Dieser Artikel enthält eine integrierte Lösung für ein digitales Ethernet-Sprachübertragungssystem, mit der die regionale Rundfunkfunktion des Rundfunksystems problemlos realisiert werden kann. Das System basiert auf der Armarchitektur und verwendet das Verfahren der Systemwiedergabe-Terminal-Arbitrierung, um die Realisierung regionaler Sendungen zu steuern, und der Rundfunkinhalt kann gleichzeitig abgespielt und gespeichert werden.
Das digitale Ethernet-Sprachübertragungssystem bezieht sich hauptsächlich auf das Rundfunksystem, das Ethernet als Übertragungsmedium zur Bereitstellung von Audiodiensten verwendet. Ethernet kann verwendet werden, um das Problem der Fernübertragung von Sprachsignalen zu lösen. Ermöglicht Entwicklern die Erstellung einer groß angelegten Netzwerkstruktur, um die Übertragung von Tausenden von digitalen Sprachsignalen über das Ethernet zu realisieren, vorhandene Netzwerkressourcen voll auszunutzen, die Mühe zu vermeiden, wiederholt Leitungen einzurichten und die Integration von Rundfunk- und Computernetzwerken zu realisieren . Es löst die Probleme der schlechten Klangqualität, der Störanfälligkeit, der komplexen Wartung und Verwaltung sowie der schlechten Interaktion in herkömmlichen Rundfunksystemen. Gleichzeitig ist es möglich, alle, einen Teil oder bestimmte Bereiche für den gerichteten Gruppenrundfunk auszuwählen, wodurch die Einschränkung aufgehoben wird, dass herkömmliche Rundfunksysteme nur für alle Bereiche öffentlich ausgestrahlt werden können. Bestehende digitale Ethernet-Sprachübertragungssysteme verwenden meistens Steuersignale, um das Rundfunkendgerät so zu steuern, dass es der Multicast-Gruppe bei der Realisierung der regionalen Rundfunkfunktion beitritt oder diese verlässt. Es ist erforderlich, ein Steuersignal zu senden, damit das Terminal der Multicast-Gruppe beitritt, bevor eine Übertragung realisiert werden kann. Oder erstellen Sie eine komplexe Zuordnungstabelle auf der Serverseite, um den Status des Wiedergabeterminals beizubehalten und eine regionale Übertragung zu erreichen, deren Implementierung komplizierter ist.
1 Tragwerksplanung
Dieses System nimmt eine C / S-Struktur an und besteht aus zwei Teilen des Broadcast-System-Server-Endes und des Broadcast-System-Broadcast-Terminals, wie in 1 gezeigt.
Der Server des Broadcast-Systems ist auf einem PC implementiert und ein von VC ++ realisiertes Programm zur Erfassung, Speicherung und Netzwerkübertragung von Sprachsignalen. Dieser Teil sammelt und speichert das Sprachsignal über ein Mikrofon und überträgt die Sprachdaten dann über UDP an das Ethernet, um die Netzwerkübertragungsfunktion von Sprachdaten zu realisieren.
Das Wiedergabeterminal des Broadcast-Systems ist ein auf LM3S8962 basierendes eingebettetes Terminal, das die vom Ethernet an ihn gesendeten IP-Sprachdatenpakete empfangen kann, und der Audio-Decodierungs-Chip MS6336 vervollständigt die Digital / Analog-Umwandlung und Wiedergabe der Sprachdaten
2 Broadcast-System Broadcast-Terminal-Hardware-Design
Der Hauptsteuerchip des Broadcast-Systems Broadcast-Terminal übernimmt den von LuminaryMicro bereitgestellten Mikrocontroller LM3S8962. Diese Serie von Chips ist der erste ARM CortexTM-M3-basierte Controller mit einem internen integrierten Ethernet-Controller. Es ist der branchenweit erste ARM-Chip, der Industrial Ethernet (IEEE) unterstützt und Netzwerkfunktionen problemlos implementieren kann.
