Aquest article proporciona una solució de sistema de difusió de veu digital Ethernet incrustada, que pot realitzar fàcilment la funció de difusió regional del sistema de difusió. El sistema es basa en l’arquitectura de braços i adopta el mètode d’arbitratge de terminal de reproducció del sistema per controlar la realització d’emissions regionals i el contingut de l’emissió es pot reproduir i guardar simultàniament.
El sistema de difusió de veu digital Ethernet es refereix principalment al sistema de difusió que utilitza Ethernet com a mitjà de transmissió per proporcionar serveis d’àudio. Es pot utilitzar Ethernet per resoldre el problema de la transmissió de senyals de veu a llarga distància. Permet als dissenyadors crear una estructura de xarxa a gran escala per realitzar la transmissió de milers de senyals de veu digitals a Ethernet, fent ple ús dels recursos de xarxa existents, evitant problemes d’establir línies repetidament i realitzant la integració de xarxes de difusió i d’ordinadors . Resol els problemes de mala qualitat de so, susceptibilitat a interferències, manteniment i gestió complexos i mala interacció en els sistemes de radiodifusió tradicionals. Al mateix temps, és possible seleccionar totes les àrees, parcials o específiques, per a la radiodifusió direccional en grup, cosa que supera la limitació que els sistemes de radiodifusió tradicionals només poden realitzar radiodifusió pública per a totes les àrees. Els sistemes de difusió de veu digital Ethernet existents utilitzen principalment senyals de control per controlar el terminal de difusió per unir-se o deixar el grup multidifusió en la realització de la funció de difusió regional. Cal enviar un senyal de control perquè el terminal s'uneixi al grup multidifusió abans que es pugui realitzar l'emissió. , O bé establir una taula de mapatge complexa al costat del servidor per mantenir l'estat del terminal de reproducció per aconseguir la difusió regional, cosa que és més complicat d'implementar.
1 Disseny estructural
Aquest sistema adopta una estructura C / S, està format per dues parts del terminal de servidor de sistema de transmissió i del terminal de transmissió del sistema de transmissió, tal com es mostra a la figura 1.
El servidor del sistema de difusió s’implementa en un PC i és un programa de recollida, emmagatzematge i transmissió de senyals de veu realitzat per VC ++. Aquesta part recopila i emmagatzema el senyal de veu a través d'un micròfon i, a continuació, transmet les dades de veu a Ethernet mitjançant UDP per realitzar la funció de transmissió de xarxa de dades de veu.
El terminal de reproducció del sistema de difusió és un terminal incrustat basat en LM3S8962, que pot rebre els paquets de dades de veu IP que se li envien des d’Ethernet i el xip de descodificació d’àudio MS6336 completa la conversió digital i analògica i la reproducció de les dades de veu.
2 Disseny de maquinari de terminal de transmissió del sistema de difusió
El xip de control principal del terminal de transmissió del sistema de transmissió adopta el microcontrolador LM3S8962 subministrat per LuminaryMicro. Aquesta sèrie de xips és el primer controlador basat en ARM CortexTM-M3 amb un controlador Ethernet integrat intern. És el primer xip ARM de la indústria que admet Industrial Ethernet (IEEE) i que pot implementar fàcilment funcions de xarxa.
El xip de descodificació d’àudio utilitza el xip MS6336 produït per MOSA. El xip és un convertidor digital-analògic d’àudio estèreo de 16 bits i els formats d’entrada digitals admesos són Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. La interfície de control MS6336 adopta el bus I2C, la interfície és fàcil de configurar. La part DAC té un corrent precís i estable, combinat amb un excel·lent mètode de descodificació simètric, que pot reproduir senyals d’àudio d’alta qualitat.
