基于AVB技术的网络化音频系统设计

◆徐亮亮 武 攀 王克育



基于AVB技术的网络化音频系统设计

◆徐亮亮1武 攀2王克育3

（1.海军装备部信息系统局 北京 100841；2. 中国电子科技集团公司第二十八研究所 江苏 210007; 3. 北京英思杰科技有限公司 北京 100081)

本文针对会议场所、指挥控制中心的音频系统建设需求，设计了一种基于AVB技术的网络化音频系统，并将此系统应用于工程建设中，为会议场所、指挥控制中心的大型音频系统的设计与建设提供参考。

AVB；音频系统；网络化

0 引言

随着数字信号处理、网络技术的发展，现代会议场所、指挥控制中心的音视频系统已向数字化、高清化、网络化、大规模化方向发展。数字化是高清化、网络化的基础，虽然高清音视频并不一定非要是数字信号，但是数字信号具有抗干扰性强、易处理的特性，使得高清音视频越来越多地采用数字技术。在音频系统中，数字调音台和数字音频处理器的广泛使用，使系统不仅具备原来模拟设备的性能和功能，而且通过数字化技术与网络的结合，使音频系统发生质的变化，系统的处理能力和管理能力大为增加。

采用模拟设备构建大型会议场所、指挥控制中心的音频系统时，各部位具有音频处理设备（如调音台、音频处理器）、模拟话筒、混音器、数字会议主机、数字会议话筒、功放和音箱等设备。当部位之间需要交互音频信息时，需通过音频传输设备（如音视频光端机）与安装在音视频机房的音频切换矩阵连接，依赖于音频切换矩阵实现各部位之间的音频互通。通过编码器与解码器，音频切换矩阵还负责与外部互通音频信息，以实现各部位与外部之间的音频信息交互。如上所述，以音频切换矩阵为核心构建的音频系统如图 1所示。

图 1以音频切换矩阵为核心的系统示意图

当系统规模较小时，采用上述以音频切换矩阵为核心的系统可以满足使用需求。但当系统规模较大时，就暴露出其缺点：首先，需占用各部位的音频处理设备上的物理接口与音频切换矩阵互通信息，如采用模拟调音台，还需配合其他设备使用；其次，接线、连接环节较多，给系统集成施工、维护保障人员带来较大压力；再次，采用音频切换矩阵，扩展不便。在实际工程应用中，多通道音视频的管理一直都是一个庞大的工程。大型的音视频项目若采用模拟调音台的方式基本上无法实现，即使采用接口矩阵的形式，也无法搭建上千个通道互联的网络系统。因此，设计大规模音视频系统时，通常寻求网络化技术构建音频系统，以增强系统的处理能力、管理能力和扩展能力。

采用网络化技术构建会议中心、指挥控制中心的音视频系统时，必须注意的是：音频系统在多人进行远程视频会议、视频指挥时所扮演的角色无法替代。在这些活动中，显示的图像、画面有卡顿、马赛克、雪花、抖动等现象出现时，并不会从根本上影响身处异地的多人之间的信息交互，因为可以只依赖音频进行通信而无需视频。但是，一旦音频出现各种异常情况，比如断断续续、尖响等，就会令人非常不悦，甚至导致参与者不能正确理解他人的意图，从而造成严重后果。唇音同步也是构建此类场所内音视频系统时需注意的问题，以保证使用者的用户体验。因此，在这些应用里，音频系统是对时间敏感的典型案例。

1 AVB技术简介

网络音频系统的核心技术是能满足音频信号在网络中传输和分配的专用音频网络，该网络应该由一个为业内厂商公认的音频网络协议、支持该协议的硬件和软件所组成。在网络音频系统中，各种音频设备，如声源设备、音频处理器、调音台、功放等均应能适用上述专业音频网络。已有CobraNet、EtherSound等为满足上述要求而在以太网基础上开发的专用音频网络技术，这些技术完全兼容以太网，网络音频的数据流可以通过双绞线按以太网100Base-T标准格式传输。

