基于Dante低延時網絡化公共廣播系統

郭遠林

（廣州市迪士普音響科技有限公司，廣東 廣州 510450）

目前，公共廣播工程已經普遍采用IP網絡技術，這種類型的公共廣播系統具備OSI的七個協議層，能較好地兼容標準化網絡設備，可以滿足對音頻延時和質量要求不高的場景應用，但是由于缺乏同步機制，且延時在數百毫秒級，對音頻指標要求較高，尤其是有低延時需求的應用場景就難以達到要求。針對這一問題提出基于Dante網絡音頻傳輸協議的公共廣播系統解決方案，在具有一般網絡化公共廣播系統應備功能的基礎上，引入Dante網絡音頻傳輸協議，具備專業擴聲工程的低延時、同步性等優點，可以滿足高標準公共廣播項目的需求。

1 傳統網絡化公共廣播系統

基于計算機網絡搭建的公共廣播系統一般稱為網絡化公共廣播系統（IP公共廣播系統），公共廣播系統中最基本的海量音頻節目庫、遠距離的傳輸和控制、大范圍的矩陣交互等方面通過計算機和網絡技術而化解。網絡化公共廣播系統將音頻信號數字化后封裝到IP數據包傳輸，相比采用模擬線路的公共廣播系統的音頻信號傳輸，性能顯著提升，傳輸距離即是網絡所覆蓋的范圍，音頻質量可達到CD級別。

1.1 基于x86架構計算機平臺的網絡化公共廣播系統

早期IP公共廣播系統的硬件是基于x86架構的計算機平臺，典型系統如圖1所示，音頻信號傳輸鏈路如圖2所示。由x86架構服務器構建的公共廣播系統，以x86架構服務器的主機作為系統核心，實現系統邏輯處理、節目存儲管理、定時管理、系統控制界面交互等功能。終端也是x86架構的計算機，分為信號輸入類終端和信號輸出類終端，輸入類終端包括模擬音頻信號輸入、告警信號輸入、控制信號輸入等；輸出類終端包括模擬音頻信號輸出、告警信號輸出、控制信號輸出等，音頻信號輸出的終端就是廣播分區設備；此外，還有混合類終端同時具有輸入輸出功能。

圖1 早期網絡化公共廣播系統原理

圖2 網絡化廣播的音頻信號傳輸鏈路

早期的網絡化系統由于主機和終端都采用x86架構硬件，本質上就是由通用計算機網絡組成的系統，只是主機性能相對于終端更好一些，而終端因為功能單一配置相對低很多，但即便如此，終端成本還是比較高昂，而且體積較大。主機對所有的終端在任何時候都能進行獨立的音頻選擇播放、音量控制、開關等功能，也可以批量對若干數量的分區進行控制，即所謂的分組功能，也可以進行雙向的互動操作，如終端點播服務器的音頻內容，與主機或其他終端進行音頻對講等。系統的分區數量規模取決于服務器主機的性能和網絡的帶寬，一般可以很容易實現過千分區的功能。

1.2 基于ARM架構處理器的網絡化公共廣播系統

得益于ARM架構處理器的快速發展，新一代網絡化公共廣播系統的終端硬件核心也逐漸改由ARM嵌入式系統，產品體積和成本均大幅減小，一個典型的基于ARM架構處理器的網絡化公共廣播系統如圖3所示。主機采用x86架構的硬件+Windows/Linux操作系統的服務器，也有采用ARM架構服務器+Linux操作系統的服務器，各終端設備通常采用ARM嵌入式SoC或者其他類型的MCU作為核心。

圖3 新一代網絡化公共廣播系統原理

該類公共廣播系統涉及的設備類型較多，本文中不討論完整系統，僅討論與音頻相關部分的功能。從信號源類型來看，通常系統的音頻信號源主要有兩類。

1）從服務器硬盤播放的音頻文件，格式有MP3、MP4、AAC、WAV、WMA、APE等，通常采用流媒體技術，用UDP協議由主機發送到廣播分區終端，一個文件可以被同時播放到所有分區終端或者若干個分區終端，終端接收數據后實時解碼成模擬音頻信號，并送往下級信號處理設備（功率放大器、揚聲器）。

2）由音頻輸入類終端（傳聲器、播放機、線路輸入）實時采集的模擬音頻信號，需要經過A/D轉換為數字信號，為保證實時性和音頻質量，一般不經過壓縮處理，直接封裝成IP數據包，并通過UDP協議發送到廣播終端，終端處理過程與處理服務器傳送文件音頻流類似。