Der Audio-Decoder-Chip verwendet den von MOSA hergestellten MS6336-Chip. Der Chip ist ein 16-Bit-Stereo-Audio-Digital-Analog-Wandler, und die unterstützten digitalen Eingangsformate sind Rechtsbündig, Linksbündig, I2S. Die Steuerschnittstelle MS6336 verwendet einen I2C-Bus. Die Schnittstelle ist einfach einzustellen. Der DAC-Teil verfügt über einen genauen und stabilen Strom, der in Kombination mit einer hervorragenden symmetrischen Decodierungsmethode hochwertige Audiosignale wiedergeben kann.
Der Hauptsteuerchip LM3S8962 ist über magnetische Komponenten mit der RJ45-Schnittstelle verbunden und wird zum Empfangen von Sprachdaten vom Ethernet verwendet. Der LM3S8962 liefert Steuersignale und Sprachdatensignale für den Audio-Decoder-Chip MS6336. LM3S8962 unterstützt die I2C-Funktion. PB2- und PB3-Ports liefern I2C-Takt- bzw. Datensignale. Diese beiden Pins können direkt mit den I2C-Funktionspins von MS6336 verbunden werden, und ein Pull-up-Widerstand ist erforderlich. LM3S8962 unterstützt das für MS6336 erforderliche Dateneingabeformat nicht. Das Dateneingabeformat von MS6336 im System übernimmt I2S. Um MS6336 Sprachdaten zur Verfügung zu stellen, muss daher die GPIO-Port-Software des LM3S8962 verwendet werden, um das für MS2 erforderliche I6336S-Dateneingabeformat zu simulieren. Im Design werden PA5-, PA6- und PA7-Ports verwendet, um diese Funktion zu simulieren. Die drei Pins entsprechen dem I2S-Kanalauswahlsignal, dem Taktsignal bzw. dem Datensignal. Verbinden Sie diese drei Pins mit dem I2S-Funktions-Pin von MS6336.
Die Hardwarestruktur des Wiedergabeterminals des digitalen Ethernet-Sprachübertragungssystems ist in Abbildung 2 dargestellt.
3 Design der Broadcasting-Systemsoftware
Die Rundfunksystem-Software ist in zwei Teile unterteilt: Rundfunksystem-Server-Software und Rundfunk-Terminal-Software.
Dieses Design realisiert die Echtzeitwiedergabe von Sprachdaten, sodass die Echtzeitleistung der Sprachdatenübertragung gewährleistet sein muss, die Anforderungen an die Datenintegrität jedoch nicht zu streng sind und ein geringer Paketverlust die Daten nicht beeinträchtigt Gesamtwiedergabeeffekt, also die Sprachdaten des Systems Die Übertragung übernimmt den UDP-Übertragungsmodus. Gleichzeitig arbeitet das System im lokalen Netzwerk und es gibt nur wenige temporäre Benutzer. Daher wird die statische IP-Adresszuweisung übernommen, um die Realisierung der Wiedergabeterminal-Software zu vereinfachen.
3.1 Das Sammeln, Speichern und Übertragen von Sprachdaten auf der Serverseite des Rundfunksystems
Die Erfassung von Sprachdaten wird mithilfe von WAVE-Audio-API-Funktionen auf niedriger Ebene implementiert. Um den Verlust von Sprachdaten nicht zu verursachen, verwendet das Design eine doppelte Pufferung zum Speichern von Sprachdaten. Der Implementierungsprozess ist in Abbildung 3 dargestellt.
Wenn ein Aufzeichnungspuffer voll ist, sendet das System sofort einen weiteren Aufzeichnungspuffer an das Aufzeichnungsgerät, um die Aufzeichnung fortzusetzen, und das Anwendungsprogramm sollte die Daten im vollständigen Aufzeichnungspuffer lesen und verarbeiten. Rufen Sie dann die Funktion waveInAddBuffer auf, um den Puffer dem Aufnahmegerät zum Recycling neu zuzuweisen.
Um den Verlust von Sprachdaten während des Aufzeichnungsprozesses zu verhindern, reicht es nicht aus, nur eine doppelte Pufferung zu verwenden. Es sollte auch beachtet werden, dass wenn ein Puffer voll ist, die Anwendung die Daten im Puffer verarbeitet und der zweite. Der Puffer wird zum Aufzeichnen verwendet, und die Datenverarbeitungszeit muss kürzer sein als die Zeit, die erforderlich ist, damit der zweite Puffer vollständig ist aufgezeichnet, andernfalls wurde der erste Puffer dem Aufzeichnungsgerät nicht neu zugewiesen, nachdem der zweite Puffer voll ist, was zu einem Verlust von Sprachdaten führt. Wenn die Abtastrate des Sprachsignals groß ist, kann eine geeignete Vergrößerung des Puffers dieses Problem effektiv lösen.
