基于CobraNet的网络音频传输的设计与实现

黄云（杭州萧山国际机场，浙江 杭州 311207）

基于CobraNet的网络音频传输的设计与实现

黄云
（杭州萧山国际机场，浙江 杭州 311207）

依据机场内部局域网具有的功能，探索出利用常规性网络传输实现机场航站楼广播系统自动数字化的方法。基于利用CobraNet技术开发的CM-2数字音频网络接口模块的功能，借助交换机进行局域网子网划分，实现分布式分区广播，完成从传统模拟音频传输到网络数字音频传输的飞跃。该方案具有系统结构简单、施工走线方便、分区拓扑灵活和低成本优势，为数字化广播工程的设计施工提供一定的参考。

CobraNet专业音频 网络协议 交换机

1 引言

机场航站楼音频系统作为音频处理中心，不仅为旅客提供广播信息服务，还提供娱乐节目，对播放内容、语音清晰度和语音质量等提出了很高的要求。音频系统CobraNet协议的物理架构是标准以太网。CobraNet协议可以通过识别技术与计算等通信技术在标准以太网上传送等时或软时钟特性的数据流，等时数据流具有时间敏感性和确定性两大特点；但是以太网是异步网络传输，不能确保某一数据包的及时送达；而音频信号传输的实时性极强，任何传输延迟将导致音响质量的急剧下降。也就是说，将CobraNet设备和生产计算机放置在一起，当大数据量到来时，则会出现争抢带宽的现象，会产生计算机得不到带宽或者CobraNet丢失数据包。在机场实际工程中，并非单独为CobraNet设立以太网络，而是借助交换机进行子网划分，把CobraNet独立出来使用，充分利用网络音频来保证信号传输的连续性。

2 CobraNet协议

CobraNet是综合硬件、软件和通信协议为一体的网络音频实时传输技术［1］，它采用的是标准以太网IEEE802.3网络协议。CobraNet音频传输技术是多通道的数字信号技术，利用成熟的快速以太网技术来传输和分配实时、非压缩的（PCM）数字音频信号，在互联网基础上延伸和扩展，其标准采样率和量化分辨率为广播级的48 kHz和20 bits，高于了CD唱片的数据指标［2］；其特点是信号不会产生压缩而引起失真，声音延时量小于8 ms而不会有感觉。CobraNet协议把音频信号打成数据包（Bundle），一个Bundle的数据量含8路20 bits的音频信号。CobraNet的Network Bundle数据包有目的设备与源设备

定稿日期：2015-11-26的Mac地址，信号的路由分配非常灵活，能够多点（multiast）和单点（unicast）对数据进行定点传输。CobraNet数据服务如图1所示。

图1 CobraNet数据服务示意图

CobraNet数据被“封装”在以太网MAC帧中，CobraNet协议包括3种基本的数据包类型为：时钟（Beat）数据包、预约数据包和音频数据包。Beat数据包是由局域网中的Conductor指挥官发出的，每秒发送750次，大小约为100 Bytes，由主机用多播地址（01：60：2B:FF:FF:00）差拍分组传送。其作用保证全网络建立一个同步的时钟节拍，让CobraNet设备在一个时钟步调上传送数据。预约数据包即是PC数据，是CobraNet音频数据传输的开始，每隔差不多一秒一次向外发送的组播数据包，预约用多播地址（01：60：2B:FF:FF:01）控制数据包的地址分配，是协议中预约－允许－发送机制的重要环节。它有2个方面的作用：一方面每个CobraNet设备定期向Conductor发出预约传送请求，并等待批准；另一方面定期向网络公布自己的CobraNet优先级和IP地址，供上层管理软件使用。音频数据包是包含数字音频数据，数据可以是16、20或24 bits未经压缩的PCM音频数据，在默认情况下的采样为48 kHz/20 bits，其作用是当传送机的传送请求得到批准后，开始向目的地址发送同步音频数据。

CobraNet网络在纯CobraNet设备中会认定主机为“指挥官”设备，主机从CM-2模块的（VCXO）晶体振荡器或接受外部的时钟源生成一个标准时基，主机按一定规律的节拍向网络发送数据包，在网络上的CobraNet设备锁定数据包和本地生成的时钟到达时间，接收数据。如果主机出现故障，网络中的CobraNet设备在几毫秒内将会承担起主机的角色，缺乏主机将无法完成音频数据的传送。

3 CM-2数字音频网络接口模块的介绍

CobraNet技术是Cirrus Logic推出的领先于音响界的数字音频网络技术。CM-2［3］是数字音频网络接口模块，它很容易集成到各种音频设备中，如信号处理器、混合器和功放等等。要让数字音频能够在以太网络上传输，必须要有数字音频到网络数据包的转化，CM-2模块就能把音频数据封装成网络数据包同步发送到以太网中，在以太网中的另外的CobraNet设备收到网络数据包后进行分析确认；若是同设备应该接受的数据包，CM-2模块把数据包进行解包处理得到音频数据，形成IIS标准通讯模式的数字音频数据送入到FPGA（Field Programmable Array Logic现场可编程门阵列）中，有FPGA路由到指定的D/A端口，完成音频传输。CM-2模块结构原理图，如图2所示。建立了一个可与TCP/IP数据网络共存、传递音频数据的CobraNet协议，接口采用变压器隔离。