1.3 網絡化公共廣播系統的延時與同步

網絡化公共廣播系統具有服務器向每個分區終端同時播放不同音頻文件的能力，而采集類信號源則以一對多或多對多的方式完成分區實時廣播，總體來看類似于網絡化的音頻交叉矩陣。

公共廣播系統工程本身屬于擴聲工程，除常規的頻響、失真度、聲壓級等衡量電聲性能指標外，音頻信號的延時和同步指標也非常重要。這里的延時是指信號源進入到系統輸入設備，再經過系統傳輸與處理，最終由輸出設備輸出，全鏈路整個過程的時間差，如圖4，這個值越小越好。同步是指當兩個以上設備輸出同一個信號時，彼此之間存在的時間差，如圖5，這個值也是越小越好。

圖4 網絡化公共廣播的延時

圖5 網絡化公共廣播的同步

當前廣泛使用的IP公共廣播系統一般基于OSI 7層架構及完整的來自操作系統的協議棧，設計編程以頂層應用為主，具有開發技術難度較低，可以廣泛兼容常規局域網、廣域網的特點，但是由于缺乏網絡及媒體時鐘同步機制，以及針對時間敏感數據傳輸的底層優化措施，對于實時傳輸音頻信號而言，延時和同步的問題比較明顯。目前各公共廣播產品都有自己的一套協議組合，采用不同的技術路線，如A/D的采樣率、IP數據包的載荷長度、緩存的大小等，對于延時和同步的指標會帶來較大差異；除產品本身的硬件與軟件算法、協議有關外，還與設備使用的網絡環境有關。目前，網絡、系統理想狀態下，延時普遍能達到的實測值是100～400 ms，在實際項目的應用中，很多時候各種網絡信息設備混用在一個局域網中，通常延時要大于這個數值，使公共廣播系統的電聲指標會大打折扣。以網絡化公共廣播系統中音頻信號源的播放為例，對于直接播放存于播放服務器的音頻文件，無需信號處理，延時??；對于實時采集的信號源，尤其是傳聲器輸入延時最敏感，其他類型的相對不太敏感，因為聽眾可以同時聽到講話者的直達聲和由傳聲器拾取經網絡廣播還原的電聲信號，如果延時過大將明顯影響聽音質量，甚至聽到兩個聲音。而在聲音同步方面，同步性能對所有的信號類型都有影響，同步不好時會劣化聲場分布，降低語音清晰度，不同程度地影響到聽音效果。

2 基于Dante的網絡化公共廣播系統

2.1 系統原理

為實現IP公共廣播系統低延時的音頻傳輸，一個有效的解決方案是選用專業擴聲領域使用的網絡音頻協議，目前主流的傳輸協議有CobraNet、EtherSound、Dante、AVB等。其中，Dante具有完備的軟、硬件的解決方案，包括專用芯片和接入模塊（硬件）、控制管理軟件（API接口以及Dante Controller，見圖6）、虛擬聲卡（軟件，見圖7）等。目前，在各種類型的專業擴聲、會議系統中有著廣泛的應用，其延時低、同步性好、支持點對點和點對多點應用等特性決定了在公共廣播系統也具備很好的實用性。Dante虛擬聲卡能安裝在通用計算機系統中，通過計算機本地網口，直接將計算機中錄放音文件數據流與Dante協議控制流進行對接，極大方便了IP公共廣播系統的音頻文件播放及傳輸。圖8就是基于Dante數字音頻傳輸協議的低延時網絡化系統方案。

圖6 Dante Controller

圖7 Dante虛擬聲卡

圖8 基于Dante的網絡化公共廣播系統工作原理

由于Dante協議是一個實時的網絡數字音頻傳輸協議，與通常意義的網絡流媒體傳輸機制不盡相同，因此基于Datne網絡協議的公共廣播系統必須將系統中的兩類音頻信號源（見前文1.2節）統一到Dante的傳輸方式和協議格式上。對于傳聲器、線路輸入、調音臺等輸入類設備的信號，可以直接采用Dante SoC硬件模塊進行采集。對于服務器音頻文件庫的輸出則有以下兩種方式。

1）通過服務器的音頻播放軟件從聲卡輸出音頻信號，再由DanteSoC硬件模塊封裝成Dante協議數字音頻數據包。這種方式由于采用硬件聲卡，在服務器信號源通道少的情況下，比較容易實現，而當服務器信號源通道達到幾十上百以上時面臨硬件復雜、成本高的問題，即使采用USB聲卡也是如此。

2）采用純軟件實現廣播服務器音頻庫文件轉換為Dante網絡數據流。如采用Dante VirtualSoundcard軟件，兼容ASIO驅動，可以實現多通道虛擬聲卡，音頻播放器輸出的數據流可以通過ASIO接口與虛擬聲卡耦合，將虛擬聲卡的音頻信號封包成Dante協議網絡數據包。這就意味著可以實現多通道Dante協議數據流，具有16×16、32×32、64×64，甚至更多通道。

2.2 系統構成

采用Dante協議實現低延時網絡化公共廣播系統的拓撲圖如圖9所示。主機是系統的管理控制中心，自帶音頻文件庫，可根據終端的播放需求動態開啟播放器，再由Dante虛擬聲卡封裝成Dante格式音頻數據流后進入網絡。終端設備分為信號輸入、信號輸出、輸入輸出混合3類，信號輸入類設備包括尋呼器、CD、收音機、傳聲器等，信號輸出類設備包括解碼器、有源揚聲器、功率放大器等，輸入輸出混合類設備主要是有交互功能的對講終端。公共廣播系統除基本的音頻傳輸功能外，還必須具有系統管理和控制的功能，所有的控制功能均由服務器實現，操作界面可以通過服務器的顯示屏、遠程控制計算機、移動終端APP等方式實現。

圖9 系統拓撲

基于Dante的網絡化公共廣播系統相較于傳統網絡化公共廣播系統，在硬件構成上，只需把各終端核心從ARM SoC替換成DanteSoC模塊，就可實現Dante通信功能；在軟件方面，主機可以沿用傳統網絡化公共廣播系統的定時管理和分區管理等基礎功能，只需將原來音頻文件流媒體傳輸方式轉換成基于Dante虛擬聲卡的多通道音頻播放方式，分區管理由服務器調用DanteAPI接口進行，通過Dante網絡發送指令數據來完成流的切換，以及對各終端的DanteSoC芯片的控制。在千兆以太網條件下，系統可以達到1 024通道以上的分區規模。

2.3 延時及同步的測試

對網絡化公共廣播系統的音頻延時和同步時差的測量方法如圖10所示，測試信號由音頻播放器產生，內容為自行制作的WAV音頻文件，總時長為5 s，前2 s空白，接著10 ms是10 kHz/-10 dB正弦音頻信號，最后是2 900 ms的空白，這樣設計的測試信號易于示波器捕捉。使用上述方法分別對一套低延時廣播系統和兩套不同品牌的網絡廣播系統進行測試，結果顯示：

圖10 第三組吊掛主火炬示意圖

圖10 同步和延時的測試方案

1）基于Dante數字音頻傳輸協議的網絡化公共廣播系統，延時低于6 ms，同步時間偏差低于0.5 ms，兩項指標達到比較理想的狀態，詳見圖11；

圖11 基于Dante數字音頻傳輸協議公共廣播系統的同步和延時測試結果

2）普通協議的網絡化公共廣播系統1，延時達到415 ms，同步時間偏差5 ms，詳見圖12；

圖12 普通協議的網絡化公共廣播系統1的同步和延時測試結果

3）普通協議的網絡化公共廣播系統2，延時達到276 ms，同步時間偏差5 ms，詳見圖13。

圖13 普通協議的網絡化公共廣播系統2的同步和延時測試結果

3 基于Dante網絡化公共廣播系統的應用

某音樂學院因為專業特點對公共廣播系統的音質有尋呼講話低延時、分區聲音同步、語言清晰度方面的高標準要求，校方對目前的傳統網絡化公共廣播系統不滿意，經綜合對比后選用基于Dante網絡化公共廣播系統，系統拓撲如圖14，設備安裝調試后校方非常認可本系統的音頻低延時和聲音質量。

圖14 基于Dante的網絡化公共廣播系統應用拓撲圖

4 結語

公共廣播系統的信號延時是一項重要指標，對于有傳聲器信號輸入需求的現場擴聲系統尤其重要，文中介紹的基于Dante協議的網絡化公共廣播系統在音頻延時和同步性等指標上具有明顯優勢，同時具備公共廣播系統的應備常用功能，可以滿足實際項目的應用需求。