จะออกแบบระบบกระจายเสียงดิจิทัลด้วยอีเธอร์เน็ตได้อย่างไร?

บทความนี้นำเสนอโซลูชันระบบกระจายเสียงดิจิตอลอีเทอร์เน็ตแบบฝังซึ่งสามารถรับฟังก์ชั่นการกระจายเสียงในภูมิภาคของระบบกระจายเสียงได้อย่างง่ายดาย ระบบนี้ใช้สถาปัตยกรรมแขนและใช้วิธีอนุญาโตตุลาการเทอร์มินัลการเล่นระบบเพื่อควบคุมการรับรู้การออกอากาศในภูมิภาคและสามารถเล่นและบันทึกเนื้อหาที่ออกอากาศได้พร้อมกัน

ระบบกระจายเสียงดิจิตอลอีเธอร์เน็ตส่วนใหญ่หมายถึงระบบกระจายเสียงที่ใช้อีเธอร์เน็ตเป็นสื่อในการส่งสัญญาณเพื่อให้บริการเสียง อีเทอร์เน็ตสามารถใช้เพื่อแก้ปัญหาการส่งสัญญาณเสียงทางไกลได้ ช่วยให้นักออกแบบสร้างโครงสร้างเครือข่ายขนาดใหญ่เพื่อรับรู้การส่งสัญญาณเสียงดิจิทัลหลายพันรายการบนอีเธอร์เน็ตใช้ประโยชน์จากทรัพยากรเครือข่ายที่มีอยู่อย่างเต็มที่หลีกเลี่ยงปัญหาในการตั้งค่าสายซ้ำ ๆ และตระหนักถึงการรวมเครือข่ายกระจายเสียงและคอมพิวเตอร์เข้าด้วยกัน . ช่วยแก้ปัญหาคุณภาพเสียงที่ไม่ดีความอ่อนแอต่อสัญญาณรบกวนการบำรุงรักษาและการจัดการที่ซับซ้อนและปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ดีในระบบกระจายเสียงแบบเดิม ในขณะเดียวกันก็เป็นไปได้ที่จะเลือกพื้นที่ทั้งหมดบางส่วนหรือเฉพาะสำหรับการกระจายเสียงแบบกลุ่มทิศทางซึ่งทำลายข้อ จำกัด ที่ระบบกระจายเสียงแบบเดิมสามารถออกอากาศสาธารณะสำหรับทุกพื้นที่เท่านั้น ระบบกระจายเสียงดิจิตอลอีเธอร์เน็ตที่มีอยู่ส่วนใหญ่ใช้สัญญาณควบคุมเพื่อควบคุมสถานีกระจายเสียงเพื่อเข้าร่วมหรือออกจากกลุ่มมัลติคาสต์เพื่อให้ตระหนักถึงฟังก์ชันการกระจายเสียงในภูมิภาค จำเป็นต้องส่งสัญญาณควบคุมเพื่อให้เทอร์มินัลเข้าร่วมกลุ่มมัลติคาสต์ก่อนที่จะรับรู้การแพร่ภาพ หรือสร้างตารางการทำแผนที่ที่ซับซ้อนบนฝั่งเซิร์ฟเวอร์เพื่อรักษาสถานะของเทอร์มินัลการเล่นเพื่อให้เกิดการกระจายเสียงในระดับภูมิภาคซึ่งมีความซับซ้อนมากขึ้นในการนำไปใช้

1 การออกแบบโครงสร้าง

ระบบนี้ใช้โครงสร้าง C / S ซึ่งประกอบด้วยสองส่วนของจุดสิ้นสุดของเซิร์ฟเวอร์ระบบออกอากาศและเทอร์มินัลการออกอากาศระบบออกอากาศดังแสดงในรูปที่ 1

เซิร์ฟเวอร์ของระบบออกอากาศถูกนำไปใช้บนพีซีและเป็นโปรแกรมการรวบรวมสัญญาณเสียงการจัดเก็บและการส่งผ่านเครือข่ายที่ VC ++ รับรู้ ส่วนนี้รวบรวมและจัดเก็บสัญญาณเสียงผ่านไมโครโฟนจากนั้นส่งข้อมูลเสียงไปยังอีเธอร์เน็ตผ่าน UDP เพื่อรับฟังก์ชั่นการส่งข้อมูลเสียงของเครือข่าย