图2 CM-2模块结构原理图

3.1 CM-2模块特性

CM-2模块特性主要有：100 BASE-TX以太网接口—100 Mbps、全双工以太网，完全兼容IEEE 802.3u标准；次级100 BASE-TX以太网接口—提高容错能力的冗余网络连接；四路同步串行输出端口—能够以48或96 kHz采样率提供2、8或16个输出通道；四路同步串行输入端口—能够以48或96 kHz采样率接收2、8或16个输入通道；录音棚等级的低时基抖动时钟信号源—抖动小于1 ns；高速并行主机接口—可接至外置控制处理器（可选）；SNMP代理—符合标准的以太网控制、监控和管理；支持TFTP—可在线更新固件程序；低迟延—可选1.33、2.66或5.33 ms网间迟延；可选RJ-45连接远程供电—通过Cat-5以太网连接供电，需要外置电路；异步串行输入/输出端口—向以太网传送串行控制数据；状态指示灯—为每个以太网插孔提供连接状态、活动状态以及CobraNet指挥状态指示。

3.2 IIS通讯模式

IIS（Inter IC Sound Bus）标准数字音频数据总线，能够与各种具有IIS协议的音频设备互通互联。是CM-2常用的时序传输模式。如图3所示，标准的24位的音频数据，最高有效位与采样周期FS1向左对齐，当一个采样周期FS1到达。数据采样DAI_SCLK边缘的上升和下降沿时音频数据变化。

图3 IIS时序图

3.3 CS1810xx/CS4961xx硅系统产品

CS1810xx/CS4961xx（带DSP处理功能）2个系列的网络音频处理器，是CM-2模块的重要组成部分。CS1810xx/CS4961xx实现了网络协议栈和执行实时同步转换。网络时钟是与压控晶体振荡器（VCXO）产生同步并受网络音频处理器控制，采用LPQF144脚封装，引脚可分为处理器外部总线、主机接口HMI（Host Management Interface）、数字音频接口SSI（Digital Audio Interface）和异步通信等等。

CS1810xx/CS4961xx网络音频处理芯片的固件装载是由生产厂商自带的光盘完成。它的固件ROM装载由bootloader和应用程序两部分，先用网线将计算机的并口和520CPU模块的下载接口相连，运行Cirrus Logic公司提供的DOS应用程序，执行命令“elcm2.cmd”实现bootloader装载，完成以太网接口和主机接口等驱动安装。CS1810xx/CS4961xx内部主机接口部分提供8个8位寄存器，其地址由基址HMI-BASE和低位HADD3-HADD0之和决定。0～8位地址对应信息寄存器Message A（MS）、Message B、Message C、Message D（LS）和数据Data A（MS）、Data B、Data C、Data D（LS）。主机可以向CS1810xx/CS4961xx发送10种消息，消息功能和对应信息寄存器的值如表1所示。

表1 主机接口信息表

CS1810xx/CS4961xx接到消息后，将主要处理结果存放在信息寄存器Message D中，Message D中各位对应的状态是bit0信息翻转位；bit1接收包有效位；bit2包发送完成位；bit3地址转换完成位；bit4可写区位。主机可以完成许多任务，其中包括HMI的读和写的地址转换处理。程序代码如下：

等待地址写入转换结束，清除数据管道

｝

4 CobraNet音频传输网络

在网络中音频设备进行相互通信的时候，数字音频要经过操作系统、通信程序、网卡和网络交换设备等各个环节，而为这些环节生产相应设备的厂家也不计其数，如何让网络连接涉及到的软件设备和硬件设备、通信协议能够“相互沟通”和“相互协作”必须要有一套通信规则，CobraNet技术授权给予了这些制造商。CobraNet支持以太网转发和交换的协议，如表2所示。CobraNet协议是建立在标准以太网构架下的网络传输协议，与标准以太网的OSI七层参考模型对应。

表2 OSI七层参考模型对应

CobraNet协议可以围绕以太网交换机或者以太网集线器来构成，协议标识符为0X8819是逻辑链路层协议。

4.1 CobraNet数据包中音频通道的限制

CobraNet数据包的一个标准通道的数据量带宽为48 kHz×20 bits=0.96 MBit/s，那么每个Network Bundle数据包中含有8路20 bits的音频信号，为48 kHz×20 bits×8=7.68 MBit/s再加上控制数据和公共数据，实际数据流约为9 MBit/s。也即CobraNet协议在100 Mbps的快速以太网上可以持64路音频信号。因此总发送数量大于8个8路20 bits的音频信号时，就会出现争抢带宽，必须对网络进行优化。

