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文檔簡介

1、CobraNet與EtherSound音頻傳輸技術比較 著作 兆翦 以太網(wǎng)上傳輸音頻信號是近幾年來專業(yè)音頻行業(yè)的一個技術焦點,也是日后專業(yè)工程項目中的一個重要的傳輸技術環(huán)節(jié)。因為它是不依賴于控制系統(tǒng)而獨立存在的一個產(chǎn)品,可以廣泛地應用到很多的不同項目中去,一方面解決了多線纜的布線困難問題,同時也解決了遠距離傳輸、數(shù)據(jù)備份、自動冗余等一系列在模擬傳輸時代所無法面對的問題。目前比較成熟的以太網(wǎng)音頻傳輸技術主要是CobraNet和EtherSound技術,前者已經(jīng)開發(fā)和使用多年,用戶較多,交互性好,缺點是網(wǎng)絡延時長,后者解決了延時的問題,但是開發(fā)和使用普及程度稍差。兩者在技術上各有千秋,本文之目的就

2、是客觀地分析兩種網(wǎng)絡的應用區(qū)別,以求證一種相對適合的應用方案建議給廣大讀者。1、網(wǎng)絡特性綜述a、CobraNet網(wǎng)絡:是美國PeakAudio公司開發(fā)的一種在以太網(wǎng)上傳輸專業(yè)非壓縮音頻信號的技術,它可以在100M以太網(wǎng)下單向可以傳輸64個48kHz、20bit的音頻信號通道(48kHz、24bit信號為56路);除音頻信號外,還可以傳輸RS485串口通信數(shù)據(jù)及其它非同步IP數(shù)據(jù);開放的MIB文件,支持SNMP??梢詮腜eakAudio公司獲得相關技術資料,使用模塊化的CM-1可以方便地將音頻信號轉換為CobraNet信號,具有成型的軟件工具包(SDK)和API。b、EtherSound網(wǎng)絡:由

3、法國Digigram公司開發(fā)的一種基于以太網(wǎng)傳輸音頻信號的技術。傳輸能力為單方向64個24bit、48kHz(或44.1kHz)采樣頻率的音頻通道。雖然它不能傳遞串口信號以及其它IP數(shù)據(jù),但是它的技術最大的亮點就是極低的延時,因此EtherSound技術最適合應用到現(xiàn)場演出中去。2、硬件結構對比a、CobraNet硬件設備 CM-1 CM-2CobraNet硬件設備目前主要包括CM-1,CM-2兩種。其中CM-1為PeakAudio自己制造的成品通信卡,屬于第一代產(chǎn)品,但是網(wǎng)絡通信能力比較強,價格較高;CM-2可以定制生產(chǎn),任何廠家只要從PeakAudio購買了主芯片,并獲得了生產(chǎn)許可后就可以

4、自行生產(chǎn)CM-2板卡,并且可以集成到其它產(chǎn)品的主板上去。CM-1和CM-2的主要區(qū)別如下:其中CM-1使用的是DSP56303+FPGA以及其它存儲器構成的芯片組。由于開發(fā)的比較早,所以DSP的速度受到了DSP56303的速度限制只能達到24bit/100MIPS。而CM-2則支持更快的32bit/100MIPS的數(shù)據(jù)流。對于CM-2來說16個單方向通道是最大的極限了,如果生產(chǎn)8通道的產(chǎn)品相對成本比較低,但是16通道的就還需要增加FPGA橋接才能構成1616的完整通道。至于CS1810XX和CS4961XX系列主要區(qū)別就是后者包含了一個基本的用戶DSP可以使用,這大大的方便了某些用戶,省去了開

5、發(fā)DSP和CobraNet的接口的費用。至于CM-1可以傳輸特殊的9bit串口通信數(shù)據(jù)完全是為了適應一些特殊的設備(如ControlMatrix)。還有一些CobraNet硬件設備所用之處不多,比如一些叫做CM-1-FW的模塊,其實是由使用廠家向PeakAudio定制的特殊的CobraNet板卡。他們的功能和CM-1相同,但是電路板上通常集成了使用方需要的其它DSP、ADC/DAC以及供電等功能。b、EtherSound的硬件設備 OnAir 3000 AVY16-ESEtherSound硬件的生產(chǎn)也和CobraNet類似,有些是版權公司生產(chǎn)的,比如上圖的OnAir 3000就是為瑞士Stud

