文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)10-0138-03
網絡化是專業音頻傳輸技術的發展方向[1]。與消費領域的流媒體播放技術不同，本文所述的音頻傳輸系統主要針對體育館、演唱會等專業應用場合，要求系統能進行實時、高保真音頻[2]傳輸。這對傳輸系統的頻率特性、信噪比等指標提出嚴格的要求。然而模擬音頻數字化導致音質受限于音頻時鐘的質量。現實環境中，由于溫度、系統老化等各種因素的影響，導致不同節點的音頻時鐘出現差異。這種差異會使節點DPRAM數據交互出現錯誤，對系統頻率特性、信噪比產生不良影響。因此,運行良好的音頻傳輸網絡必須通過某種方式來實現這種音頻數據采集與播放的同步性。
目前基于以太網的時鐘同步技術[3]已經比較普遍，比較主流的是IEEE1588，主要采用增加時間報文的方式來實現同步，在普通流媒體、實時控制與測量等應用場合中尚可滿足要求。但在進行實時、高保真專業音頻傳輸系統中，必定影響音頻傳輸的實時性。本文對網絡音頻傳輸系統的數據流特性進行分析，提出了一種在物理層和MAC層的MII接口處進行音頻采樣時鐘恢復的方案，同時設計相應的時鐘調整算法來滿足音頻數據采集與播放的同步性。并在Xilinx FPGA平臺上進行了驗證,證明本方法可以有效解決網絡同步性問題，減少音頻信號失真、提高音頻傳輸系統的保真度。
1 原理與方法
網絡音頻傳輸系統示意圖如圖1所示(圖中為點對多點模式)。系統包含多個音頻傳輸節點，各個節點均有自己的MAC地址。每個節點連接多個音頻通道，分成輸出通道和輸入通道。節點分為主節點和從節點兩種。主節點將A/D轉換后的音頻數據按以太網幀格式進行封裝，通過以太網發送出去；從節點則對由以太網上獲取的音頻數據幀進行分解，提取需要的音頻通道數據，然后發送給輸出通道，經過D/A轉換后輸出。
1.1音頻傳輸系統工作原理
本文所述網絡音頻傳輸系統基于以太網構成。系統有三種工作模式：點對點傳輸模式、點對多點傳輸模式、菊花鏈傳輸模式。后兩種工作模式下，系統只有一個主節點，其余均是從節點。采用點對點發送方式時，收發設備之間的網絡流量不會影響網絡中的其他設備，但數據只能定向發送。采用點對多點（見圖1）發送方式時，發送端完成一次發送，由交換機將該數據廣播至所有其他端口。采用菊花鏈發送方式時，網絡數據保持單向流動并采用廣播數據包模式。因此，任意一種模式下，系統傳輸數據包時都不會產生數據幀碰撞，避免了介質訪問時間引起的報文延遲變化。
為滿足實時性要求，音頻傳輸系統在A/D完成一個音頻采樣周期采樣后，立即對并行輸入通道的采樣數據進行封裝，并通過以太網傳送，這樣以太網傳輸數據包的頻率和音頻采樣時鐘的頻率保持一致。因此，本文定制了在從節點進行主采樣音頻時鐘提取的策略。
1.2 在MII接口處提取采樣時鐘
根據1.1節所述的網絡數據流特性,提供了在從節點提取采樣時鐘的理論依據。方法如下：
音頻傳輸系統在傳輸音頻數據幀時，采用廣播幀模式。當系統進行通道配置時，所發命令幀和狀態幀(見圖1)的目的MAC地址為子節點的MAC地址。這樣可以根據以太網幀中的目的MAC地址來判斷系統是否開始實時音頻數據傳輸，從而開始進行音頻時鐘同步。
基本原理是對接收到的以太網幀的目的MAC地址進行判斷。如果是廣播幀，則判定為是主節點音頻時鐘的上升沿；如果是以太網包結束，則判定為是主節點音頻時鐘下降沿。音頻采樣時鐘提取結果如圖2所示。
1.3 影響音頻時鐘同步的因素與相關分析
引起主從節點音頻采樣時鐘不同步的因素有多種，本系統中主要可歸結為以網絡傳輸的延時抖動和晶振頻差。
1.3.1 網絡傳輸延時抖動[4]及累積效應分析
如前所述，系統在任意一種工作模式下均能保證不發生數據幀碰撞，故可以認為網絡傳輸延時的變化范圍很小。網絡傳輸的延時抖動反映了單個時鐘周期的差異，不產生累積效應。
1.3.2 晶振頻差及累積效應分析
晶振頻差是指包括由頻率溫度穩定度、頻率老化率造成的偏差等共同造成的最大頻差。晶振頻差產生的主要因素包括：晶振的加工差異、機械老化差異及溫度引起的漂移等。
本音頻傳輸系統是如體育館這樣的大型應用場合出于安裝需求，不同子節點所處地點的溫度會存在比較大的差異。
1.4 時鐘調整
