Ta članek ponuja vgrajeno rešitev Ethernet za digitalno glasovno oddajanje, ki lahko zlahka uresniči funkcijo regionalnega oddajanja radiodifuznega sistema. Sistem temelji na arhitekturi roke in sprejema metodo arbitraže terminala za predvajanje sistema za nadzor nad realizacijo regionalne oddaje, predvajane vsebine pa se lahko predvajajo in shranjujejo hkrati.
Ethernet sistem za digitalno glasovno oddajanje se v glavnem nanaša na radiodifuzni sistem, ki uporablja Ethernet kot prenosni medij za zagotavljanje avdio storitev. Ethernet se lahko uporablja za reševanje problema prenosa glasovnih signalov na velike razdalje. Omogoča oblikovalcem, da ustvarijo obsežno mrežno strukturo za realizacijo prenosa tisočih digitalnih glasovnih signalov po Ethernetu, pri čemer v celoti izkoristijo obstoječe omrežne vire, se izognejo težavam z večkratnim nastavljanjem linij in uresničijo integracijo radiodifuznih in računalniških omrežij . Rešuje probleme slabe kakovosti zvoka, dovzetnosti za motnje, zapletenega vzdrževanja in upravljanja ter slabe interakcije v tradicionalnih radiodifuznih sistemih. Hkrati je mogoče izbrati vsa, delna ali določena področja za usmerjeno skupinsko oddajanje, kar presega omejitev, da lahko tradicionalni radiodifuzni sistemi izvajajo samo javno oddajanje za vsa področja. Obstoječi Ethernet sistemi za digitalno glasovno oddajanje večinoma uporabljajo nadzorne signale za nadzor radiodifuznega terminala, da se pridružijo skupini multicast ali jo zapustijo pri uresničevanju funkcije regionalnega oddajanja. Preden se oddajanje lahko uresniči, je treba poslati kontrolni signal, da se terminal priključi skupini za večnamensko oddajanje. , Ali pa na strani strežnika vzpostavite zapleteno tabelo za preslikavo, da ohranite stanje terminala za predvajanje, da dosežete regionalno oddajanje, ki je za izvajanje bolj zapleteno.
1 Strukturna zasnova
Ta sistem ima strukturo C / S in je sestavljen iz dveh delov končnega strežnika razširitvenega sistema in terminala za oddajanje razširjenega sistema, kot je prikazano na sliki 1.
Strežnik oddajenega sistema je izveden na osebnem računalniku in je program za zbiranje, shranjevanje in prenos glasovnih signalov, ki ga izvaja VC ++. Ta del zbira in shranjuje glasovni signal prek mikrofona, nato pa prek UDP posreduje glasovne podatke v Ethernet, da uresniči funkcijo omrežnega prenosa glasovnih podatkov.
Terminal za predvajanje oddajnega sistema je vdelani terminal, ki temelji na LM3S8962, ki lahko sprejema IP-pakete glasovnih podatkov, ki so mu poslani iz Etherneta, čip za dekodiranje zvoka MS6336 pa zaključi digitalno / analogno pretvorbo in predvajanje glasovnih podatkov
2 Oblikovanje strojne opreme oddajnega sistema
Glavni krmilni čip oddajnega sistema za oddajanje sprejme mikrokrmilnik LM3S8962, ki ga zagotavlja LuminaryMicro. Ta serija čipov je prvi krmilnik na osnovi ARM Cortex ™ -M3 z vgrajenim vgrajenim Ethernet krmilnikom. To je prvi v industriji čip ARM, ki podpira Industrial Ethernet (IEEE) in lahko enostavno izvaja omrežne funkcije.
Čip za dekodirnik zvoka uporablja čip MS6336, ki ga proizvaja MOSA. Čip je 16-bitni stereo avdio digitalno-analogni pretvornik, podprti digitalni vhodni formati pa so Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. Nadzorni vmesnik MS6336 sprejme vodilo I2C, vmesnik je enostaven za nastavitev. Del DAC ima natančen in stabilen tok, v kombinaciji z odlično simetrično metodo dekodiranja pa lahko predvaja visokokakovostne zvočne signale.
Glavni krmilni čip LM3S8962 je povezan z vmesnikom RJ45 prek magnetnih komponent in se uporablja za sprejem glasovnih podatkov iz Etherneta. LM3S8962 zagotavlja krmilne signale in glasovne podatkovne signale za čip dekodirnika zvoka MS6336. LM3S8962 podpira funkcijo I2C. Vrata PB2 in PB3 zagotavljata uro I2C in podatkovne signale. Ta dva zatiča je mogoče neposredno povezati s funkcijskimi zatiči I2C MS6336, potreben pa je vlečni upor. LM3S8962 ne podpira oblike vnosa podatkov, ki jo zahteva MS6336. Oblika vnosa podatkov MS6336 v sistemu sprejme I2S. Da bi zagotovili glasovne podatke MS6336, je treba za simulacijo formata vnosa podatkov I3S, ki ga zahteva MS8962, uporabiti programsko opremo vrat GPIO LM2S6336. V zasnovi se za simulacijo te funkcije uporabljajo vrata PA5, PA6 in PA7. Trije zatiči ustrezajo signalu za izbiro kanala I2S, signalu ure in podatkovnemu signalu. Te tri zatiče povežite s funkcijskim zatičem I2S na MS6336.
Struktura strojne opreme predvajalnega terminala sistema za digitalno glasovno oddajanje Ethernet je prikazana na sliki 2.
3 Oblikovanje programske opreme radiodifuznega sistema
Programska oprema radiodifuznega sistema je razdeljena na dva dela: strežniška programska oprema radiodifuznega sistema in programska oprema terminala.
Ta zasnova uresničuje predvajanje glasovnih podatkov v realnem času, zato mora biti zagotovljena resnična zmogljivost prenosa glasovnih podatkov, vendar zahteve po celovitosti podatkov niso prestroge in majhna količina izgube paketov ne bo vplivala na splošni učinek predvajanja, zato glasovni podatki sistema Prenos sprejme način prenosa UDP. Hkrati sistem deluje v lokalnem omrežju in začasnih uporabnikov je malo. Zato je za poenostavitev izvedbe programske opreme terminala za predvajanje sprejeta statična dodelitev naslovov IP.
3.1 Zbiranje, shranjevanje in prenos glasovnih podatkov na strežniški strani radiodifuznega sistema
Zbiranje glasovnih podatkov se izvaja z uporabo nizko nivojskih funkcij zvočnega API-ja WAVE. Da ne bi prišlo do izgube glasovnih podatkov, zasnova uporablja dvojno medpomnjenje za shranjevanje glasovnih podatkov. Postopek izvedbe je prikazan na sliki 3.
Ko je en vmesni vmesni pomnilnik poln, sistem takoj pošlje v snemalno napravo še en snemalni vmesnik, da nadaljuje snemanje, aplikacijski program pa mora prebrati podatke v celotnem vmesnem vmesnem pomnilniku in jih obdelati. Nato pokličite funkcijo waveInAddBuffer, da vmesnik znova dodelite snemalni napravi za recikliranje.
Da bi preprečili izgubo glasovnih podatkov med snemanjem, ni dovolj samo dvojno medpomnjenje. Upoštevati je treba tudi, da bo aplikacija, ko je en vmesni pomnilnik poln, obdelala podatke v vmesnem pomnilniku, druga pa vmesni pomnilnik za snemanje, čas obdelave podatkov pa mora biti krajši od časa, potrebnega za popolno polnjenje drugega vmesnega pomnilnika posneti, sicer prvi vmesni pomnilnik ni bil dodeljen snemalni napravi po polnosti drugega vmesnega pomnilnika, kar bo povzročilo izgubo glasovnih podatkov. Če je hitrost vzorčenja glasovnega signala velika, lahko ustrezno povečanje velikosti medpomnilnika učinkovito reši to težavo.
Če želite oddajno vsebino shraniti za poznejšo uporabo, jo morate shraniti v datoteko WAV. Datoteke WAV imajo določeno obliko glave. Pred shranjevanjem glasovnih podatkov morate nastaviti glavo datoteke WAV, sicer shranjene datoteke WAV ni mogoče predvajati. Vsakič, ko je vmesni pomnilnik poln, najprej poiščite konec datoteke WAV, nato pa zbrane podatke zaporedoma zapišite na konec datoteke. Ko je celoten postopek oddajanja končan, se vsi glasovni podatki shranijo v datoteko WAV, s čimer se shranijo glasovni podatki.
Ko je medpomnilnik snemanja poln, je treba zbrane glasovne podatke poslati po omrežju. Pri načrtovanju najprej uporabite razred Csocket, da ustvarite vtičnico, nato pa morate zbrane podatke samo enkapsulirati v paket IP in jih poslati. Hitrost vzorčenja glasovnega signala pri tej zasnovi je 44.1 kHz, 16-bitni dvokanalni. Da bi se izognili izgubi glasovnih podatkov, je velikost vmesnega pomnilnika nastavljena na 1024B.