El xip de control principal LM3S8962 està connectat a la interfície RJ45 mitjançant components magnètics i s’utilitza per rebre dades de veu des d’Ethernet. LM3S8962 proporciona senyals de control i senyals de dades de veu per al xip descodificador d’àudio MS6336. LM3S8962 admet la funció I2C. Els ports PB2 i PB3 proporcionen senyals de dades i rellotge I2C respectivament. Aquests dos pins es poden connectar directament als pins de funció I2C de MS6336, i es necessita una resistència de tracció. LM3S8962 no admet el format d’entrada de dades requerit per MS6336. El format d’entrada de dades de MS6336 al sistema adopta I2S. Per tant, per proporcionar dades de veu a MS6336, és necessari utilitzar el programari de port GPIO de LM3S8962 per simular el format d’entrada de dades I2S requerit per MS6336. Al disseny, s’utilitzen ports PA5, PA6 i PA7 per simular aquesta funció. Els tres pins corresponen al senyal de selecció del canal I2S, al senyal de rellotge i al senyal de dades respectivament. Connecteu aquests tres pins al pin de funció I2S de MS6336.
L’estructura de maquinari del terminal de reproducció del sistema de difusió de veu digital Ethernet es mostra a la figura 2.
3 Disseny de programari de sistemes de difusió
El programari del sistema de difusió es divideix en dues parts: el programari del servidor del sistema de difusió i el programari del terminal de difusió.
Aquest disseny realitza la reproducció de dades de veu en temps real, de manera que cal garantir el rendiment en temps real de la transmissió de dades de veu, però els requisits d’integritat de les dades no són massa estrictes i una petita quantitat de pèrdua de paquets no afectarà la efecte de reproducció global, de manera que les dades de veu del sistema La transmissió adopta el mode de transmissió UDP. Al mateix temps, el sistema funciona a la xarxa d'àrea local i hi ha pocs usuaris temporals. Per tant, s’adopta l’assignació d’adreça IP estàtica per simplificar la realització del programari del terminal de reproducció.
3.1 La recollida, emmagatzematge i transmissió de dades de veu al servidor del sistema de difusió
La recopilació de dades de veu s’implementa mitjançant funcions d’API d’àudio WAVE de baix nivell. Per no provocar la pèrdua de dades de veu, el disseny utilitza una memòria intermèdia doble per emmagatzemar dades de veu. El procés d’implementació es mostra a la figura 3.
Quan una memòria intermèdia d’enregistrament està plena, el sistema envia immediatament una altra memòria intermèdia d’enregistrament al dispositiu d’enregistrament per continuar enregistrant i el programa d’aplicació hauria de llegir les dades de la memòria intermèdia d’enregistrament completa i processar-les. A continuació, truqueu a la funció waveInAddBuffer per tornar a assignar la memòria intermèdia al dispositiu de gravació per reciclar-la.
Per evitar la pèrdua de dades de veu durant el procés de gravació, no n'hi ha prou amb fer servir un doble buffer. També cal tenir en compte que quan un buffer està ple, l’aplicació processarà les dades del buffer i el segon El buffer s’utilitza per enregistrar i el temps de processament de dades ha de ser inferior al temps necessari perquè el segon buffer estigui completament enregistrat, en cas contrari, el primer buffer no s'ha tornat a assignar al dispositiu de gravació després que el segon buffer estigui ple, cosa que provocarà la pèrdua de dades de veu. Quan la freqüència de mostreig del senyal de veu és gran, augmentar adequadament la mida de la memòria intermèdia pot resoldre aquest problema amb eficàcia.
Per desar el contingut de difusió per a un ús posterior, és necessari desar-lo en un fitxer WAV. Els fitxers WAV tenen un format de capçalera fix. Abans de desar les dades de veu, heu d’establir la capçalera del fitxer WAV; en cas contrari, no es podrà reproduir el fitxer WAV desat. Cada vegada que la memòria intermèdia d’enregistrament està plena, primer cal trobar el final del fitxer WAV i, a continuació, escriure les dades recollides al final del fitxer al seu torn. Quan ha finalitzat tot el procés de difusió, totes les dades de veu es guarden al fitxer WAV, de manera que s’emmagatzemen les dades de veu.
Quan una memòria intermèdia d’enregistrament està plena, cal enviar les dades de veu recollides a través de la xarxa. Al disseny, primer utilitzeu la classe Csocket per crear un sòcol i, després, només heu d’encapsular les dades recollides en un paquet IP i enviar-les. La freqüència de mostreig del senyal de veu en aquest disseny és de 44.1 kHz, de doble canal de 16 bits. Per evitar la pèrdua de dades de veu, la mida del buffer de gravació s'estableix en 1024B.