如前所述，音频系统是对时间要求极为严苛的典型应用。以太网络是为了保证数据的可靠传输而制定的一系列标准，在数据传输时可以接受延迟，但是这并不适合音视频的传输。因此，IEEE802.1研究组在普通以太网的基础上针对数字化音频流和视频流提出了一组协议——AVB协议。

AVB的全称是IEEE802.1 Audio Video Bridging Work Group，简称IEEE802.1 AVB WG或者直接叫AVB。它是具有确定的延迟界限和端到端性能保障。AVB相关的IEEE标准包括：

（1） 802.1AS：针对时间敏感应用制定的定时和同步协议，类似于IEEE1588v2精确时间协议（Precision Timing Protocol，PTP），节点间采用主从时钟同步机制，将主时钟发布到所有的网络组件进行同步，主时钟依据最优主时钟算法（Best Master Clock Algorithm，BMCA）来确定；

（2） 802.1Qat：对局域网内部的流媒体预约服务（Stream Reservation Protocol，SRP），SRP协议对音视频流传输路径上的源节点、目的节点和交换机进行登记，并预留所需的带宽资源，如果带宽允许，则建立音视频流连接，否则连接建立失败；

（3） 802.1Qav：对时间敏感的流媒体转发和堆栈控制协议；

（4） 802.1BA：音视频桥接系统；

（5） 1722：IEEE1722标准是在桥接的局域网中，针对时间敏感应用制定的2层传输协议。AVB在传输层采用了IEEE1722标准，用以实现AVB流的建立、控制和关闭；

（6） 1733：IEEE1733标准是在局域网中，针对时间敏感应用制定的3层传输协议，该协议整合了RTP技术，并更新了RTCP对RTP的控制方法，让RTP充分与AVB适应，完成想要的结果；

（7） P1722.1：负责AVB设备的发现、列表、连接管理和控制遵循1722标准的设备。

典型AVB网络拓扑包含AVB端节点和AVB桥接器。其中，AVB端节点分为Talker和Listener两类。Talker作为“发送端”，负责产生和发布音视频流；Listener作为“接收端”，实现音视频流接收。每个端节点可以分别作为发送端或接收端，也可以既是发送端又是接收端。AVB桥接器就是支持AVB技术的交换机（ABV交换机），参与AVB网络时钟同步、流预定和消息排队处理。

使用标准的802帧，AVB设备可以识别非AVB设备并与之通信，但是不能通过非AVB交换机传送AVB数据流。非AVB交换机是AVB流传输的边界，如图 2所示。

图 2非AVB交换机不能传输AVB数据流

在百兆以太网中，AVB技术最远支持7个网络Hop的长度下，可以将同步音视频数据的传送延时限定在2ms之内。这样的传输延时达到了A级传送标准：ITU-T定义的一种ATM（异步传送模式）传输业务等级。在此，Hop就是一个“跳”的意思，通俗的解释就是“每一段”线缆（如超五类双绞线）称为一个Hop。当系统中的设备不是直接连接，而是通过一个网络中继设备DTE（像交换机、路由器之类的网络中继设备都称为DTE）互联的结构就构成了2个Hop，这样的连接方法可以延长传送距离。7个Hop就允许AVB发送端和AVB接收端之间最多存在6台AVB交换机，如图 3所示。

图 3传输路径最多7个Hop

除网络Hop限定为7以外，AVB传输还需要的一个基本QoS（Quality of Service）保证为：不可以因为网络拥堵而丢弃数据包。

AVB协议定义了A类（SR_A）和B类（SR_B）两种音视频预定流。其中：SR_A类帧率为125μs，帧长不超过1171Byte，7跳延迟目标为2ms，最大抖动为125μs；SR_B类帧率为250μs，帧长不超过1500Byte，7跳延迟目标为50ms，最大抖动为1000μs。不属于这两类的流量将被当作BE（Best Effort）流量来对待，AVB协议族推荐75%的带宽资源分配给音视频流SR_A和SR_B，剩下的25%分配给BE流量。例如对100Mb/s的网络要给非AVB类型的其他数据保留25Mb/s的可用带宽。但是有些厂家在生产设备时并不严格遵守标准，以便充分利用带宽传输音视频流。