เทอร์มินัลการเล่นระบบออกอากาศเป็นเทอร์มินัลแบบฝังที่ใช้ LM3S8962 ซึ่งสามารถรับแพ็กเก็ตข้อมูลเสียง IP ที่ส่งจากอีเทอร์เน็ตและชิปถอดรหัสเสียง MS6336 จะทำการแปลงและเล่นข้อมูลเสียงแบบดิจิทัล / อนาล็อกให้เสร็จสมบูรณ์

2 การออกแบบฮาร์ดแวร์เทอร์มินัลระบบออกอากาศระบบออกอากาศ

ชิปควบคุมหลักของเทอร์มินัลออกอากาศระบบกระจายสัญญาณใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ LM3S8962 ที่จัดทำโดย LuminaryMicro ชิปซีรีส์นี้เป็นคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ ARM Cortex ™-M3 ตัวแรกที่มีตัวควบคุมอีเธอร์เน็ตในตัวภายใน เป็นชิป ARM ตัวแรกของอุตสาหกรรมที่รองรับ Industrial Ethernet (IEEE) และสามารถใช้งานฟังก์ชันเครือข่ายได้อย่างง่ายดาย

ชิปถอดรหัสเสียงใช้ชิป MS6336 ที่ผลิตโดย MOSA ชิปเป็นตัวแปลงสัญญาณเสียงดิจิตอลเป็นอนาล็อกระบบเสียงสเตอริโอ 16 บิตและรูปแบบอินพุตดิจิทัลที่รองรับคือ Right Justifl-ed, Left Justified, I2S อินเทอร์เฟซการควบคุม MS6336 ใช้บัส I2C อินเทอร์เฟซง่ายต่อการตั้งค่า ชิ้นส่วน DAC มีกระแสไฟฟ้าที่แม่นยำและเสถียรรวมกับวิธีการถอดรหัสแบบสมมาตรที่ยอดเยี่ยมสามารถสร้างสัญญาณเสียงคุณภาพสูงได้

ชิปควบคุมหลัก LM3S8962 เชื่อมต่อกับอินเทอร์เฟซ RJ45 ผ่านส่วนประกอบแม่เหล็กและใช้เพื่อรับข้อมูลเสียงจากอีเธอร์เน็ต LM3S8962 ให้สัญญาณควบคุมและสัญญาณข้อมูลเสียงสำหรับชิปถอดรหัสเสียง MS6336 LM3S8962 รองรับฟังก์ชัน I2C พอร์ต PB2 และ PB3 ให้นาฬิกา I2C และสัญญาณข้อมูลตามลำดับ พินทั้งสองนี้สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับพินฟังก์ชัน I2C ของ MS6336 และต้องใช้ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น LM3S8962 ไม่รองรับรูปแบบการป้อนข้อมูลที่ MS6336 ต้องการ รูปแบบการป้อนข้อมูลของ MS6336 ในระบบใช้ I2S ดังนั้นเพื่อให้ข้อมูลเสียงแก่ MS6336 จำเป็นต้องใช้ซอฟต์แวร์พอร์ต GPIO ของ LM3S8962 เพื่อจำลองรูปแบบการป้อนข้อมูล I2S ที่ MS6336 ต้องการ ในการออกแบบพอร์ต PA5, PA6 และ PA7 ถูกใช้เพื่อจำลองฟังก์ชันนี้ หมุดสามตัวสอดคล้องกับสัญญาณการเลือกช่องสัญญาณ I2S สัญญาณนาฬิกาและสัญญาณข้อมูลตามลำดับ เชื่อมต่อพินทั้งสามนี้กับพินฟังก์ชัน I2S ของ MS6336

โครงสร้างฮาร์ดแวร์ของเทอร์มินัลการเล่นของระบบกระจายเสียงดิจิทัลอีเธอร์เน็ตแสดงในรูปที่ 2