3.2 Realització d’emissions regionals
Una aplicació important del sistema de radiodifusió de veu digital Ethernet no només és realitzar tota la zona de radiodifusió, sinó també realitzar la funció de radiodifusió local, és a dir, transmetre al terminal designat. Per tant, el paquet multidifusió UDP s’utilitza per a la transmissió de dades en la transmissió per xarxa de paquets de dades IP de veu. Mitjançant paquets de multidifusió per transmetre dades, tots els terminals inclosos al grup a la xarxa d'àrea local poden rebre les dades, realitzant tota l'emissió de l'àrea. Per tal de realitzar la funció de difusió local, s’afegeix una estructura davant de les dades de veu del disseny, com es mostra a continuació, i s’utilitza un fitxer de configuració per emmagatzemar l’adreça IP de cada terminal del sistema.
02 Disseny del maquinari del terminal de difusió del sistema de difusió
El xip de control principal del terminal de transmissió del sistema de transmissió adopta el microcontrolador LM3S8962 subministrat per LuminaryMicro. Aquesta sèrie de xips és el primer controlador basat en ARM CortexTM-M3 amb un controlador Ethernet integrat intern. És el primer xip ARM de la indústria que admet Industrial Ethernet (IEEE) i que pot implementar fàcilment funcions de xarxa.
El xip de descodificació d’àudio utilitza el xip MS6336 produït per MOSA. El xip és un convertidor digital-analògic d’àudio estèreo de 16 bits i els formats d’entrada digitals admesos són Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. La interfície de control MS6336 adopta el bus I2C, la interfície és fàcil de configurar. La part DAC té un corrent precís i estable, combinat amb un excel·lent mètode de descodificació simètric, que pot reproduir senyals d’àudio d’alta qualitat.
El xip de control principal LM3S8962 està connectat a la interfície RJ45 mitjançant components magnètics i s’utilitza per rebre dades de veu des d’Ethernet. LM3S8962 proporciona senyals de control i senyals de dades de veu per al xip descodificador d’àudio MS6336. LM3S8962 admet la funció I2C. Els ports PB2 i PB3 proporcionen senyals de dades i rellotge I2C respectivament. Aquests dos pins es poden connectar directament als pins de funció I2C de MS6336, i es necessita una resistència de tracció. LM3S8962 no admet el format d’entrada de dades requerit per MS6336. El format d’entrada de dades de MS6336 al sistema adopta I2S. Per tant, per proporcionar dades de veu a MS6336, és necessari utilitzar el programari de port GPIO de LM3S8962 per simular el format d’entrada de dades I2S requerit per MS6336. Al disseny, s’utilitzen ports PA5, PA6 i PA7 per simular aquesta funció. Els tres pins corresponen al senyal de selecció del canal I2S, al senyal de rellotge i al senyal de dades respectivament. Connecteu aquests tres pins al pin de funció I2S de MS6336.
L’estructura de maquinari del terminal de reproducció del sistema de difusió de veu digital Ethernet es mostra a la figura 2.
3 Disseny de programari de sistemes de difusió
El programari del sistema de difusió es divideix en dues parts: el programari del servidor del sistema de difusió i el programari del terminal de difusió.
Aquest disseny realitza la reproducció de dades de veu en temps real, de manera que cal garantir el rendiment en temps real de la transmissió de dades de veu, però els requisits d’integritat de les dades no són massa estrictes i una petita quantitat de pèrdua de paquets no afectarà la efecte de reproducció global, de manera que les dades de veu del sistema La transmissió adopta el mode de transmissió UDP. Al mateix temps, el sistema funciona en una xarxa d'àrea local amb menys usuaris temporals. Per tant, s’adopta l’assignació d’adreça IP estàtica per simplificar la realització del programari del terminal de reproducció.
3.1 La recollida, emmagatzematge i transmissió de dades de veu al servidor del sistema de difusió
La recopilació de dades de veu s’implementa mitjançant funcions d’API d’àudio WAVE de baix nivell. Per no provocar la pèrdua de dades de veu, el disseny utilitza una memòria intermèdia doble per emmagatzemar dades de veu. El procés d’implementació es mostra a la figura 3.