在AVB发送端和接收端，流媒体数据和标准时钟信号结合打包形成以太网数据包，实现压缩和非压缩的音频视频流媒体的同步传输。

2 系统设计

以AVB技术为核心设计的大型会议场所、指挥控制中心音频系统，采用商用高性能AVB数字音频处理器、服务器，支持处理、传输48kHz采样率、24位的音频数据格式。各AVB设备通过支持AVB协议的交换机构建的网络，互通音频信息。系统示意图如图 4所示。

图 4以AVB技术为核心构建的系统示意图

同图 1相比，在图 4中，各部位的音频处理设备均为支持AVB协议的数字音频处理器。数字音频处理器同模拟调音台相比，虽然需要将音频信号经过模/数转换后进行处理，再将处理完的信号经过数/模转换，但是借助超大规模集成电路技术与数字信号处理技术，通过软件编程，在单台设备上就可实现混音、压限、增益调整、均衡、反馈抑制、回声消除等功能，而不像调音台那样需压限器、啸叫抑制器、回声消除器等设备配合使用，简化了连接关系，减少了设备接线。类似于图 1，各部位的AVB音频处理器连接混音器、数字会议主机、话筒、功放等设备，每台AVB音频处理器具有两个RJ45口：一个AVB网口，用于音频传输；一个以太网口，用于配置于控制。每台VB处理器通过两根双绞线接入AVB网络。相应地，将AVB网络划分为两个VLAN：音频VLAN与控制VLAN。这样做是为了让音频联网充分利用网络带宽，尽可能多地传输AVB音频流。根据各部位的本地音频系统使用需求，选取可配置输入、输出接口数量的AVB音频处理器或固定输入、输出接口的AVB音频处理器。

图 4中，安装在后台机房的AVB音频服务器类似于AVB音频处理器，通过两根双绞线接入AVB网络：一根用于音频联网，一根用于配置和控制。在千兆带宽下，AVB音频服务器的处理AVB音频流的能力可达420×420通道，相当于一个超大型音频切换矩阵。计算如下：以48kHz采样率、24位音频计，传输1个通道的音频需要1.152Mb/s的带宽，1000Mb/s带宽可传输1000/1.152≈868通道，输入输出各站一半即868/2=434通道，除去数据包帧头的开销，可达420通道输入和420通道输出，即为420×420通道。设备将音频流均定为A类，并将带宽全部用于音频传输，没有严格遵循AVB标准的要求留25%的带宽用于传输其他数据，因此可以达到如此之多的通道数。采用这样的设备，通过两根网线连接减化了系统设计，也减轻了系统集成施工人员与维护保障人员的压力。

图 4中，AVB扩展器与音频编码器、解码器连接，实现系统与外界的音频交互。AVB扩展器只需一根双绞线接入AVB网络，即可实现音频联网、配置和控制。这是因为扩展器传输的音频流少，所占据的带宽相对较小，可与配置和控制同时传输。在此，AVB扩展器并不是必须配置的设备。选用可配置输入、输出接口的AVB音频服务器，也可用于连接音频编解码器，实现系统与外界的音频交互；还可连接音频记录设备，实现音频的回放。

图 4中的控制台也通过一根超五类双绞线接入AVB网络的控制VLAN。控制台安装音频系统控制软件，编辑与监控各部位AVB音频处理器、AVB音频服务器、AVB扩展器的数据输入、输出、处理功能等。系统控制软件包括多用户管理和日志管理：多用户管理支持权限分级，不用用户按级别赋予不同的权限，实现人员、岗位的管理；日志管理可记录、查询用户操作，做到操作可追溯。由此保证网络化音频系统的使用安全性和可靠性。