3 การออกแบบซอฟต์แวร์ระบบกระจายเสียง

ซอฟต์แวร์ระบบกระจายเสียงแบ่งออกเป็นสองส่วน ได้แก่ ซอฟต์แวร์เซิร์ฟเวอร์ระบบกระจายเสียงและซอฟต์แวร์สถานีกระจายเสียง

การออกแบบนี้ตระหนักถึงการเล่นข้อมูลเสียงแบบเรียลไทม์ดังนั้นจึงต้องรับประกันประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ของการส่งข้อมูลเสียง แต่ข้อกำหนดสำหรับความสมบูรณ์ของข้อมูลไม่เข้มงวดเกินไปและการสูญเสียแพ็คเก็ตจำนวนเล็กน้อยจะไม่ส่งผลกระทบต่อ ผลการเล่นโดยรวมดังนั้นข้อมูลเสียงของระบบการส่งจึงใช้โหมดการส่ง UDP ในเวลาเดียวกันระบบทำงานในเครือข่ายท้องถิ่นและมีผู้ใช้ชั่วคราวเพียงไม่กี่คน ดังนั้นการจัดสรรที่อยู่ IP แบบคงที่จึงถูกนำมาใช้เพื่อลดความซับซ้อนในการใช้งานซอฟต์แวร์เทอร์มินัลการเล่น

3.1 การรวบรวมจัดเก็บและส่งข้อมูลเสียงทางฝั่งเซิร์ฟเวอร์ของระบบกระจายเสียง

การรวบรวมข้อมูลเสียงดำเนินการโดยใช้ฟังก์ชัน WAVE audio API ระดับต่ำ เพื่อไม่ให้ข้อมูลเสียงสูญหายการออกแบบจะใช้การบัฟเฟอร์สองครั้งในการจัดเก็บข้อมูลเสียง ขั้นตอนการนำไปใช้แสดงในรูปที่ 3

เมื่อบัฟเฟอร์การบันทึกหนึ่งเต็มระบบจะส่งบัฟเฟอร์การบันทึกอื่นไปยังอุปกรณ์บันทึกทันทีเพื่อทำการบันทึกต่อไปและโปรแกรมแอปพลิเคชันควรอ่านข้อมูลในบัฟเฟอร์การบันทึกแบบเต็มและประมวลผล จากนั้นเรียกใช้ฟังก์ชัน waveInAddBuffer เพื่อกำหนดบัฟเฟอร์ใหม่ให้กับอุปกรณ์บันทึกเพื่อรีไซเคิล

เพื่อป้องกันการสูญเสียข้อมูลเสียงในกระบวนการบันทึกเพียงแค่ใช้การบัฟเฟอร์สองครั้งไม่เพียงพอ นอกจากนี้ควรสังเกตด้วยว่าเมื่อหนึ่งบัฟเฟอร์เต็มแอปพลิเคชันจะประมวลผลข้อมูลในบัฟเฟอร์และที่สองบัฟเฟอร์จะถูกใช้ในการบันทึกและเวลาในการประมวลผลข้อมูลจะต้องน้อยกว่าเวลาที่กำหนดไว้เพื่อให้บัฟเฟอร์ที่สองเต็ม บันทึกไว้มิฉะนั้นบัฟเฟอร์แรกจะไม่ได้รับการกำหนดให้กับอุปกรณ์บันทึกใหม่หลังจากที่บัฟเฟอร์ที่สองเต็มซึ่งจะทำให้สูญเสียข้อมูลเสียง เมื่ออัตราตัวอย่างของสัญญาณเสียงมีขนาดใหญ่การเพิ่มขนาดของบัฟเฟอร์อย่างเหมาะสมจะช่วยแก้ปัญหานี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในการบันทึกเนื้อหาที่ออกอากาศเพื่อใช้ในภายหลังจำเป็นต้องบันทึกเนื้อหาที่ออกอากาศในไฟล์ WAV ไฟล์ WAV มีรูปแบบส่วนหัวคงที่ ก่อนบันทึกข้อมูลเสียงคุณต้องตั้งค่าส่วนหัวของไฟล์ WAV มิฉะนั้นจะไม่สามารถเล่นไฟล์ WAV ที่บันทึกไว้ได้ ทุกครั้งที่บัฟเฟอร์การบันทึกเต็มให้ค้นหาจุดสิ้นสุดของไฟล์ WAV ก่อนจากนั้นจึงเขียนข้อมูลที่รวบรวมไว้ที่ท้ายไฟล์ตามลำดับ เมื่อกระบวนการออกอากาศทั้งหมดสิ้นสุดลงข้อมูลเสียงทั้งหมดจะถูกบันทึกไว้ในไฟล์ WAV โดยตระหนักถึงการจัดเก็บข้อมูลเสียง