6、er的數(shù)字化直播調(diào)音臺定制的;還有一些是OEM合作生產(chǎn)的,比如AuviTran出品的AVY16-ES就是為YAMAHA樂器公司生產(chǎn)的Mini-YGDAI格式的EtherSound接口卡,這種網(wǎng)卡除了可以安裝在YAMAHA PM1D、 PM5D、M7CL等系列數(shù)字調(diào)音臺上外,還可以安裝在YAMAHA出品的DME24N/64N數(shù)字DSP接口箱和NEXO網(wǎng)絡系統(tǒng)等。 經(jīng)過幾代的發(fā)展,目前EtherSound硬件產(chǎn)品主要產(chǎn)品按照接口能力的發(fā)展順序分為EtherSound、EtherSound100和EtherSound Giga,主要的技術指標區(qū)別如下:ESES 100ES Giga最大音頻傳輸通道6

7、4646464512512100M ES音頻端口1000M ES音頻端口100M控制端口ES的模擬端口能力只有8通道和2通道兩種3、網(wǎng)絡結構對比a 、CobraNet設備的網(wǎng)絡結構CobraNet必須使用星型(或連星型)網(wǎng)絡結構,所有的CobraNet設備都必須通過以太網(wǎng)交換機互相連接在一起。這樣的結構與標準的以太網(wǎng)設備是一致的。由于CobraNet采用了同步通信技術,所以其同步數(shù)據(jù)報必須在有限的時間誤差內(nèi)廣播到所有節(jié)點,這主要取決于交換機的交換原理和通過數(shù)量,一般來說最遠節(jié)點CobraNet設備之間的交換機數(shù)量不能超過6個(若存在Spanning Tree,則按照樹型結構的最遠點計算)。一般

8、來說使用Cut-Through類型交換機會減少同步延時。b、EtherSound設備的網(wǎng)絡結構EtherSound設備系統(tǒng)可以采用菊花鏈結構或以太網(wǎng)星型結構或者這兩種結構的混合形式。當采用菊花鏈結構時,音頻的傳輸可以單方向或者雙方向,這取決于每個節(jié)點的硬件屬性是否支持雙向傳輸。唯一的問題是當EtherSound數(shù)據(jù)流通過以太網(wǎng)交換機的時候只能是沿著一個方向(Downstream)傳遞音頻數(shù)據(jù),也就是說無論這臺交換機上連接了多少個EtherSound設備,同時只能有一臺經(jīng)過配置的設備可以向網(wǎng)絡中發(fā)送音頻數(shù)據(jù),其它節(jié)點只能用來接收。這種數(shù)據(jù)包是廣播類型的,但是由于每個端口是等帶寬數(shù)據(jù)傳輸,所以只能

9、使用全雙工的交換機而不能使用HUB。對于數(shù)據(jù)量比較小的非同步控制信號,則可以進行雙向傳輸?shù)摹?、網(wǎng)絡協(xié)議結構對比a、CobraNet數(shù)據(jù)報協(xié)議特征CobraNet傳輸協(xié)議的構建依靠3種基本數(shù)據(jù)包來完成:一是同步數(shù)據(jù)包(Beat Packet),它是由網(wǎng)絡中的Conductor發(fā)出的同步指令數(shù)據(jù),每秒種750個,作為每個同步周期的起始數(shù)據(jù)包與網(wǎng)絡中的全部CM-1設備保持精準同步;二是同步音頻數(shù)據(jù)包(Isochronous Data Packet),也是CobraNet需要傳送的真正數(shù)據(jù)內(nèi)容,可以單播(Unicast)也可以多播(Broadcast)出去;三是預約請求數(shù)據(jù)包(Reservation

10、 Packet),它是由除了Conductor以外的所有CM-1發(fā)出的廣播數(shù)據(jù)包,包含了發(fā)送請求數(shù)據(jù)和優(yōu)先級等重要信息。除了以上三種必須的數(shù)據(jù)包類型外,還有兩種可選的數(shù)據(jù)傳送包:串口包橋(Serial Bridge)和IP數(shù)據(jù)包橋(Packet Bridge)。這兩種數(shù)據(jù)包和CobraNet的音頻數(shù)據(jù)傳送本身沒有任何關系,是一種附加的功能。也就是說我們可以通過CobraNet網(wǎng)絡傳送和音頻無關的串口或IP格式的控制數(shù)據(jù),這種數(shù)據(jù)橋功能在工程應用中起著非常重要的作用。CobraNet數(shù)據(jù)量僅與傳輸?shù)挠行ǖ罃?shù)有關。b、EtherSound數(shù)據(jù)報協(xié)議特征和CobraNet協(xié)議不同,EtherSou