Um den Broadcast-Inhalt für die spätere Verwendung zu speichern, muss der Broadcast-Inhalt in einer WAV-Datei gespeichert werden. WAV-Dateien haben ein festes Header-Format. Vor dem Speichern von Sprachdaten müssen Sie den Header der WAV-Datei festlegen, da sonst die gespeicherte WAV-Datei nicht abgespielt werden kann. Suchen Sie jedes Mal, wenn der Aufzeichnungspuffer voll ist, zuerst das Ende der WAV-Datei und schreiben Sie dann nacheinander die gesammelten Daten am Ende der Datei. Wenn der gesamte Sendevorgang abgeschlossen ist, werden alle Sprachdaten in der WAV-Datei gespeichert, wodurch die Speicherung der Sprachdaten realisiert wird.
Wenn ein Aufzeichnungspuffer voll ist, müssen die gesammelten Sprachdaten über das Netzwerk gesendet werden. Verwenden Sie im Entwurf zuerst die Csocket-Klasse, um einen Socket zu erstellen, und müssen Sie dann nur die gesammelten Daten in ein IP-Paket kapseln und senden. Die Abtastrate des Sprachsignals in diesem Design beträgt 44.1 kHz, 16-Bit-Zweikanal. Um den Verlust von Sprachdaten zu vermeiden, wird die Größe des Aufzeichnungspuffers auf 1024B eingestellt.
3.2 Realisierung des regionalen Rundfunks
Eine wichtige Anwendung des digitalen Ethernet-Sprachübertragungssystems besteht nicht nur darin, den gesamten Rundfunk zu realisieren, sondern auch die lokale Rundfunkfunktion zu realisieren, dh an das angegebene Terminal zu senden. Daher wird das UDP-Multicast-Paket zur Datenübertragung bei der Netzwerkübertragung von Sprach-IP-Datenpaketen verwendet. Mithilfe von Multicast-Paketen zum Übertragen von Daten können alle in der Gruppe im lokalen Netzwerk enthaltenen Endgeräte die Daten empfangen und die gesamte Broadcast-Übertragung realisieren. Um die lokale Rundfunkfunktion zu realisieren, wird eine Struktur vor den Sprachdaten im Entwurf hinzugefügt, wie unten gezeigt, und eine Konfigurationsdatei wird verwendet, um die IP-Adresse jedes Terminals des Systems zu speichern.
02 Broadcasting-System Broadcast-Terminal-Hardware-Design
Der Hauptsteuerchip des Broadcast-Systems Broadcast-Terminal übernimmt den von LuminaryMicro bereitgestellten Mikrocontroller LM3S8962. Diese Serie von Chips ist der erste ARM CortexTM-M3-basierte Controller mit einem internen integrierten Ethernet-Controller. Es ist der branchenweit erste ARM-Chip, der Industrial Ethernet (IEEE) unterstützt und Netzwerkfunktionen problemlos implementieren kann.
Der Audio-Decoder-Chip verwendet den von MOSA hergestellten MS6336-Chip. Der Chip ist ein 16-Bit-Stereo-Audio-Digital-Analog-Wandler, und die unterstützten digitalen Eingangsformate sind Rechtsbündig, Linksbündig, I2S. Die Steuerschnittstelle MS6336 verwendet einen I2C-Bus. Die Schnittstelle ist einfach einzustellen. Der DAC-Teil verfügt über einen genauen und stabilen Strom, der in Kombination mit einer hervorragenden symmetrischen Decodierungsmethode hochwertige Audiosignale wiedergeben kann.
Der Hauptsteuerchip LM3S8962 ist über magnetische Komponenten mit der RJ45-Schnittstelle verbunden und wird zum Empfangen von Sprachdaten vom Ethernet verwendet. Der LM3S8962 liefert Steuersignale und Sprachdatensignale für den Audio-Decoder-Chip MS6336. LM3S8962 unterstützt die I2C-Funktion. PB2- und PB3-Ports liefern I2C-Takt- bzw. Datensignale. Diese beiden Pins können direkt mit den I2C-Funktionspins von MS6336 verbunden werden, und ein Pull-up-Widerstand ist erforderlich. LM3S8962 unterstützt das für MS6336 erforderliche Dateneingabeformat nicht. Das Dateneingabeformat von MS6336 im System übernimmt I2S. Um MS6336 Sprachdaten zur Verfügung zu stellen, muss daher die GPIO-Port-Software des LM3S8962 verwendet werden, um das für MS2 erforderliche I6336S-Dateneingabeformat zu simulieren. Im Design werden PA5-, PA6- und PA7-Ports verwendet, um diese Funktion zu simulieren. Die drei Pins entsprechen dem I2S-Kanalauswahlsignal, dem Taktsignal bzw. dem Datensignal. Verbinden Sie diese drei Pins mit dem I2S-Funktions-Pin von MS6336.
Die Hardwarestruktur des Wiedergabeterminals des digitalen Ethernet-Sprachübertragungssystems ist in Abbildung 2 dargestellt.
3 Design der Broadcasting-Systemsoftware
Die Rundfunksystem-Software ist in zwei Teile unterteilt: Rundfunksystem-Server-Software und Rundfunk-Terminal-Software.
Dieses Design realisiert die Echtzeitwiedergabe von Sprachdaten, sodass die Echtzeitleistung der Sprachdatenübertragung gewährleistet sein muss, die Anforderungen an die Datenintegrität jedoch nicht zu streng sind und ein geringer Paketverlust die Daten nicht beeinträchtigt Gesamtwiedergabeeffekt, also die Sprachdaten des Systems Die Übertragung übernimmt den UDP-Übertragungsmodus. Gleichzeitig arbeitet das System in einem lokalen Netzwerk mit weniger temporären Benutzern. Daher wird eine statische IP-Adresszuweisung verwendet, um die Realisierung der Wiedergabeterminal-Software zu vereinfachen.
3.1 Das Sammeln, Speichern und Übertragen von Sprachdaten auf der Serverseite des Rundfunksystems
Die Erfassung von Sprachdaten wird mithilfe von WAVE-Audio-API-Funktionen auf niedriger Ebene implementiert. Um den Verlust von Sprachdaten nicht zu verursachen, verwendet das Design eine doppelte Pufferung zum Speichern von Sprachdaten. Der Implementierungsprozess ist in Abbildung 3 dargestellt.
Wenn ein Aufzeichnungspuffer voll ist, sendet das System sofort einen weiteren Aufzeichnungspuffer an das Aufzeichnungsgerät, um die Aufzeichnung fortzusetzen, und das Anwendungsprogramm sollte die Daten im vollständigen Aufzeichnungspuffer lesen und verarbeiten. Rufen Sie dann die Funktion waveInAddBuffer auf, um den Puffer dem Aufnahmegerät zum Recycling neu zuzuweisen.
Um den Verlust von Sprachdaten während des Aufzeichnungsprozesses zu verhindern, reicht es nicht aus, nur eine doppelte Pufferung zu verwenden. Es sollte auch beachtet werden, dass wenn ein Puffer voll ist, die Anwendung die Daten im Puffer verarbeitet und der zweite. Der Puffer wird zum Aufzeichnen verwendet, und die Datenverarbeitungszeit muss kürzer sein als die Zeit, die erforderlich ist, damit der zweite Puffer vollständig ist aufgezeichnet, andernfalls wurde der erste Puffer dem Aufzeichnungsgerät nicht neu zugewiesen, nachdem der zweite Puffer voll ist, was zu einem Verlust von Sprachdaten führt. Wenn die Abtastrate des Sprachsignals groß ist, kann eine geeignete Vergrößerung des Puffers dieses Problem effektiv lösen.