4.2 交换机作为CobraNet网络交换设备

交换机是全双工设备，能够支持采样频率为48 kHz/20 bits的64路音频信号，当多口交换机的数据叠加时，则更加要求交换机的主板有足够的带宽，并且CPU的速度也要够快［4］，才能保证广播语音的质量，解决延时问题。因为交换机具有强大的路由交换能力和支持闭合环路的拓扑结构，能够智能化路由分配、网络流量监控和设定虚拟局域网（VLAN）等功能。交换机的“智能”体现在能够记住与它相连接的设备的MAC地址，在数据收发的两端建立了数据连接，直接由MAC地址准确“投递”到对方的端口上。而以太网集线器其工作在物理层，仅仅是简单将输入端口的信号进行放大然后均匀的“广播”到其他端口的信号放大设备，不能同时进行发送、接收2种状态。

5 音频网络传输实例

杭州萧山国际机场航站楼采用了IED数字广播系统。为了提高航站楼广播网络系统可靠性，广播网络系统设计成二级双星型结构：第一级：由设在主机房的核心层交换机与各汇聚机房的接入层以太网交换机通过单模光纤连接，形成千兆网络主干，第二级由接入层交换机至广播系统设备之间采用10/100Base-Tx，实现接入层连接。在交换机上使用VLAN技术划分2个VLAN，分别为CobraNet音频信号传输VLAN及控制信号传输网络（IEDNet）VLAN。系统能够同时输入16路语音信号，向32个不同的任意广播区域输出。采用集中管理、分散控制的模式。510ACS广播系统的矩阵、功放系统设备和广播站台之间采用以太网络连接，根据信息传输协议的不同，510ACS系统通过510N卡进入CobraNet音频信号传输网络，与外围数字广播站或其他数字音频音源、TITAN数字功放系统之间进行CobraNet音频信号的传输。510ACS系统通过520CPU卡上的网络端口与系统管理服务器及自动广播服务器进行通讯，采用IED的CobraNet网络协议，形成系统内部的控制信号传输网络（IEDNet）。

6 CobraNet技术特点和建议

CobraNet技术可以构建一套性能稳定，安全可靠，功能齐全，智能化管理的音频传输和分布式音频矩阵广播系统。一根网线和光缆即可取代模拟系统中多根音频电缆，网络中增加监控信息，减少了线缆铺设所花费的人力和物力，系统调试和维护十分简便。采用VB可视化程序和强大的Microsoft SQL Server2000数据库，使操作和维护管理人员能够更加方便直观的操作系统，也可通过网络管理协议（SNMP）采用网络光电转换盒进行远程监控。基于CobraNet技术使用交换机容易拓扑网络结构，与扩声和广播电台系统等专业音频领域要求延时不得超过10 ms相比，CobraNet技术每秒同步750次完成音频传输的低延时是其最大的优点。专业的CobraNet应用工具软件Discovery、DSPConductor和CobraNetCAD可容易地完成设计和切换工作［5］。

在日常维护管理工作中同时也发现广播系统还有一些问题，还有一些可以提升的方面，主要包括：①通道数的限制，设备支持16通道，如果要进行更多通道的互联需要进行较大改动；②不能进行视屏传输，实现音频与视屏的同时传输，才能实现枢纽机场航班信息联网，使系统有更好的应用；③智能化程度还不够，需要人为干预与控制，实现系统自动化功能，完善系统也是需要提升的部分。

7 结束语

模拟方式处理音频信号是基于硬件来实现，成为产品后就难以更改和扩充，而且难以集成。随着数字信号处理技术的出现，数字音频系统的灵活性、易修改和易扩充，便于集成的优点充分显现出来。将来在机场、铁路、车站、大型场馆、智能楼宇、会议中心、娱乐会场和学校电化教育等场合，数字化音频网络传输系统会得到广泛应用。基于CobraNet技术的数字广播系统，能使音源采集、制作、处理和播出产生质的飞跃；CobraNet设备具有的特性如：互通性好、低成本、高可靠性及高稳定性，将使其成为未来网络音频的发展方向和行业标准。

［1］王 峰.一种基于Cobranet技术的视频会议用声音采集和回放系统的设计［D］.北京：中国海洋大学，2012：12－23

［2］兆 翦.CobraNet技术原理与应用（上、中、下）［J］.音响技术，2004：58-62.

［3］CobraNet.CobraNet程序员参考手册［M］.Copyright2005 Cirrus Logic，Inc，2005.

［4］姜少华.CobraNet的技术原理与实际应用［J］.音响技术，2012 （5）：50-52.

［5］罗宁娟.民航机载数字音频系统的设计与实现［D］.北京：电子科技大学，2013：29-56.

Transmission Design And Implementation Of Network Audio Based On Cobranet

HUANG Yun
（Hangzhou Xiaoshan International Airport，Xiaoshan Hangzhou 311207，China）

This article explores methods of digitalization and automation of broadcasting system terminals by applying conventional network transmission based on the function of local area network of the airport.This is based on function of CM-2 digital audio network interface modular which developed according to CobraNet technology，submitting with the help of exchangers，realize distributed area broadcasting and the breakthrough of audio transmission from analogue to internet digital.This scheme provides a reference for digita broadcasting project due to its simple structure，convenient cable layout，smart topology and cost efficiency.

CobraNet；Professional Audio；network Protocols；Switch

TP393.1

A

1008-1739（2015）24-66-4