เมื่อบัฟเฟอร์การบันทึกเต็มจำเป็นต้องส่งข้อมูลเสียงที่รวบรวมผ่านเครือข่าย ในการออกแบบก่อนอื่นให้ใช้คลาส Csocket เพื่อสร้างซ็อกเก็ตจากนั้นจะต้องห่อหุ้มข้อมูลที่รวบรวมไว้ในแพ็กเก็ต IP แล้วส่งออกไป อัตราการสุ่มตัวอย่างของสัญญาณเสียงในการออกแบบนี้คือ 44.1 kHz, 16-bit dual-channel เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียข้อมูลเสียงขนาดของบัฟเฟอร์การบันทึกจะถูกตั้งค่าเป็น 1024B

3.2 การกระจายเสียงในภูมิภาค

การประยุกต์ใช้ระบบกระจายเสียงดิจิตอลอีเทอร์เน็ตที่สำคัญไม่เพียง แต่จะทำให้เกิดการกระจายเสียงในพื้นที่ทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังต้องตระหนักถึงฟังก์ชันการกระจายเสียงในพื้นที่นั่นคือการออกอากาศไปยังสถานีปลายทางที่กำหนด ดังนั้นแพ็คเก็ตมัลติคาสต์ UDP จึงถูกใช้สำหรับการส่งข้อมูลในการส่งผ่านเครือข่ายของแพ็กเก็ตข้อมูล Voice IP การใช้แพ็กเก็ตแบบหลายผู้รับในการส่งข้อมูลเทอร์มินัลทั้งหมดที่รวมอยู่ในกลุ่มในเครือข่ายท้องถิ่นสามารถรับข้อมูลโดยตระหนักถึงการออกอากาศในพื้นที่ทั้งหมด เพื่อให้ทราบถึงฟังก์ชันการออกอากาศภายในระบบจะมีการเพิ่มโครงสร้างที่ด้านหน้าของข้อมูลเสียงในการออกแบบดังที่แสดงด้านล่างและไฟล์การกำหนดค่าจะใช้เพื่อจัดเก็บที่อยู่ IP ของแต่ละเทอร์มินัลของระบบ

02 การออกแบบฮาร์ดแวร์สถานีกระจายเสียงระบบกระจายเสียง

3 การออกแบบซอฟต์แวร์ระบบกระจายเสียง

การออกแบบนี้ตระหนักถึงการเล่นข้อมูลเสียงแบบเรียลไทม์ดังนั้นจึงต้องรับประกันประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ของการส่งข้อมูลเสียง แต่ข้อกำหนดสำหรับความสมบูรณ์ของข้อมูลไม่เข้มงวดเกินไปและการสูญเสียแพ็คเก็ตจำนวนเล็กน้อยจะไม่ส่งผลกระทบต่อ ผลการเล่นโดยรวมดังนั้นข้อมูลเสียงของระบบการส่งจึงใช้โหมดการส่ง UDP ในเวลาเดียวกันระบบทำงานในเครือข่ายท้องถิ่นที่มีผู้ใช้ชั่วคราวน้อยลง ดังนั้นจึงมีการนำการจัดสรรที่อยู่ IP แบบคงที่มาใช้เพื่อลดความซับซ้อนในการใช้งานซอฟต์แวร์เทอร์มินัลการเล่น

3.2 การกระจายเสียงในภูมิภาค

โครงสร้าง STRING

{สตริง IPNO1;

สตริง IPNO2;

...