Quan una memòria intermèdia d’enregistrament està plena, el sistema envia immediatament una altra memòria intermèdia d’enregistrament al dispositiu d’enregistrament per continuar enregistrant i el programa d’aplicació hauria de llegir les dades de la memòria intermèdia d’enregistrament completa i processar-les. A continuació, truqueu a la funció waveInAddBuffer per tornar a assignar la memòria intermèdia al dispositiu de gravació per reciclar-la.
Per evitar la pèrdua de dades de veu durant el procés de gravació, no n'hi ha prou amb fer servir un doble buffer. També cal tenir en compte que quan un buffer està ple, l’aplicació processarà les dades del buffer i el segon El buffer s’utilitza per enregistrar i el temps de processament de dades ha de ser inferior al temps necessari perquè el segon buffer estigui completament enregistrat, en cas contrari, el primer buffer no s'ha tornat a assignar al dispositiu de gravació després que el segon buffer estigui ple, cosa que provocarà la pèrdua de dades de veu. Quan la freqüència de mostreig del senyal de veu és gran, augmentar adequadament la mida de la memòria intermèdia pot resoldre aquest problema amb eficàcia.
Per desar el contingut de difusió per a un ús posterior, és necessari desar-lo en un fitxer WAV. Els fitxers WAV tenen un format de capçalera fix. Abans de desar les dades de veu, heu d’establir la capçalera del fitxer WAV; en cas contrari, no es podrà reproduir el fitxer WAV desat. Cada vegada que la memòria intermèdia d’enregistrament està plena, primer cal trobar el final del fitxer WAV i, a continuació, escriure les dades recollides al final del fitxer al seu torn. Quan ha finalitzat tot el procés de difusió, totes les dades de veu es guarden al fitxer WAV, de manera que s’emmagatzemen les dades de veu.
Quan una memòria intermèdia d’enregistrament està plena, cal enviar les dades de veu recollides a través de la xarxa. Al disseny, primer utilitzeu la classe Csocket per crear un sòcol i, després, només heu d’encapsular les dades recollides en un paquet IP i enviar-les. La freqüència de mostreig del senyal de veu en aquest disseny és de 44.1 kHz, de doble canal de 16 bits. Per evitar la pèrdua de dades de veu, la mida del buffer de gravació s'estableix en 1024B.
3.2 Realització d’emissions regionals
Una aplicació important del sistema de radiodifusió de veu digital Ethernet no només és realitzar tota la zona de radiodifusió, sinó també realitzar la funció de radiodifusió local, és a dir, transmetre al terminal designat. Per tant, el paquet multidifusió UDP s’utilitza per a la transmissió de dades en la transmissió per xarxa de paquets de dades IP de veu. Mitjançant paquets de multidifusió per transmetre dades, tots els terminals inclosos al grup a la xarxa d'àrea local poden rebre les dades, realitzant tota l'emissió de l'àrea. Per tal de realitzar la funció de difusió local, s’afegeix una estructura davant de les dades de veu del disseny, com es mostra a continuació, i s’utilitza un fitxer de configuració per emmagatzemar l’adreça IP de cada terminal del sistema.
estructura STRING
{Cadena IPNO1;
Cadena IPNO2;
...
Cadena IPNO9;
Cadena IPNO10};
Quan sigui necessari realitzar retransmissions regionals en determinats terminals, seleccioneu els números corresponents d'aquests terminals al tauler del costat del servidor del sistema de retransmissió (com es mostra a la figura 4). En aquest moment, l'adreça IP del terminal seleccionat es llegeix des del fitxer de configuració i s'assigna a la variable corresponent de l'estructura. Quan el terminal rep un paquet multidifusió IP, primer jutja si l’estructura té la mateixa variable que la seva pròpia adreça IP, si n’hi ha, llavors es reben les dades i es reprodueixen, si no, les dades es descarten, realitzant així l’àrea Broadcast funció. En comparació amb el mètode d'utilitzar un senyal de control per controlar el terminal de reproducció per unir-se o sortir del grup multidifusió, o per mantenir dinàmicament una taula de mapatge complexa per implementar la funció de difusió regional. Aquest mètode no necessita controlar de forma interactiva el terminal de reproducció abans de cada transmissió, ni tampoc fa un seguiment dinàmic de l’estat del terminal. Només ha d’escriure l’adreça IP corresponent del terminal al fitxer de configuració quan el terminal s’uneix al sistema per primera vegada. La funció és senzilla d’implementar.