11、nd數(shù)據(jù)包只有一種格式。同步和音頻數(shù)據(jù)在一個數(shù)據(jù)包中存在了,換句話說就是一種自同步技術。EtherSound同步方式借鑒了總線式同步數(shù)據(jù)傳送方式,如火線IEEE1394接口協(xié)議,數(shù)據(jù)包發(fā)送的頻率就是同步頻率。IEEE1394協(xié)議是一個點對點協(xié)議,所以同步數(shù)據(jù)是發(fā)送端確認,這一特征也被EtherSound所繼承,同步發(fā)送的數(shù)據(jù)是從第一個設備中產(chǎn)生。可是對于一個菊花鏈/星型結構的網(wǎng)絡系統(tǒng),哪一個設備算是“第一個”呢?這個第一就是由用戶在搭建系統(tǒng)的時候根據(jù)系統(tǒng)的配置自己設定的,并將其命名為“Primary Master”,也就是說一個完整的EtherSound系統(tǒng)只能有一個“Primary Mast

12、er”,它的作用與CobraNet的Conductor作用類似,只是工作原理不同。如果系統(tǒng)同步時鐘定義在44.1kHz的話,那么“Primary Master”就按照44.1kHz的速度向外發(fā)送固定長度為236字節(jié)的以太網(wǎng)結構數(shù)據(jù)包,如上圖??倲?shù)據(jù)開銷可以計算出=441002368=83.3Mbit/s;同理可以計算出48kHz采樣下的數(shù)據(jù)開銷為90.6Mbit/s,顯然這已經(jīng)到達了100M以太網(wǎng)的實際傳輸數(shù)據(jù)上限。上圖中左側的ES設備就是“Primary Master”,它被控制電腦配置后開始向網(wǎng)絡中發(fā)送標準的EtherSound幀,發(fā)送頻率就是音頻采樣頻率,后面的設備與它進行同步。需要注意

13、的第一個問題是這個幀的數(shù)據(jù)量永遠是恒定的,與其中是否傳輸音頻信號或者傳輸多少通道音頻信號無關;第二是由于沒有同步延時矯正,所以EtherSound數(shù)據(jù)流每經(jīng)過一個設備就要增加一點延時,同步具有相對性;第三就是這個數(shù)據(jù)流可以比做是增加了以太網(wǎng)報頭的“IEEE1394”結構,所以所有設備都不具備識別以太網(wǎng)MAC地址的能力,也就是說它們不是通過以太網(wǎng)的MAC地址尋址方式通信的(CobraNet是通過MAC尋址),這樣來的好處是避開了以太網(wǎng)封裝/去封裝過程,使得網(wǎng)絡延時大大縮短,不利之處就是網(wǎng)絡中不能包含有任何其它數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù),當然也包括普通IP數(shù)據(jù),因為所有的EtherSound設備無法識別這些“

14、雜質(zhì)”,這使得EtherSound網(wǎng)絡的擴展功能變的復雜化。5、內(nèi)核原理對比a、CobraNet內(nèi)核結構上圖中的左側四個接點為輸入內(nèi)容,除了基準時鐘信號外可以傳送同步音頻數(shù)據(jù)和非同步的串口和IP數(shù)據(jù)。通過DSP將同步數(shù)據(jù)與基準時鐘同步,以確定如何將同步音頻數(shù)據(jù)流“切割”成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包分發(fā)出去,并且利用同步周期內(nèi)的空余時間將非同步串口和IP類型數(shù)據(jù)分發(fā)出去?!癊thernet MAC”負責把全部的數(shù)據(jù)包按照MAC地址包裝成符合以太網(wǎng)要求的格式,在定時器( OP Timer)的控制下有節(jié)奏的通過以太網(wǎng)線圈(Ethernet PHY)發(fā)送到網(wǎng)絡中去。 隨著技術的發(fā)展,很多復雜的功能可以編程到IC模塊