สตริง IPNO9;

สตริง IPNO10};

เมื่อจำเป็นต้องดำเนินการกระจายเสียงภูมิภาคในบางเทอร์มินัลให้เลือกหมายเลขที่ตรงกันของเทอร์มินัลเหล่านี้บนแผงด้านเซิร์ฟเวอร์ของระบบกระจายเสียง (ดังแสดงในรูปที่ 4) ในขณะนี้ที่อยู่ IP ของเทอร์มินัลที่เลือกจะถูกอ่านจากไฟล์คอนฟิกูเรชันและกำหนดให้กับตัวแปรที่เกี่ยวข้องในโครงสร้าง เมื่อเทอร์มินัลได้รับแพ็คเก็ตมัลติคาสต์ IP ขั้นแรกจะตัดสินว่าโครงสร้างมีตัวแปรเดียวกับที่อยู่ IP ของตัวเองหรือไม่หากมีจากนั้นข้อมูลจะได้รับและเล่นหากไม่มีข้อมูลจะถูกทิ้งดังนั้นจึงตระหนักถึงพื้นที่ที่ออกอากาศ ฟังก์ชัน เปรียบเทียบกับวิธีการใช้สัญญาณควบคุมเพื่อควบคุมเทอร์มินัลการเล่นเพื่อเข้าร่วมหรือออกจากกลุ่มมัลติคาสต์หรือเพื่อรักษาตารางการแมปที่ซับซ้อนแบบไดนามิกเพื่อใช้ฟังก์ชันการกระจายสัญญาณในภูมิภาค วิธีนี้ไม่จำเป็นต้องควบคุมเทอร์มินัลการเล่นแบบโต้ตอบก่อนการออกอากาศแต่ละครั้งและไม่จำเป็นต้องติดตามสถานะของเทอร์มินัลแบบไดนามิก จำเป็นต้องเขียนที่อยู่ IP ที่เกี่ยวข้องของเทอร์มินัลลงในไฟล์กำหนดค่าเมื่อเทอร์มินัลเข้าร่วมระบบเป็นครั้งแรก ฟังก์ชันนี้ใช้งานง่าย

3.3 การใช้ซอฟต์แวร์เทอร์มินัลการออกอากาศระบบกระจายเสียง

เทอร์มินัลการออกอากาศระบบกระจายเสียงแบ่งออกเป็นสองส่วนเพื่อรับรู้ส่วนรับข้อมูลเสียงใช้เพื่อรับข้อมูลเสียงและจัดเก็บและส่งต่อและตัวถอดรหัสเสียงจะรับรู้การแปลง D / A และการเล่นสัญญาณเสียง ส่วนรับข้อมูลเสียงใช้การเขียนโปรแกรม Socket เพื่อรับข้อมูลเสียงจากอีเธอร์เน็ต หลังจากได้รับแพ็กเก็ตข้อมูลเสียงแล้วจะต้องตัดสินก่อนว่าแพ็กเก็ตข้อมูลนั้นเป็นของตัวเองหรือไม่ เทอร์มินัลจะเปรียบเทียบตัวแปรสมาชิกของโครงสร้าง STRING ในแพ็กเก็ต IP กับที่อยู่ IP ของตัวเองและหากตัวแปรสมาชิกใด ๆ เท่ากับที่อยู่ IP ของตัวเองระบบจะจัดเก็บข้อมูลในแพ็กเก็ตมิฉะนั้นจะทิ้งไป

ข้อมูลเสียงจะได้รับและจัดเก็บในคิวแบบวงกลม เนื่องจากความผิดปกติของการรับส่งข้อมูล UDP จึงจำเป็นต้องจัดเรียงแพ็กเก็ตข้อมูลเสียงหลังจากรับข้อมูลเสียงที่จุดสิ้นสุดการรับข้อมูลเสียงเพื่อให้แน่ใจว่าการประมวลผลตามลำดับของข้อมูลเสียงและการคืนค่าสัญญาณเสียงที่ถูกต้อง ในขณะเดียวกันเพื่อหลีกเลี่ยงความกระวนกระวายใจของเครือข่ายข้อมูลจะถูกประมวลผลทุกครั้งเมื่อมีอย่างน้อย 5 แพ็กเก็ตในคิววงกลม