3.3 La realització de programari de terminal de difusió del sistema de difusió
El terminal de transmissió del sistema de difusió es divideix en dues parts per realitzar, la part de recepció de dades d’àudio s’utilitza per rebre les dades de veu i emmagatzemar-les i reenviar-les i el descodificador d’àudio realitza la conversió i reproducció del senyal de veu de D / A. La part de recepció de dades d’àudio adopta la programació Socket per rebre dades de veu des d’Ethernet. Després de rebre el paquet de dades de veu, primer ha de jutjar si el paquet de dades és per si mateix. El terminal compara la variable membre de l'estructura estructural STRING del paquet IP amb la seva pròpia adreça IP i, si alguna variable membre és igual a la seva pròpia adreça IP, emmagatzema les dades al paquet, en cas contrari les descarta.
Les dades de veu es reben i s’emmagatzemen en una cua circular. A causa del trastorn de la transmissió de dades UDP, els paquets de dades de veu s’han d’ordenar després de rebre les dades de veu a l’extrem de recepció de dades de veu per garantir el processament seqüencial de les dades de veu i la restauració correcta del senyal de veu. Al mateix temps, per evitar fluctuacions de xarxa, les dades es processen cada vegada que hi ha almenys 5 paquets a la cua circular.
El format d’entrada de dades de MS6336 al disseny adopta el format I2S. Com que LM3S8962 no admet aquest format de dades, s’adopta la simulació de programari per realitzar la funció I2S a través del port GPIO. Per restaurar completament el senyal de veu, cal assegurar-se que el temps del senyal I2S sigui estricte i precís i que la conversió entre nivells alt i baix s’implementi mitjançant un programa de retard. El diagrama de temps I2S es mostra a la figura 5.
La freqüència de rellotge del terminal de transmissió del sistema de transmissió és de 40 MHz i el temps per enviar cada bit de dades és de 600 ns calculats a partir de la freqüència de mostreig. LM3S8962 proporciona dades de veu a MS6336 i realitza transmissions en sèrie a través del port GPIO segons el punt de mostreig. Cada punt de mostreig conté quatre bytes i el procés d’enviament de dades d’un punt de mostreig es mostra a la figura 6.
4 Anàlisi de resultats
La mida del paquet de dades de veu transmès pel sistema a través d’Ethernet és de 1024B. Per tal d'evitar la fluctuació de la xarxa, el terminal comença a emetre's quan rep cinc paquets de dades. El temps de retard d’emissió és d’uns 5 ms, que compleix els indicadors funcionals. El costat del servidor pot controlar el treball de 30 terminals de difusió al mateix temps. Seleccionant el número de terminal corresponent al costat del servidor, es poden realitzar amb èxit totes les funcions de radiodifusió local i de difusió local del sistema de radiodifusió.
5 Conclusió
A partir de les necessitats reals, dissenyem i implementem un sistema de difusió de veu digital Ethernet. Els resultats experimentals mostren que el terminal de reproducció del sistema decideix si es realitza la difusió de veu per realitzar la transmissió regional és una forma senzilla i eficaç de realitzar la difusió global i la difusió regional de senyals de veu. El terminal del reproductor del sistema adopta la simulació de programari de port GPIO per realitzar la funció I2S, que pot realitzar amb precisió el temps I2S, completar la transmissió de dades del senyal de veu i realitzar la transmissió en temps real del senyal de veu. L’estructura de disseny és raonable i pot realitzar fàcilment l’ampliació de funcions, com ara la difusió de temps, la reproducció de música, la gestió remota, la supervisió en temps real, etc. sistemes.
El nostre altre producte:
