shí)的測試方案

1）基于Dante數(shù)字音頻傳輸協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)，延時(shí)低于6 ms，同步時(shí)間偏差低于0.5 ms，兩項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到比較理想的狀態(tài)，詳見圖11；

圖11 基于Dante數(shù)字音頻傳輸協(xié)議公共廣播系統(tǒng)的同步和延時(shí)測試結(jié)果

2）普通協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)1，延時(shí)達(dá)到415 ms，同步時(shí)間偏差5 ms，詳見圖12；

圖12 普通協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)1的同步和延時(shí)測試結(jié)果

3）普通協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)2，延時(shí)達(dá)到276 ms，同步時(shí)間偏差5 ms，詳見圖13。

圖13 普通協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)2的同步和延時(shí)測試結(jié)果

3 基于Dante網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)的應(yīng)用

某音樂學(xué)院因?yàn)閷I(yè)特點(diǎn)對公共廣播系統(tǒng)的音質(zhì)有尋呼講話低延時(shí)、分區(qū)聲音同步、語言清晰度方面的高標(biāo)準(zhǔn)要求，校方對目前的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)不滿意，經(jīng)綜合對比后選用基于Dante網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D14，設(shè)備安裝調(diào)試后校方非常認(rèn)可本系統(tǒng)的音頻低延時(shí)和聲音質(zhì)量。

圖14 基于Dante的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)應(yīng)用拓?fù)鋱D

4 結(jié)語

公共廣播系統(tǒng)的信號延時(shí)是一項(xiàng)重要指標(biāo)，對于有傳聲器信號輸入需求的現(xiàn)場擴(kuò)聲系統(tǒng)尤其重要，文中介紹的基于Dante協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化公共廣播系統(tǒng)在音頻延時(shí)和同步性等指標(biāo)上具有明顯優(yōu)勢，同時(shí)具備公共廣播系統(tǒng)的應(yīng)備常用功能，可以滿足實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用需求。