15、中,而且遠程控制和升級非常容易,最關鍵的是制造成本大幅度下降了。這些技術在CM-2標準模塊中都得以實現(xiàn),見下圖。CS1810/CS4961系列芯片集成了大部分CobraNet合成功能,其它廠家只需要添加進來幾個通用的以太網(wǎng)芯片(類似于制造網(wǎng)卡)就可以生產(chǎn)CM-2了。b、EtherSound內(nèi)核結構上圖是標準的ES/ES100/ESGiga設備,右側紅線標注的100M以太網(wǎng)接口在ES設備上沒有,其它兩種設備上有。這是因為我們先前討論的那個問題,因為EtherSound數(shù)據(jù)流為了降低延時,采用了類似IEEE1394總線結構的數(shù)據(jù)包,并改換了報頭去適應以太網(wǎng),但是由于它終究不是MAC類型的以太網(wǎng)分發(fā)

16、協(xié)議類型,所以不能在以太網(wǎng)絡中和其它類型的數(shù)據(jù)混合傳輸,為了克服 EtherSound的控制信號傳遞缺陷,廠家從模塊的FPGA打開了另外一個以太網(wǎng)端口(其功能和RS232端口非常類似,只是輸出格式不同而已)。但是要注意的是這個端口不能和音頻EtherSound網(wǎng)絡共用一個VLAN,需要另外建立網(wǎng)絡系統(tǒng),這樣做的好處還有配置電腦無須連接到“Primary Master”上也可以工作了。 EtherSound的FPGA內(nèi)核是存放程序和數(shù)據(jù)的地方,所以寄存器的大小直接決定了音頻的傳輸能力。ES系列寄存器有兩種,一個是MSx 88 EepROM 200k DR可以提供8路輸入/8路輸出的能力,另外一種

17、是S2 PROM 100k DR的小容量存儲器FPGA,只能提供2通道音頻輸出的能力。6、延時對比a、CobraNet延時特性b、EtherSound延時特性EtherSound是采用DownStream方式傳輸音頻數(shù)據(jù)流,由于不依賴于以太網(wǎng)的MAC尋址方式,而且具有固定的報文長度,并依靠以太網(wǎng)前導字符串做自同步,這些條件促使了EtherSound無須花費更多的時間去處理復雜的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸關系,類似于IEEE1394這樣的總線傳遞時間就可以完成。EtherSound的網(wǎng)絡延時最主要就是建構DownStream數(shù)據(jù)流需要花費6個采樣時間(若音頻采樣頻率為48kHz時,一個采樣時間就是1/480

18、00s,那么6個采樣就是125s,這個時間長度是固定的)。按這樣計算,若一個音頻輸入信號通過了3個ES設備和一個存儲-轉發(fā)型交換機并輸出的話,那么它的總傳輸延時見下圖的計算分析:若采用菊花鏈型網(wǎng)絡結構,那么每增加一個ES節(jié)點,一個網(wǎng)絡DownStream只增加了2s,即使增加了10個ES設備才相當于一個采樣時間的寬度(1/48000s)??梢娺@么短的延時量用在現(xiàn)場演出系統(tǒng)中是無法察覺的。由于EtherSound技術是基于總線傳輸方式發(fā)展起來的,它的自同步方式?jīng)Q定了其接力傳輸距離理論上可以無限制的遠,只是從輸入到輸出端,每增加一個ES節(jié)點就增加了2s而已。另外一個引入的問題就是采用共享帶寬的結構

19、以后,一個EtherSound系統(tǒng)的單向最大傳輸能力被“Primary Master”限定在64個通道。若要增加傳輸能力只能依靠擴展總帶寬來實現(xiàn),如 EtherSound Giga系統(tǒng)采用了1000M網(wǎng)絡結構,可以單方向傳輸512個音頻通道。7、傳輸安全與網(wǎng)絡管理對比aCobraNet傳輸安全與網(wǎng)絡管理方式CobraNet網(wǎng)絡可以并存在通用的以太網(wǎng)系統(tǒng)中,所以網(wǎng)絡中的其它類型數(shù)據(jù)包(如IP數(shù)據(jù)包)可能會和CobraNet數(shù)據(jù)相互影響。當未知的CM-1/CM-2設定在一些廣播數(shù)據(jù)包接收或高優(yōu)先級單播數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)下,可能會出現(xiàn)信息泄露問題,此時可以采用私用(Private)高Bundle號碼(6528065535)方式進行傳遞。采用Private方式傳遞信號必須要求發(fā)送和接收設備之間以固定的,MAC地址互相綁定,這就可以完全避免信息泄露問題了。 CobraNet目前全面支持SNMP v1版本,使用任何標準的SNMP管理程序和MIB文件可以訪

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