3.2 Uresničevanje regionalne radiodifuzije
Pomembna aplikacija sistema za digitalno glasovno oddajanje Ethernet ni le uresničitev oddajanja na celotnem območju, temveč tudi uresničevanje funkcije lokalne radiodifuzije, to je oddajanje na določeni terminal. Zato se paket UDP z več preusmeritvami uporablja za prenos podatkov pri omrežnem prenosu podatkovnih paketov glasovnih IP. Z uporabo multicast paketov za prenos podatkov lahko vsi terminali, ki so vključeni v skupino v lokalnem omrežju, sprejmejo podatke in uresničijo celotno predvajanje območja. Za uresničitev funkcije lokalnega oddajanja je pred glasovnimi podatki v zasnovi dodana struktura, kot je prikazano spodaj, in konfiguracijska datoteka se uporablja za shranjevanje naslova IP vsakega terminala sistema.
02 Oblikovanje strojne opreme oddajnega sistema
Glavni krmilni čip oddajnega sistema za oddajanje sprejme mikrokrmilnik LM3S8962, ki ga zagotavlja LuminaryMicro. Ta serija čipov je prvi krmilnik na osnovi ARM Cortex ™ -M3 z vgrajenim vgrajenim Ethernet krmilnikom. To je prvi v industriji čip ARM, ki podpira Industrial Ethernet (IEEE) in lahko enostavno izvaja omrežne funkcije.
Čip za dekodirnik zvoka uporablja čip MS6336, ki ga proizvaja MOSA. Čip je 16-bitni stereo avdio digitalno-analogni pretvornik, podprti digitalni vhodni formati pa so Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. Nadzorni vmesnik MS6336 sprejme vodilo I2C, vmesnik je enostaven za nastavitev. Del DAC ima natančen in stabilen tok, v kombinaciji z odlično simetrično metodo dekodiranja pa lahko predvaja visokokakovostne zvočne signale.
Glavni krmilni čip LM3S8962 je povezan z vmesnikom RJ45 prek magnetnih komponent in se uporablja za sprejem glasovnih podatkov iz Etherneta. LM3S8962 zagotavlja krmilne signale in glasovne podatkovne signale za čip dekodirnika zvoka MS6336. LM3S8962 podpira funkcijo I2C. Vrata PB2 in PB3 zagotavljata uro I2C in podatkovne signale. Ta dva zatiča je mogoče neposredno povezati s funkcijskimi zatiči I2C MS6336, potreben pa je vlečni upor. LM3S8962 ne podpira oblike vnosa podatkov, ki jo zahteva MS6336. Oblika vnosa podatkov MS6336 v sistemu sprejme I2S. Da bi zagotovili glasovne podatke MS6336, je treba za simulacijo formata vnosa podatkov I3S, ki ga zahteva MS8962, uporabiti programsko opremo vrat GPIO LM2S6336. V zasnovi se za simulacijo te funkcije uporabljajo vrata PA5, PA6 in PA7. Trije zatiči ustrezajo signalu za izbiro kanala I2S, signalu ure in podatkovnemu signalu. Te tri zatiče povežite s funkcijskim zatičem I2S na MS6336.
Struktura strojne opreme predvajalnega terminala sistema za digitalno glasovno oddajanje Ethernet je prikazana na sliki 2.
3 Oblikovanje programske opreme radiodifuznega sistema
Programska oprema radiodifuznega sistema je razdeljena na dva dela: strežniška programska oprema radiodifuznega sistema in programska oprema terminala.
Ta zasnova uresničuje predvajanje glasovnih podatkov v realnem času, zato mora biti zagotovljena resnična zmogljivost prenosa glasovnih podatkov, vendar zahteve po celovitosti podatkov niso prestroge in majhna količina izgube paketov ne bo vplivala na splošni učinek predvajanja, zato glasovni podatki sistema Prenos sprejme način prenosa UDP. Hkrati sistem deluje v lokalnem omrežju z manj začasnimi uporabniki. Zato je za poenostavitev izvedbe programske opreme terminala za predvajanje sprejeta statična dodelitev naslovov IP.