FPGA內部與時鐘調整相關的模塊如圖3所示。該模塊是整個同步系統的核心部分，包含主節點音頻采樣時鐘提取模塊、本地時鐘與主時鐘比較模塊、分頻系數調整模塊。主節點定義參數有：本地音頻時鐘為fM，音頻采樣時鐘為fLRCK_M，時鐘為fBCK_M。從節點中與此對應的參數分別為:fS、fLRCK_S、fBCK_S。調整的目的是要保證從節點的fLRCK_S與主節點的fLRCK_M精確一致。同時在一個從節點采樣時鐘周期內將64 bit數據通過從節點位時鐘均勻發射出去，以提高主從節點音頻采樣時鐘的同步性。
主節點位時鐘分頻系數定為a，則有：
根據式(3)可以得到精確時鐘同步方法：
式(4)、式(5)為最終的精確時鐘調整算法。在本系統中，本地音頻時鐘為24.576 MHz，音頻采樣時鐘為48 kHz。系統所使用的FPGA最高可工作在300 MHz,具備了時鐘倍頻及時鐘偏移消除功能。本文為獲得較高時鐘解析精度，采用的倍頻系數為8，調整精度達到5 ns。
2 測試結果及分析
測試平臺的架構如圖4所示。系統工作模式為點對點傳輸模式，中間加入交換機，兩邊各用100 m網線連接音頻傳輸節點。平臺從兩方面對同步算法進行了測試,具體如下。
2.1 對比測試主從音頻采樣時鐘同步性
采用雙通道數字示波器DPO7254對主從節點的音頻采樣時鐘LRCK和位時鐘BCK進行比較。為了方便觀察信號，主要對LRCK進行觀察分析。具體方法是：示波器采用1 MHz采樣率，雙通道記錄主從節點音頻采樣時鐘LRCK波形,記錄時間為10 s左右。再對記錄數據進行觀察分析。
(1)沒有進行時鐘同步調整前，從示波器記錄的數據中可以觀察到主從節點之間音頻采樣時鐘(LRCK)出現明顯的不同步,從節點時鐘較主節點時鐘要快。對主從節點音頻采樣時鐘累積時差達到一個采樣周期所需的時間進行準確測量。20次記錄波形數據，測量并計算得到的平均值為2.988 s。
(2)進行時鐘同步調整后，20次記錄波形數據，可以觀察到主從節點音頻采樣時鐘保持很好的同步性，兩者之間的長時累積時差與短時累積時差均在很小范圍內波動，沒有發生主從節點音頻采樣時鐘累積時差達到一個采樣周期的情況。
示波器改用2 GHz采樣率，記錄時間為200 ms左右。20次記錄波形數據，測量主從節點100個音頻采樣時鐘周期的累積時差，結果均不超過100 ns。
2.2 對比測試系統失真率
AP音頻分析儀(簡稱AP)屬于精密音頻分析儀器，自身帶有標準音頻信號發生源及音頻分析儀。AP對源信號和反饋信號進行對比分析，得出傳輸系統的失真率。結果對比如下：
(1)沒有進行時鐘同步調整前，AP顯示系統失真率在0.003%上下波動，但是平均3 s左右系統失真率會串升至2.6%上下。專業音頻的失真率指標上限為0.05%。說明反饋信號出現嚴重失真。
(2)進行時鐘同步調整后，AP顯示系統失真率在0.006%上下波動，串升至2.6%上下的情況消失。
(3)去除交換機、采用100 m cat-5網線直連兩個節點，同時進行時鐘同步調整后，AP顯示系統失真率依舊在0.006%上下波動，但串升至2.6%上下的情況消失。
2.3 數據分析
2.3.1 數據交互錯誤對失真率的影響
2.1節中記錄數據交互出現錯誤的平均周期?駐T為2.988 s，目測AP顯示失真率串升的周期為3 s左右,基本一致，可以判定失真率串升是由數據交互錯誤引起的。兩者之間具體的對應關系尚需探討。
2.3.2 網絡延時抖動對失真率的影響
2.2節中記錄時鐘同步調整后系統失真率有所上升，由于從節點時鐘同步調整參考的對象是從網絡音頻數據流中提取到的音頻采樣時鐘，網絡傳輸的延時抖動被引入到從節點音頻采樣時鐘(LRCK)中。相比沒有調整前的音頻采樣時鐘，時鐘抖動有所提高，導致D/A 轉換精度和信噪比都下降。具體原理見參考文獻[5]。
2.3.3 交換機對失真率的影響
2.2節中記錄時鐘同步后加入交換機與移除交換機相比，系統失真率沒有發生明顯變化,說明交換機的存在不會引起失真率變化；交換機延時值固定，不會引起網絡抖動。
本文根據實時網絡音頻傳輸系統的數據流特點,提出從音頻數據幀中提取主節點音頻采樣時鐘,可直接在本地節點對其進行采樣分析，通過本文提出的時鐘調整算法使主從音頻時鐘保持高度同步。同時時鐘調整模塊能對主節點采樣時鐘進行實時跟蹤，隨時根據主節點采樣時鐘變化作出調整,使主從節點時鐘保持高精度同步。而傳統的網絡時鐘同步機制大多參考IEEE1588精密時鐘協議,需要在主從節點之間傳輸同步幀,并不適合實時專業音頻傳輸。本文所述的時鐘調整算法不僅節約了網絡資源，同時提高了時鐘同步調整的效率,能有效解決高保真實時音頻傳輸中的時鐘同步問題。
參考文獻
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