基于Wi-Fi私有協議的音頻系統設計

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私有協議的音頻系統的設計方案，重點闡述了如何優化音頻傳輸方案以保證系統中的音畫同步滿足用戶需求及行業標準。

關鍵詞：無線音箱；音頻傳輸；音畫同步；Wi-Fi協議

1背景

隨著電視技術的發展和用戶需求的提升，電視產品向著輕薄化的趨勢發展，同時電視音響單元的設計空間也受到影響，越來越狹小的音響單元設計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，開始購買外置音箱來增強客廳觀影音效。

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的發展，更多的廠商選擇研發無線音箱。無線音響系統的出現徹底使音響系統擺脫了音頻數據線的束縛，可以根據需要隨時調整不同音箱的位置，特別是為了增加效果，還可以隨時配備臨時音箱，這些都是有線音響系統最頭痛的問題[1]。因此無線音箱必將是未來的產品設計和技術發展方向。

目前主流的無線音頻傳輸技術有藍牙、5.8G、WiSA和 Wi-Fi。藍牙音箱是較為常見的無線音箱形態，適用性廣，但是有著較為明顯的缺陷：藍牙音頻編碼絕大部分都是壓縮傳輸的，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多聲道家庭影院系統的原因之一[2]。

5.8G 和WiSA都是比較成熟的技術，并廣泛的應用在無線音箱產品上，但是它們都有一個共同的缺點，就是音箱系統的產品形態是固定的，例如2.0聲道音箱系統無法直接增加重低音音箱將原有系統變為2.1聲道系統，需整體更換，產品靈活性較差。

相較于藍牙技術，Wi-Fi 的覆蓋范圍更廣、數據傳輸速率更高、組網難度更小[3]。而私有 Wi-Fi 協議是在共有 Wi-Fi 協議的基礎上，針對音頻信號傳輸的特性進行底層優化，輔以電視本地的優化方案，從而減少音頻傳輸延時，實現電視與音箱系統，并且 Wi-Fi 的帶寬大，使用場景靈活，但是由于是最新的技術方向，目前還未廣泛被各個廠家應用，但是得益于其優異的技術特性，一定是未來的技術發展趨勢。

2使用場景設計

Wi-Fi 私有協議的技術特點允許廠家設計一個使用方式靈活、可擴展性極強的音頻系統，該系統由電視和至少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4.1的多聲道組合。當系統內多個設備同時播出音畫時，為了使用戶主觀上沒有音畫不同步的觀感，即系統內音畫同步的要求，需參照 ITU-R BT1359-1標準[4]，要求系統內音畫延遲在（-100～20） ms之間，當系統內音畫延遲時間在此范圍內時，則用戶感受不到系統內音畫的延遲，才能給用戶帶來更好的視聽體驗。

并且用戶可以根據自身需求去自由增加系統內 Wi-Fi 音箱的數量和聲道設置，Wi-Fi 音箱組合還可以當作藍牙音箱去使用，使用場景更加自由，這些產品優勢都是藍牙或5.8G、WiSA等技術無法實現的。

3硬件方案

音箱的硬件架構包括 SoC 芯片、Wi-Fi 模塊（包括 Wi-Fi 及藍牙）、功放模塊、喇叭、電源、接口（USB）、按鍵、時鐘模塊、復位模塊、FLASH。

一般藍牙音箱或5.8G 無線音箱不需要復雜的控制系統，使用 MCU 即可滿足功能要求。由于 Wi-Fi 音箱的產品功能更多，需要一個系統來進行總體的控制，以及解析接收到的基于私有 Wi-Fi 協議打包的音頻數據，因此本方案設計使用 SoC 來負責較為復雜的控制解析功能。

4軟件方案

基于 Wi-Fi 私有協議的音頻系統軟件設計將基于以下幾點，以達到系統中電視與外置音箱音畫同步的效果：

1）低延時 Wi-Fi 傳輸：使用 Wi-Fi 私有協議傳輸音頻信號，一是使用更小的數據包和更快的發送頻率來發送音頻數據，數據包封裝的速度和傳輸速度相比于公有 Wi-Fi 協議更加快速；二是使用 P2P 的方式將音頻信號發送給音箱端，電視端與音箱端直連，不經過路由設備的轉發；三是優化軟件處理層級，音頻信號的發送不再經過應用程序層（APPs）和應用程序架構層（API Framework），直接通過運行庫（Library）傳輸給 Wi-Fi 芯片，從而降低低音頻信號的傳輸延時。傳輸延時在33 ms以下；并且根據 Wi-Fi 數據包重傳率來動態調整 Wi-Fi 傳輸速率來說保證數據的傳輸品質，降低丟包率，實現音頻傳輸不卡頓；

2）電視與音箱同步發聲優化：由于電視平臺處理圖像和聲音的路徑不同，電視對于圖像的優化會造成聲音與圖像之間有著一定的延時，一般來說，電視產品本地音畫的延時在（-50～20） ms之間；再根據圖像幀率和音箱傳輸延時信息，動態調整電視本地聲音延時和畫面延時，實現進一步降低電視端與音箱端發聲的延時，實現同步發聲。

同時，在音箱端也可以實時調整延時，來匹配電視端的音畫延遲。音箱根據聲音延時值對PCM 數據包的輸出時間進行延時控制，進而實現所述視頻畫面與所述 PCM 數據包對應的音頻數據同步 [4]。

3）音箱高精準同步：使用私有 Wi-Fi 協議封裝的數據流會將每個數據塊打上時間戳，音箱端在播放接受到的數據時，會根據時間戳信息來動態調整播放時間，從而實現不同音箱之間的精準同步播放。

5 結束語

本文提出的方案是以 Wi-Fi 私有協議為基礎，根據Wi-Fi 私有協議的技術特點設計了該技術在音頻傳輸領域可搭建的音頻系統的廣泛使用場景，并設計了該系統相應的軟硬件方案，從而達到了該基于 Wi-Fi 私有協議架構的音頻系統內的音頻傳輸延時滿足行業內音畫同步的標準，奠定了商業化的可行性。

參考文獻：

[1] 崔強.影院無線音響系統研究[J].現代電影技術，2018（5）：32-35.

[2] 編輯部.為高質量無線影院系統而來淺析WiSA無線傳輸技術的特點與優勢[J].家庭影院技術，2022（8）：20-29.

[3] 卜旭，程允麗.智能音箱關鍵技術及發展趨勢研究[J].計算機產品與流通，2019（7）：33-37.

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

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