Um den Broadcast-Inhalt für die spätere Verwendung zu speichern, muss der Broadcast-Inhalt in einer WAV-Datei gespeichert werden. WAV-Dateien haben ein festes Header-Format. Vor dem Speichern von Sprachdaten müssen Sie den Header der WAV-Datei festlegen, da sonst die gespeicherte WAV-Datei nicht abgespielt werden kann. Suchen Sie jedes Mal, wenn der Aufzeichnungspuffer voll ist, zuerst das Ende der WAV-Datei und schreiben Sie dann nacheinander die gesammelten Daten am Ende der Datei. Wenn der gesamte Sendevorgang abgeschlossen ist, werden alle Sprachdaten in der WAV-Datei gespeichert, wodurch die Speicherung der Sprachdaten realisiert wird.
Wenn ein Aufzeichnungspuffer voll ist, müssen die gesammelten Sprachdaten über das Netzwerk gesendet werden. Verwenden Sie im Entwurf zuerst die Csocket-Klasse, um einen Socket zu erstellen, und müssen Sie dann nur die gesammelten Daten in ein IP-Paket kapseln und senden. Die Abtastrate des Sprachsignals in diesem Design beträgt 44.1 kHz, 16-Bit-Zweikanal. Um den Verlust von Sprachdaten zu vermeiden, wird die Größe des Aufzeichnungspuffers auf 1024B eingestellt.
3.2 Realisierung des regionalen Rundfunks
Eine wichtige Anwendung des digitalen Ethernet-Sprachübertragungssystems besteht nicht nur darin, den gesamten Rundfunk zu realisieren, sondern auch die lokale Rundfunkfunktion zu realisieren, dh an das angegebene Terminal zu senden. Daher wird das UDP-Multicast-Paket zur Datenübertragung bei der Netzwerkübertragung von Sprach-IP-Datenpaketen verwendet. Mithilfe von Multicast-Paketen zum Übertragen von Daten können alle in der Gruppe im lokalen Netzwerk enthaltenen Endgeräte die Daten empfangen und die gesamte Broadcast-Übertragung realisieren. Um die lokale Rundfunkfunktion zu realisieren, wird eine Struktur vor den Sprachdaten im Entwurf hinzugefügt, wie unten gezeigt, und eine Konfigurationsdatei wird verwendet, um die IP-Adresse jedes Terminals des Systems zu speichern.
STRING strukturieren
{String IPNO1;
Zeichenfolge IPNO2;
...
Zeichenfolge IPNO9;
Zeichenfolge IPNO10};
Wenn an bestimmten Terminals ein regionaler Rundfunk durchgeführt werden muss, wählen Sie die entsprechende Anzahl dieser Terminals auf der Seite des Servers des Rundfunksystems aus (siehe Abbildung 4). Zu diesem Zeitpunkt wird die IP-Adresse des ausgewählten Terminals aus der Konfigurationsdatei gelesen und der entsprechenden Variablen in der Struktur zugewiesen. Wenn das Terminal ein IP-Multicast-Paket empfängt, beurteilt es zuerst, ob die Struktur dieselbe Variable wie seine eigene IP-Adresse hat. Wenn dies der Fall ist, werden die Daten empfangen und abgespielt. Wenn nicht, werden die Daten verworfen, wodurch der Bereich Broadcast realisiert wird Funktion. Verglichen mit der Methode der Verwendung eines Steuersignals zur Steuerung des Wiedergabeterminals zum Beitritt oder Verlassen der Multicast-Gruppe oder zur dynamischen Verwaltung einer komplexen Zuordnungstabelle zur Implementierung der regionalen Broadcast-Funktion. Diese Methode muss weder das Wiedergabeterminal vor jeder Sendung interaktiv steuern noch den Status des Terminals dynamisch verfolgen. Die entsprechende IP-Adresse des Terminals muss nur in die Konfigurationsdatei geschrieben werden, wenn das Terminal zum ersten Mal dem System beitritt. Die Funktion ist einfach zu implementieren.