รูปแบบการป้อนข้อมูลของ MS6336 ในการออกแบบใช้รูปแบบ I2S เนื่องจาก LM3S8962 ไม่รองรับรูปแบบข้อมูลนี้การจำลองซอฟต์แวร์จึงถูกนำมาใช้เพื่อรับฟังก์ชั่น I2S ผ่านพอร์ต GPIO ในการกู้คืนสัญญาณเสียงอย่างสมบูรณ์จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเวลาของสัญญาณ I2S นั้นเข้มงวดและแม่นยำและการแปลงระหว่างระดับสูงและต่ำจะดำเนินการโดยโปรแกรมหน่วงเวลา แผนภาพเวลา I2S แสดงในรูปที่ 5

ความถี่สัญญาณนาฬิกาเทอร์มินัลของระบบออกอากาศคือ 40 MHz และเวลาในการส่งแต่ละบิตข้อมูลคือ 600 ns ซึ่งคำนวณจากอัตราการสุ่มตัวอย่าง LM3S8962 ให้ข้อมูลเสียงไปยัง MS6336 และรับรู้การส่งข้อมูลแบบอนุกรมผ่านพอร์ต GPIO ตามจุดสุ่มตัวอย่าง จุดสุ่มตัวอย่างแต่ละจุดมีสี่ไบต์และกระบวนการส่งข้อมูลของจุดสุ่มตัวอย่างจะแสดงในรูปที่ 6

4 การวิเคราะห์ผลลัพธ์

ขนาดของแพ็กเก็ตข้อมูลเสียงที่ส่งโดยระบบผ่านอีเธอร์เน็ตคือ 1024B เพื่อหลีกเลี่ยงการกระวนกระวายใจของเครือข่ายเทอร์มินัลจะเริ่มแพร่ภาพเมื่อได้รับ 5 แพ็กเก็ตข้อมูล เวลาล่าช้าในการออกอากาศประมาณ 30 มิลลิวินาทีซึ่งตรงตามตัวบ่งชี้การทำงาน ฝั่งเซิร์ฟเวอร์สามารถควบคุมการทำงานของ 10 เทอร์มินัลกระจายเสียงในเวลาเดียวกัน ด้วยการเลือกหมายเลขเทอร์มินัลที่เกี่ยวข้องทางฝั่งเซิร์ฟเวอร์จะทำให้สามารถรับรู้การกระจายเสียงและฟังก์ชั่นการกระจายเสียงในพื้นที่ทั้งหมดของระบบกระจายเสียงได้สำเร็จ

ข้อสรุป 5

เริ่มต้นจากความต้องการที่แท้จริงเราออกแบบและใช้ระบบกระจายเสียงดิจิตอลอีเธอร์เน็ต ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเทอร์มินัลการเล่นของระบบตัดสินใจว่าจะทำการแพร่ภาพด้วยเสียงหรือไม่เพื่อให้การกระจายเสียงในภูมิภาคเป็นวิธีที่ง่ายและมีประสิทธิภาพในการรับรู้การแพร่ภาพกระจายเสียงทั่วโลกและการกระจายสัญญาณเสียงในภูมิภาค เทอร์มินัลเครื่องเล่นระบบใช้การจำลองซอฟต์แวร์พอร์ต GPIO เพื่อรับฟังก์ชั่น I2S ซึ่งสามารถรับรู้เวลา I2S ได้อย่างแม่นยำส่งข้อมูลสัญญาณเสียงให้สมบูรณ์และรับรู้การถ่ายทอดสัญญาณเสียงแบบเรียลไทม์ โครงสร้างการออกแบบมีความสมเหตุสมผลและสามารถตระหนักถึงการขยายฟังก์ชั่นต่างๆเช่นการถ่ายทอดเวลาการเล่นเพลงการจัดการระยะไกลการตรวจสอบตามเวลาจริง ฯลฯ การออกแบบนี้มีความสำคัญในทางปฏิบัติที่สำคัญและเป็นรากฐานสำหรับการแก้ปัญหาการออกอากาศอีเธอร์เน็ตที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อน ระบบ