CobraNet與EtherSound音頻傳輸技術比較

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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(quán)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(jié)構(gòu)對比a 、CobraNet設備的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)CobraNet必須使用星型（或連星型）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)EtherSound設備系統(tǒng)可以采用菊花鏈結(jié)構(gòu)或以太網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)或者這兩種結(jié)構(gòu)的混合形式。當采用菊花鏈結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對比a、CobraNet數(shù)據(jù)報協(xié)議特征CobraNet傳輸協(xié)議的構(gòu)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?？墒菍τ谝粋€菊花鏈/星型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)上圖中的左側(cè)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(jié)構(gòu)上圖是標準的ES/ES100/ESGiga設備，右側(cè)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)，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