基于体域网技术的数字音频实时传输系统设计

买尔丹·祖农

（新疆工程学院 信息工程学院，新疆 乌鲁木齐830023）

0 引言

随着信息技术的快速发展，针对音频的传输质量和传输效率提出了更高的要求，为此，广播、电视等媒体也逐渐向着数字化方向发展。在这种发展背景下，数字音频逐渐取代了传统的模拟音频。相较于模拟音频来说，数字音频处理简洁、抗干扰能力强、传输性能稳定，更适应媒体行业的长远发展需求。随着数字音频的传输量不断上升，而许多传输系统的传输能力有限，难以保证数字音频传输的实时性，且由于缺少抗干扰措施，导致数字音频在传输过程中出现失真或缺少等现象，影响其后续使用。

为此，相关研究人员对此展开了深入的研究，以往提出的基于CPCI总线和LVDS的高速传输系统，其以PCI9054为桥接器件，FPGA为微控制器，以CPCI总线对信息进行实时分配和压缩，并采用LVDS扩大数据传输范围，建立了将单周期模式读写指令和DMA突发模式传输数据相结合的传输模式。但该系统忽略了传输信道的传输能力，导致系统的传输稳定性和完整性较差。基于W5300的传输系统将FPGA作为主控制器，在配置W5300相关寄存器的基础上，利用TCP/IP协议传输数据。但该系统硬件设备间的连接方式混乱，且硬件设备不能满足软件程序运行需求，导致传输稳定性较低，传输质量难以保证。

为解决以上问题，本文设计了基于体域网技术的数字音频实时传输系统，并设计对比实验对其传输性能进行验证。

1 系统硬件设计

体域网是由多个可穿戴设备或多个嵌入式设备组成的网络，各个部分之间利用无线网络进行通信，因此又被称为无线体域网。本文以体域网技术为基础，设计数字音频实时传输系统的硬件设备，并针对数字音频处理器、发送器以及通信接口等进行详细阐述。

1.1 数字音频处理器

数字音频处理器的主要功能是对高密度的数字音频信号及其传输信号进行重复运算，从而消除冗余数据，并实现对数字音频的合理分类，为数字音频的传输创造了良好的先决条件。在某种程度上，数字音频处理器的性能决定了系统传输的效率和质量，为此，在以体域网技术为基础的前提下，本文设计的数字音频处理器以DSP芯片为核心处理器，使其具有高性能的同时满足体域网的构建需求。数字音频处理器结构如图1所示。图1中，相较于普通处理器，DSP采用流水线式的哈弗结构，采用流水线式指令读取方式较大地提升了音频处理效率，且其独特之处在于，DSP新品具有单独的乘法器，能够对大量处理指令进行单周期乘法运算，可处理FIRS、LMS等多种指令。芯片内部采用串行执行指令实现芯片的数字音频处理功能，整体功耗较低，且在强噪声干扰和电磁干扰下，其工作状态受影响较小，具有较高的可靠性。

图1 数字音频处理器结构

1.2 数字音频发送机

数字音频发送机的主要功能是将数字音频处理器处理完毕的数字音频信号进行编码后，采用多路复用的方式将其发送到电缆或光纤等传输接口处进行数字音频传输。数字音频发送机的结构如图2所示。图2中，上位机控制数字音频发送机的中断状态、传输状态和启动状态。考虑体域网中包含大量的嵌入设备，在避免设备间互相干扰的前提下，以体域网技术为基础，在数字音频发送机中嵌入CS8406数字音频发射器，数字音频的发射率为192 kHz，且为保证数字音频接收器能够顺利接收信号，规定数字音频的发射格式为IS，同时采用256*FS的主时钟频率，左右时钟信号分贝为IL2RCK和SDIN，使传输的数字音频信号携带时间标志，CS8406数字音频发射器的输出端采用串行式设计，可预先编译AES引脚进行格式设定，且支持自定义引脚编码，便于后期的格式修改。

图2 数字音频发送机结构

数字音频发送机电路图如图3所示。图3中，数字音频发送机有4个电容、5个电阻。不同的电容和电阻负责不同的工作、彼此连接，从而确保音频发送机能够顺利地发送信息。CS8406数字音频发射器包含一个片上低失真器，能够最大限度地降低信号在传输过程中的失真程度，同时兼容微分线路驱动器，降低CS8406数字音频发射器阻抗的同时，允许用户驱动更长的电缆，以扩大数字音频的传输范围。

图3 数字音频发送机电路图

1.3 通信接口设计

根据体域网网络通信需求，从功能上可将本文设计的通信接口分为硬件配置接口、控制接口、媒体接口、时钟输入接口四种。

首先，硬件配置接口选择PHY集成内部集成了物理层模块，配合体域网内的嵌入式设备，选择I/O接口为硬件设备接口，接口的状态参数在硬件运行后进行调制，可通过编译TEST引脚改变接口的状态参数，以适配体域网内的其他设备。通信接口数据传输过程如图4所示。

图4 通信接口数据传输过程

图4中，通信接口利用A/D转换器转换信息，然后通过两组信息传递，实现数据传输。

控制接口连接数字音频处理器和发射器的通信端口，用来传输复位信号、选择信号等控制信号。其中，复位信号的低电平为2 μs，高电平为10 μs，PIL的电路始终保持150 MHz的稳定输出。选择信号对应的数据总线规格为16/8 bit，选择16为数据总线进行信号传输，以提升数字音频传输的吞吐量。