网络化也给设备的安装带来自由度，如图中所示，AVB音频服务器、控制台、AVB扩展器等，只需接入网络中即可，并不限定在后台机房中。通常将这些设备安装在后台机房的机柜中，是为了便于集中管理与维护。也可以根据需要，在多个部位中（如大厅、机房），配置控制台，实现集中控制的备份。

AVB音频服务器不仅具有强大的音频流处理能力，还可以实现双网热备。每台AVB音频服务器可配置成具有2个AVB RJ45接口和2个以太网RJ45口。如将每个部位的AVB音频处理器改为可配置输入、输出接口的AVB音频服务器，则可构建双网热备以增强全系统的可靠性和抗毁性，显著提高系统对音频流的处理能力。但是需要注意的是：AVB技术并不支持链路聚合以提高带宽。

在实际工程中，AVB网络中的AVB交换机均采用千兆交换机。两台AVB音频处理器之间的Hop数通常为2~4：在部位中配置1台AVB交换机，部位中的AVB音频处理器接至本部位的AVB交换机；在后台机房中配置1台AVB交换机，与各部位的AVB交换机互联。这种情况下，Hop数为4，如图 5所示。当距离足够近时（100米以内），各部位的AVB音频处理器可以通过双绞线直接连至AVB交换机上，此时，两台AVB音频处理器之间的Hop数仅为2。在这些情况下，不同部位的AVB音频处理器之间传输音频数据的延时连2毫秒都不到，甚至小于1毫秒，足以满足对时间敏感应用的严苛要求。并且，这样低的延时使得AVB音频系统，配合以高清视频混合切换矩阵为核心的视频系统使用时，也能保证达到唇音同步的要求。

图 5传输路径Hop示意图

综上，采用AVB技术构建的网络化数字音频系统，克服了模拟调音台与音频切换矩阵的种种缺陷，显著提高了音频系统的处理能力、管理能力与扩展能力。

3 小结

CobraNet以及EtherSound等同步传送协议，它们都是基于二层结构的数据流，这在很多的功能和管理上都存在着先天的不足，况且这只是解决了音频的传送，其中没有视频传送的解决方案。同这些两层传输技术相比，AVB技术具有以下特点：

（1） 系统的延时降低至2ms以内；

（2） 系统的传输质量有QoS保证，包括软件和硬件均支持；

（3） AVB作为流媒体的一个载体，可以传送包括压缩和非压缩等多种音视频流媒体，并能保证同步传输，突破以往的瓶颈；

（4） 多达256种不同格式的音视频数据流（包括采样频率）可以在同一个网络中共存传输，而互不干扰；

（5） 支持其他三层协议的高级功能。

因此，AVB在三层协议下传输同步的专业音/视频信号，并将传输延时压缩到微秒级，将是下一代流媒体文件传输的标准之一，无论在专业还是民用领域，都会越来越广泛地使用。

需要注意的是：尽管AVB可以支持三层路由，这并不意味着它可以发送到Internet公网中去，或者架构在Internet架构下的VPN上去。这是因为远距离传输的基准时钟延时问题没有根本得到解决，网络直径依然无法超过7个Hop。在Internet公网上传输音视频，还需依赖于音视频压缩技术，采用编、解码器，通过网络传输IP码流实现。但是，在为会议场所构建本地音频系统时，并不建议采用音视频编解码技术，因为这类技术产生的音频传输延时会达到几百毫秒，比AVB技术大得多，在一些对延时要求高的应用中难以胜任。

随着支持AVB技术的数字音频处理器、交换机、有源音箱等设备不断涌现，在大型会议中心、指控中心、购物商场、游乐园等场所的音视频系统建设中，会越来越多地采用AVB技术构建音视频系统，充分利用AVB音视频系统为设计人员、集成施工人员与维护保障人员来带的便利。本文所介绍的AVB音频系统已在工程项目中使用，可为大型音频系统的建设提供参考和帮助。

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