3.3 Die Realisierung der Broadcast-System-Broadcast-Terminal-Software
Das Broadcast-System-Broadcast-Terminal ist zur Realisierung in zwei Teile unterteilt, der Audiodaten-Empfangsteil wird zum Empfangen der Sprachdaten und zum Speichern und Weiterleiten verwendet, und der Audio-Decoder realisiert die D / A-Umwandlung und Wiedergabe des Sprachsignals. Der Audiodatenempfangsteil verwendet die Socket-Programmierung, um Sprachdaten vom Ethernet zu empfangen. Nach dem Empfang des Sprachdatenpakets muss zunächst beurteilt werden, ob das Datenpaket für sich selbst ist. Das Terminal vergleicht die Mitgliedsvariable der Strukturstruktur STRING im IP-Paket mit seiner eigenen IP-Adresse. Wenn eine Mitgliedsvariable ihrer eigenen IP-Adresse entspricht, speichert sie die Daten im Paket, verwirft sie andernfalls.
Die Sprachdaten werden empfangen und in einer kreisförmigen Warteschlange gespeichert. Aufgrund der Störung der UDP-Datenübertragung müssen die Sprachdatenpakete sortiert werden, nachdem die Sprachdaten am empfangenden Sprachdatenempfang empfangen wurden, um die sequentielle Verarbeitung der Sprachdaten und das korrekte Wiederherstellungs-Sprachsignal sicherzustellen. Um Netzwerkjitter zu vermeiden, werden die Daten gleichzeitig jedes Mal verarbeitet, wenn sich mindestens 5 Pakete in der zirkulären Warteschlange befinden.
Das Dateneingabeformat von MS6336 im Design übernimmt das I2S-Format. Da LM3S8962 dieses Datenformat nicht unterstützt, wird eine Softwaresimulation angewendet, um die I2S-Funktion über den GPIO-Port zu realisieren. Um das Sprachsignal vollständig wiederherzustellen, muss sichergestellt werden, dass das Timing des I2S-Signals streng und genau ist und die Umwandlung zwischen hohen und niedrigen Pegeln durch ein Verzögerungsprogramm implementiert wird. Das I2S-Zeitdiagramm ist in Abbildung 5 dargestellt.
Die Taktfrequenz des Broadcast-Terminals des Rundfunksystems beträgt 40 MHz, und die Zeit zum Senden jedes Datenbits beträgt 600 ns, berechnet aus der Abtastrate. Der LM3S8962 liefert Sprachdaten an MS6336 und realisiert die serielle Übertragung über den GPIO-Port gemäß dem Abtastpunkt. Jeder Abtastpunkt enthält vier Bytes, und der Datensendevorgang eines Abtastpunkts ist in Abbildung 6 dargestellt.
4 Ergebnisanalyse
Die Größe des vom System über Ethernet übertragenen Sprachdatenpakets beträgt 1024B. Um Netzwerkjitter zu vermeiden, beginnt das Terminal mit dem Senden, wenn 5 Datenpakete empfangen werden. Die Sendeverzögerungszeit beträgt ca. 30 ms, was den Funktionsindikatoren entspricht. Die Serverseite kann gleichzeitig die Arbeit von 10 Rundfunkendgeräten steuern. Durch Auswahl der entsprechenden Terminalnummer auf der Serverseite können die gesamten Bereichsübertragungs- und lokalen Rundfunkfunktionen des Rundfunksystems erfolgreich realisiert werden.
5 Fazit
Ausgehend von den tatsächlichen Anforderungen entwerfen und implementieren wir ein digitales Ethernet-Sprachübertragungssystem. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Wiedergabeterminal des Systems entscheidet, ob eine Sprachübertragung zur Realisierung der regionalen Übertragung eine einfache und effektive Möglichkeit zur Realisierung der globalen Übertragung und der regionalen Übertragung von Sprachsignalen darstellt. Das System-Player-Terminal verwendet eine GPIO-Port-Software-Simulation, um die I2S-Funktion zu realisieren, mit der das I2S-Timing genau realisiert, die Datenübertragung des Sprachsignals abgeschlossen und die Echtzeitübertragung des Sprachsignals realisiert werden kann. Die Entwurfsstruktur ist vernünftig und kann die Erweiterung von Funktionen wie Timing-Broadcast, Musikwiedergabe, Fernverwaltung, Echtzeitüberwachung usw. leicht realisieren. Dieser Entwurf hat wichtige praktische Bedeutung und bietet eine Grundlage für die Lösung großer und komplexer Ethernet-Broadcasts Systeme.
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