媒体接口可同时输出差分输入信号和差分输出信号，差分输入信号为系统从媒体设备接收网络数据产生的输入信号，差分输出信号为数字音频处理器将数据输出给媒体设备时产生的输出信号。

时钟输入可传输无源晶振和有源晶振两种时钟信号，最低传输率为25 MHz，最高为150 MHz，能够快速处理体域网内的IP协议栈。

2 系统软件设计

在上述数字音频实时传输系统硬件的设计基础上，以体域网技术为基础构建数字音频实时传输网络，连接智能终端设备进行数字音频的传输和控制，解决传统数字音频实时传输系统处理效率低、传输速度慢等缺点。

由于在实际的数字音频传输过程中，信号传输通道的容量有限，大量且重复数字音频的传输不仅会造成信号传输拥堵，且给系统的信号处理造成巨大困难，为此，本文应用音频相关性计算法计算数字音频间的相似性，对数字音频信号进行优化处理，便于在传输时剔除重复冗余数据，从而完善系统的软件设计。基于体域网技术的数字音频实时传输系统软件工作流程如图5所示。

图5 基于体域网技术的数字音频实时传输系统软件工作流程

首先，经过A/D模数转换后的数字音频信号为离散信号，相较于普通音频信号更具复杂性，为此本文采用互相关函数描述随机数字音频信号间的相似性，假设有两个待比较数字音频信号[]和[]，则互相关函数的表达式如下：

式中：表示时间；表示数字音频传输周期；r[]为时刻下数字音频信号[]和[]的相似值，相似值越大，表示两个信号越相似。

为更直观地描述两个信号间的相似性，对上述互相关函数进行归一化处理，利用相关系数进行相似性表达，相关系数的计算方式如下：

式中：ρ[]表示相关系数，其取值范围为[-1，1]。当数字音频信号[]与[]完全相同时，取最大值1，反之，取最小值-1。

当数字音频信号通过传输通道进行传输时，受传输环境、噪声干扰等影响，可能出现信号缺失或顺序紊乱的情况。为确保数字音频的传输质量，本文采用偏差估计法对数字音频的传输质量进行计算，针对偏差较大的数字音频，更换传输信号进行重新传输，并更改信道参数，提升信道的抗干扰能力，保证信号的传输质量。偏差估计法的定义式如式（3）所示：

式中：r为传输前原始音频信号；Er[]为传输后的音频信号，表示传输时间；bia{r}表示偏差估计值，取值范围为[0，1]，当bia{r}取0时，表示信号无偏差，当bia{r}取1时，表示信号存在偏差。

上述偏差估计法仅适用于单个信号的传输质量偏差计算，由于系统的数字音频信号传输量巨大，因此对上述计算方式进行优化，使其能对大量的数字音频信号的传输质量进行计算，修正后的计算公式为：

根据上述过程实现数字音频信息传输，确保信息传输过程的准确性和真实性。

3 实验研究

为了验证本文提出的基于体域网技术的数字音频实时传输系统的有效性，选用本文系统与传统的基于CPCI总线和LVDS的传输系统、基于W5300的传输系统进行实验对比。设定实验参数如表1所示。

表1 实验参数

根据上述参数，选用本文提出的系统和传统系统进行对比，同时对数字音频的实时传输电流进行检测，将检测结果与实际结果进行对比，得到的实验结果如表2所示。

表2 电流检测精度实验结果 A

根据表2可知，在频率点低于500 Hz时，检测的电流与实际电流相差较小，检测结果的精度相对较高，三种传输系统的检测精度都能够达到90%以上。随着检测点频率的增加，检测难度越来越大，因此精度也在逐渐降低。由表2可以直观地看出：本文系统对于电流的检测精度始终最高，检测结果与实际值最为贴近，最大误差不会超过10 A；基于W5300的传输系统检测精度相对较低，在检测过程中，容易受到外界因素影响，检测精度低于80%；基于CPCI总线和LVDS的传输系统仅对物理音频数据有很好的提取能力，整体检测能力过低，检测精度与实际结果相差较大，因此不适用于数字音频传输系统检测工作。

数字音频在进行实时传输的过程中，很容易受到外界噪声干扰，因此本文研究了三种传输系统对于外界噪声的抗干扰能力。在噪音干扰条件下，选用三种系统对数字音频传输器的变压器功放端输出的电压、电流、功率进行传输，得到的传输结果如表3～表5所示。

表3 功放端输出电压传输结果 V

表4 功放端输出电流传输结果 A

表5 功放端输出功率传输结果 Hz

根据表3～表5的音频传输结果可知，在信息进行传输时，三种系统都会出现总谐波失真+噪声的现象，但是本文系统总谐波失真+噪声的现象出现的最少，基本上数值都可以控制在2%以内，而传统系统在信息传输过程中对频率的响应能力较差，滤波器不具备滤波功能，因此整个通路频响的上下限都被影响，传输结果较差。

4 结语

针对传统系统出现的传输效率低、稳定性差、传输质量难以保证等问题，本文设计了基于体域网技术的数字音频实时传输系统。通过完善系统的硬件设备和软件算法保证数字音频的稳定传输，通过实验验证了本文设计的系统传输性能较好，使数字音频的传输更加高效、稳定的同时，保证音频传输的完整性，提升系统的传输效率，从而促进数字化传输技术的进一步发展。

但考虑网络影响，本文系统在体域网网络不稳定的情况下适应性不强、抗干扰能力较弱，其传输稳定性和质量有待进一步优化。