3.1 Zbiranje, shranjevanje in prenos glasovnih podatkov na strežniški strani radiodifuznega sistema
Zbiranje glasovnih podatkov se izvaja z uporabo nizko nivojskih funkcij zvočnega API-ja WAVE. Da ne bi prišlo do izgube glasovnih podatkov, zasnova uporablja dvojno medpomnjenje za shranjevanje glasovnih podatkov. Postopek izvedbe je prikazan na sliki 3.
Ko je en vmesni vmesni pomnilnik poln, sistem takoj pošlje v snemalno napravo še en snemalni vmesnik, da nadaljuje snemanje, aplikacijski program pa mora prebrati podatke v celotnem vmesnem vmesnem pomnilniku in jih obdelati. Nato pokličite funkcijo waveInAddBuffer, da vmesnik znova dodelite snemalni napravi za recikliranje.
Da bi preprečili izgubo glasovnih podatkov med snemanjem, ni dovolj samo dvojno medpomnjenje. Upoštevati je treba tudi, da bo aplikacija, ko je en vmesni pomnilnik poln, obdelala podatke v vmesnem pomnilniku, druga pa vmesni pomnilnik za snemanje, čas obdelave podatkov pa mora biti krajši od časa, potrebnega za popolno polnjenje drugega vmesnega pomnilnika posneti, sicer prvi vmesni pomnilnik ni bil dodeljen snemalni napravi po polnosti drugega vmesnega pomnilnika, kar bo povzročilo izgubo glasovnih podatkov. Če je hitrost vzorčenja glasovnega signala velika, lahko ustrezno povečanje velikosti medpomnilnika učinkovito reši to težavo.
Če želite oddajno vsebino shraniti za poznejšo uporabo, jo morate shraniti v datoteko WAV. Datoteke WAV imajo določeno obliko glave. Pred shranjevanjem glasovnih podatkov morate nastaviti glavo datoteke WAV, sicer shranjene datoteke WAV ni mogoče predvajati. Vsakič, ko je vmesni pomnilnik poln, najprej poiščite konec datoteke WAV, nato pa zbrane podatke zaporedoma zapišite na konec datoteke. Ko je celoten postopek oddajanja končan, se vsi glasovni podatki shranijo v datoteko WAV, s čimer se shranijo glasovni podatki.
Ko je medpomnilnik snemanja poln, je treba zbrane glasovne podatke poslati po omrežju. Pri načrtovanju najprej uporabite razred Csocket, da ustvarite vtičnico, nato pa morate zbrane podatke samo enkapsulirati v paket IP in jih poslati. Hitrost vzorčenja glasovnega signala pri tej zasnovi je 44.1 kHz, 16-bitni dvokanalni. Da bi se izognili izgubi glasovnih podatkov, je velikost vmesnega pomnilnika nastavljena na 1024B.
3.2 Uresničevanje regionalne radiodifuzije
Pomembna aplikacija sistema za digitalno glasovno oddajanje Ethernet ni le uresničitev oddajanja na celotnem območju, temveč tudi uresničevanje funkcije lokalne radiodifuzije, to je oddajanje na določeni terminal. Zato se paket UDP z več preusmeritvami uporablja za prenos podatkov pri omrežnem prenosu podatkovnih paketov glasovnih IP. Z uporabo multicast paketov za prenos podatkov lahko vsi terminali, ki so vključeni v skupino v lokalnem omrežju, sprejmejo podatke in uresničijo celotno predvajanje območja. Za uresničitev funkcije lokalnega oddajanja je pred glasovnimi podatki v zasnovi dodana struktura, kot je prikazano spodaj, in konfiguracijska datoteka se uporablja za shranjevanje naslova IP vsakega terminala sistema.
struktura STRING
{Niz IPNO1;
Niz IPNO2;
...
Niz IPNO9;
Niz IPNO10};
Kadar je treba na nekaterih terminalih izvajati regionalno oddajanje, izberite ustrezne številke teh terminalov na plošči strežniške strani radiodifuznega sistema (kot je prikazano na sliki 4). Trenutno se iz konfiguracijske datoteke prebere naslov IP izbranega terminala in dodeli ustrezni spremenljivki v strukturi. Ko terminal prejme paket IP multicast, najprej presodi, ali ima struktura isto spremenljivko kot njegov lasten naslov IP, če je, potem so podatki sprejeti in predvajani, v nasprotnem primeru se podatki zavržejo in tako realizira območje Broadcast funkcijo. V primerjavi z načinom uporabe krmilnega signala za nadzor predvajalnega terminala, da se pridruži skupini multicast ali jo zapusti ali dinamično vzdržuje zapleteno tabelo za preslikavo za izvajanje funkcije regionalnega oddajanja. Tej metodi ni treba interaktivno nadzorovati predvajalnega terminala pred vsako oddajo niti dinamično slediti stanju terminala. Ustrezni naslov IP terminala mora zapisati v konfiguracijsko datoteko šele, ko se terminal prvič pridruži sistemu. Funkcija je enostavna za izvedbo.
3.3 Izvedba programske opreme terminala za radiodifuzijski sistem
Oddajni sistem za oddajanje je razdeljen na dva dela, del za sprejem zvočnih podatkov se uporablja za sprejem glasovnih podatkov ter shranjevanje in posredovanje, avdio dekoder pa izvede D / A pretvorbo in predvajanje glasovnega signala. Del za sprejem zvočnih podatkov sprejme programsko opremo Socket za sprejem glasovnih podatkov iz Etherneta. Po prejemu glasovnega podatkovnega paketa mora najprej presoditi, ali je podatkovni paket zase. Terminal primerja spremenljivko člana strukture STRING v paketu IP z lastnim naslovom IP in če je katera koli spremenljivka člana enaka lastnemu naslovu IP, podatke shrani v paket, drugače pa jih zavrže.
Glasovni podatki so sprejeti in shranjeni v krožni čakalni vrsti. Zaradi motenj pri prenosu podatkov UDP je treba glasovne podatkovne pakete razvrstiti po prejemu glasovnih podatkov na koncu prejema glasovnih podatkov, da se zagotovi zaporedna obdelava glasovnih podatkov in pravilno obnovitev glasovnega signala. Hkrati se podatki, da bi se izognili mreženju, obdelajo vsakič, ko je v krožni čakalni vrsti vsaj 5 paketov.
Oblika vnosa podatkov MS6336 v zasnovi sprejme format I2S. Ker LM3S8962 ne podpira tega podatkovnega formata, je za izvedbo funkcije I2S prek vrat GPIO sprejeta simulacija programske opreme. Da bi v celoti obnovili glasovni signal, je treba zagotoviti, da je čas signala I2S strog in natančen, pretvorbo med visoko in nizko raven pa izvaja program zakasnitve. Časovni diagram I2S je prikazan na sliki 5.
Taktna frekvenca oddajnega terminala oddajenega sistema je 40 MHz, čas za pošiljanje vsakega podatkovnega bita pa je 600 ns, izračunan iz hitrosti vzorčenja. LM3S8962 zagotavlja glasovne podatke MS6336 in realizira serijski prenos prek vrat GPIO glede na vzorčno mesto. Vsako vzorčno mesto vsebuje štiri bajte, postopek pošiljanja podatkov vzorčnega mesta pa je prikazan na sliki 6.
4 Analiza rezultatov
Velikost glasovnega podatkovnega paketa, ki ga sistem prenaša po Ethernetu, je 1024B. Da bi se izognil mrežnemu tresenju, terminal začne oddajati, ko prejme 5 podatkovnih paketov. Čas zakasnitve oddajanja je približno 30 ms, kar ustreza funkcionalnim kazalnikom. Strežniška stran lahko hkrati nadzoruje delo 10 oddajniških terminalov. Z izbiro ustrezne številke terminala na strani strežnika je mogoče uspešno realizirati funkcije razširjanja celotnega območja in lokalnega oddajanja radiodifuznega sistema.
Zaključek 5
Izhajajoč iz dejanskih potreb, načrtujemo in izvajamo Ethernet sistem za digitalno glasovno oddajanje. Eksperimentalni rezultati kažejo, da se sistemski predvajalni terminal odloči, ali bo oddajanje glasu izvedel za uresničitev regionalne radiodifuzije, ki je preprost in učinkovit način za globalno oddajanje in regionalno oddajanje glasovnih signalov. Terminal sistemskega predvajalnika sprejme programsko simulacijo vrat GPIO za uresničitev funkcije I2S, ki lahko natančno uresniči čas I2S, zaključi prenos podatkov glasovnega signala in realizira oddajanje glasovnega signala v realnem času. Struktura zasnove je razumna in lahko zlahka uresniči razširitev funkcij, kot so časovno oddajanje, predvajanje glasbe, upravljanje na daljavo, spremljanje v realnem času itd. Ta zasnova ima pomemben praktični pomen in je osnova za reševanje velikih in zapletenih oddaj Ethernet sistemov.
Naš drugi izdelek:
