网路音频传输系统关键技术研究

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 3.48MB 72 页 15积分
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摘 要
随着数字电子技术、网络技术、计算机技术等的发展，音频传输技术从模拟音
频技术向数字音频技术转变。模拟音频传输技术存在造价高、系统复杂、维修困
难、不易组网、容易受到干扰等缺点，而数字音频传输技术具有容易组网、系统
成本低、信号信噪比高、抗干扰能力强、动态范围广等优势而受到音频传输技术
的重视，因此进行网络音频传输控制系统的研究具有很强的实践意义与一定的理
论研究价值。
网络音频传输技术包括音频流的播放、音频流的控制、音频流的编解码、音
频流的组网及控制信号如何与音频流的混合传输的技术。基于现有 TCP/IP 协议栈
协议的网络音频传输技术存在音频流实时性差，传输多路音频信号时会发生丢包
现象。如何解决网络传输实时性和连续性以及如何实时播放多路音频流就成为网
络音频传输控制技术的关键。
由于 CobraNet 技术是基于以太网传输实时、无损、高质量音频信号的技术，
同时使用基于 CobraNet 协议的音频设备容易组网，满足音频流的高质量播放。因
此本文研究内容以 CobraNet 协议为基础，从硬件、软件和协议三方面对网络音频
传输控制系统进行详细研究。完成的研究工作主要包括：
一、音频传输控制系统方案确定。在国内外文献调研的基础上，对比音频传
输控制方案的优缺点，确定了采用 CobraNet 协议进行网络音频传输系统控制的技
术方案。
二、Windows 平台下简单网络管理协议（SNMP）的软件实现。在研究了 SNMP
协议的运行机制及组成的基础上，结合 CobraNet 协议机制，采用 VC++开发环境
和SNMP++开发包实现了基于 CobraNet 协议的网络管理软件。
三、网络音频传输控制系统的硬件实现。以基于 CobraNet 协议的网络音频传
输系统的硬件 CPU CS496102 DSP 为核心，设计完成了 2通道立体声网络音频传
输系统。
四、基于媒体控制接口（MCI）音频播放器的设计。从用户易用性和系统可扩
展的角度出发，在网络管理软件中集成了音频播放器，对比 DirecX，Media player
SDK，MCI 等开发方式，完成了基于 MCI 的音频播放器的设计，增强系统的实用
性。
系统测试表明，本文研制的网络音频传输控制系统和开发的 SNMP 软件及音
频播放器实现了网络音频传输控制，达到了设计要求。
关键词：SNMP CS496112 CobraNet 协议 OSI 音频播放器 VC++
ABSTRACT
With the development of digital electronic technology, network technology and
computer technology, audio technology transmitted from analog audio technology to
digital audio technology. Building audio transmission system with analog audio
technology, the shortcoming is high-cost, complex system, difficult to maintenance,
poor anti-jamming capability, on the contrary, the advantage of audio transmission
technology is more flexible networking, Low system cost, high signal to noise ratio,
strong anti-jamming capability. Therefore, it has a strong practical significance and
some theoretical research value for audio transmission control system.
Network audio transmission technology includes the broadcasting, controlling,
encoding, decoding of audio stream and the audio stream mixing transmission
technologies. Audio transmission technology based on the existing TCP / IP protocol
stack with bad real time data and packet loss occurs, especially for mass data
transmission. How to realize the real-time performance and Synchronization of the
network transmission is one of the most import things for audio transmission system.
CobraNet is Ethernet-based technology. With CobraNet audio transmission system,
real-time, non-destructive, high-quality audio signal was transmitted. CobraNet
protocol-based audio equipment is easy to network, meeting high-quality playback of
the audio stream. The designing of CobraNet devices ，developing of management
software and CobraNet protocol are discussed in detail. All the research work completed
as follow:
First, the audio transmission control system schedule is proposed. On the basis of
literature research, comparing the advantages and disadvantages of many audio
transmission technologies, the CobraNet protocol is chosen for audio transmission
controlling system.
Second, programming the Simple Network Management Protocol (SNMP) based
software under the Windows platform. On the basis of the operating mechanism and
composition of SNMP protocol, combined with CobraNet technology, using VC++ and
snmp++ development package to program CobraNet protocol-based network
management software.
Third, designing of hardware for network audio transmission control system. The
CPU of CobraNet hardware is CS496102 DSP core, completing two-channel stereo
network audio transmission system hardware.
Fourth, realizing the Media Control Interface (MCI) based audio player. For the
perspective of users and easier to manage the system, audio player is integrated in
management software. In contrast DirectX, Microsoft Media play the SDK and MCI,.
the audio player is developed with MCI.
The testing result of the system shows that the network audio transmission control
systems and the SNMP management software developed in this article achieve the goal
to transmit and control audio stream.
KEYWORDS: SNMP Protocol, CS496 DSP, CobraNet Technology,
OSI, Audio Player ,VC++
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .................................................................................................................1
§1.1 课题来源及意义 .............................................................................................1
§1.2 嵌入式技术的发展 .........................................................................................2
§1.3 CobraNet 技术的发展状况 ............................................................................ 2
§1.4 论文研究内容 .................................................................................................3
第二章 简单网络管理协议 SNMP .............................................................................. 4
§2.1 概述 .................................................................................................................4
§2.2 SNMP 的运行机制 .........................................................................................4
§2.3 SNMP 协议的组成 .........................................................................................5
§2.3.1 管理信息结构 ..........................................................................................5
§2.3.2 简单网络管理协议 ..................................................................................7
第三章 CobraNet 协议与设备硬件实现 ....................................................................11
§3.1 CobraNet 技术概述 ...................................................................................... 11
§3.2 CobraNet 设备硬件结构和接口 .................................................................. 11
§3.2.1 CobraNet 设备硬件接口 ........................................................................ 11
§3.2.2 网络音频传输控制系统硬件设计 ........................................................12
§3.3 CobraNet 协议 .............................................................................................. 19
§3.3.1 CobraNet 技术术语说明 ........................................................................ 20
§3.3.2 以太网上数据帧结构 ............................................................................21
§3.3.3 CobraNet 协议 ........................................................................................ 21
§3.3.5 Bundle 标识 ............................................................................................ 22
§3.3.5 CobraNet 接口音频模型 ........................................................................ 24
§3.4 CobraNet 的网络交换设备 ............................................................................. 26
§3.5 CobraNet 网络结构 ......................................................................................... 27
§3.6 CobraNet 技术音频质量分析 ......................................................................... 28
第四章 网络音频传输控制的软件实现 ...................................................................... 30
§4.1 系统软件需求分析 .......................................................................................30
§4.2 系统开发工具选择 .......................................................................................30
§4.3 SNMP++开发包简介 ................................................................................... 30
§4.3.1 SNMP++中典型类的使用 ..................................................................... 31
§4.3.2 SNMP++开发包的使用 ......................................................................... 32
§4.4 音频路由原理 ...............................................................................................35
§4.5 软件实现 .......................................................................................................37
§4.5.1 音频路由算法分析 ................................................................................37
§4.5.2 人机界面设计 ........................................................................................37
§4.5.3 程序流程 ................................................................................................38
第五章 多媒体音频播放器的实现 .............................................................................. 45
§5.1 多媒体音频基础 .............................................................................................45
§5.2 常见 Windows 音频播放器开发方式 ......................................................... 46
§5.2.1 基于 Windows Media Player SDK 进行开发 ...................................... 46
§5.2.2 基于 DirectX 进行开发 .........................................................................46
§5.2.3 基于 MCI 进行开发 .............................................................................. 47
§5.3 基于 MCI 的多媒体音频播放器的实现 ..................................................... 47
§5.3.1 MCI 系统的使用 .................................................................................... 47
§5.3.2 基于 MCI 的音频播放器的需求分析 .................................................. 49
§5.3.3 音频播放器的框架设计与算法实现 ....................................................50
§5.3.4 音频播放器具体实现 ............................................................................50
§5.4 音频播放器性能分析 ...................................................................................60
第六章 系统测试与展望 .............................................................................................. 61
§6.1 构建系统 .......................................................................................................61
§6.2 系统测试 .......................................................................................................62
§6.2.1 音频播放器测试 ....................................................................................62
§6.2.2 系统整体功能测试 ................................................................................64
§6.3 总结与展望 ...................................................................................................65
参考文献 ........................................................................................................................ 66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 68
致 谢 ............................................................................................................................ 69
第一章 绪 论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源及意义
声音一直是人类研究的对象，人类一直研究声音的特性、获取、传输、处理
等。最初声频设备都是模拟音频设备，现代电子技术出现以后，才出现了数字音
频系统和模数混合的音频系统，模拟音频系统中，音频信号使用专门的音频线路
传输，使用调音台进行理由，系统音频质量较高，但系统造价高昂，因为系统各
部分不独立而导致系建复杂，不适应远距离传输信号，检修困难
]1[
，所以，需要一
种与模拟音频系统相比更灵活、能够保证信号远距离传输且价格更低的系统出现，
网络音频技术就是具备这样特性的系统。
网络音频技术，指采用网络技术获取、处理、传输音频的技术，网络音频传
输系统，从功能上来看，主要是依靠网络传输音频信号
]2[
，这种系统的组成主要
包括两大部分：一、用于传输信号的光纤网络；二、控制音频信号传输的计算机
系统。数字音频系统改变了模拟音频系统的布线方法，用网线代替传统的音频线，
使用控制软件和交换矩阵替代传统的调音台。数字音频系统与模拟音频系统相比，
突出的优势是：一、抗干扰能力强；二、避免了许多使用模拟音频系统可能出现
的故障；三、信号可多路复用，一条物理线路(比如网线)可以传输多路音频信号。
国外的许多公司都开发了基于以太网的网络音频传输控制系统，如 Digigram
公司的 EtherSound 系统，Telos 公司的 liveWire 系统、Cirrus Logic 公司的 CobraNet
系统等，且这些系统已经成功应用于多个大型场合[3]。网络音频系统一般涉及三个
方面：软件、硬件和协议。现有的音频协议一般都基于 OSI 参考模型，它们之间
的差异主要是由于以太网的异步特性导致，以太网是异步网络，传输音频数据时，
需要对网络定时，定时机制的不同，就出现了不同的协议[4]。Cirrus Logic 基于
CobraNet 技术的系统由于其信号传输延时小(一般情况下为 1.33ms)、信号质量高
（采样频率至少为 48kHz,且音频信号传输的过程中无压缩）、管线成本低(一般情
况下可以使用网线)、较强的抗干扰能力，已成为音频网络产品的业界标准之一
]1[
。
国内在网络音频传输协议方面的研究滞后一些，大多采用基于 TCP/IP 协议栈
现有协议的嵌入式解决方案传输网络音频数据，这种方法的主要缺陷是：由于网
络的异步特性，故信号实时性较差，在传输大量数据时，可能会造成网络拥塞，
导致数据传输延时，故研究实时、可靠的网络音频传输控制系统具有较强的实际
意义和一定的理论意义。
CobraNet 协议原来的专利权在 Peak Audio 公司，该公司不生产产品，值提供
授权，
Cirrus Logic 公司接手以后，生产了 CM-1,CM-2 等支撑板，客户可以直接选
网络音频传输控制系统关键技术研究
2
用，也可以选择该公司如 CS4961xx 系列 DSP 和A/D,D/A 转换器等，设计更符合
自身需求的网络音频产品。
本文实现的网络音频传输系统，来自于上海德科电器有限公司产学研项目。
§1.2 嵌入式技术的发展
以数字电子技术为基础的嵌入式技术，如果从被广泛认可的概念：即嵌入式
产品是指任何一个包含了处理器的电子系统，那么嵌入式产品遍布在人们生活的
各个角落。嵌入式技术，涵盖了众多的技术：电子技术，通信技术，网络技术等，
涉及软件、硬件开发等。日常生活中的各种电器：如电磁炉，电压力锅等，其中
必然包含一个 MCU，以响应人们发出的指令，实现定时和各种烹饪模式。更早的
空调中则普遍包含一位四位的单片机，嵌入式技术同样广泛应用于工业生产、控
制和航天等领域。可以说嵌入式产品在生活中的普及程度，已经大大超过 PC。
数字信号处理是 20 世纪 60 年代以来发展起来的一门科学，到了 20 世纪 80
年代初，数字信号处理器(DSP)出现，数字信号处理得到了广泛应用。DSP 是嵌入
式处理器的一种，主要用于处理大批量的数据，进行快速运算，到目前为止，数
字信号处理已经广泛用于数字通信、遥感、雷达、声纳、语音合成、图像处理等，
随着科学的不断发展，它的应用范围还在不断扩大，而数字信号处理器也随之得
到了更加广泛的应用。
数字信号处理器主要有以下几个优点：
1) 精度高
2) 灵活性强
3) 可靠性高
4) 时分复用
本文中设计的网络音频传输控制系统，其硬件核心是 Cirrus Logic 公 司
CS4961xx 系列 DSP，分别是 2通道的 CS496102，8通道的 CS496112 和16 通道
的CS496122DSP。DSP 实现网络协议栈，对数据进行编解码。
§1.3 CobraNet 技术的发展状况
CobraNet 技术是 Cirrus Logic 公司开发基于以太网的音频信号传输系统，是目
前使用最为广泛的实时网络音频系统。该技术的特性为基于以太网、高质量、实
时，基于以太网是指该技术基于 100Mbit 以太网传输数据[5]，CobraNet 技术将数字
音频信号按协议处理后，发送到以太网上进行传输，接收设备按规则接收到数据
之后，对接收到的以太网数据包进行解码，恢复出音频信号。高质量则表现在：
第一章 绪 论
3
CobaNet 技术的采样频率一般为 48kHz 或者 96kHz，44.1kHz 就已经达到高质量音
频的采样频率;采样位数为 16bit、20bit 或者 24bit。CobraNet 技术是一种软实时性
技术，一般情况下其数据延时为 1.33ms、2.66ms 或者 5.33ms，其关键优势包括[6]:
(1) 音频信号无损、高清晰、可多通道传输。
(2) 使用的标准以太网设备价格低廉。
(3) 音频信息可以进行路由，音源与目标之间可以进行实时连接。
(5) 采用了简单的网络管理协议网络网络。
(6) 实际构建的音频网络随时都能在网络节点上进行音频信息传输、控制和监
测，与网络物理层无关。
(7) 诸多的容错特性确保了网络在关键时刻应用的可靠性。
§1.4 论文研究内容
本文完成的内容主要包括：
一、对比音频传输控制方案的优缺点，确定了采用 CobraNet 协议进行网络音
频传输系统控制的技术方案。
二、研究 SNMP 协议的运行机制及组成的基础上，结合 CobraNet 协议机制，
采用 VC++开发环境和 SNMP++开发包实现了基于 CobraNet 协议的网络管理软件。
三、以基于 CobraNet 协议的网络音频传输系统的硬件 CPU CS496102/112 DSP
为核心，设计完成了 2通道/85 通道的立体声网络音频传输系统。
四、从用户易用性和系统可扩展的角度出发，在网络管理软件中集成了音频
播放器，在对比 DirecX，微软 Media play SDK，MCI 等开发方式的基础上，完成
了基于媒体控制接口（MCI）的音频播放器的设计，增强了系统的实用性。
摘要：

摘要随着数字电子技术、网络技术、计算机技术等的发展，音频传输技术从模拟音频技术向数字音频技术转变。模拟音频传输技术存在造价高、系统复杂、维修困难、不易组网、容易受到干扰等缺点，而数字音频传输技术具有容易组网、系统成本低、信号信噪比高、抗干扰能力强、动态范围广等优势而受到音频传输技术的重视，因此进行网络音频传输控制系统的研究具有很强的实践意义与一定的理论研究价值。网络音频传输技术包括音频流的播放、音频流的控制、音频流的编解码、音频流的组网及控制信号如何与音频流的混合传输的技术。基于现有TCP/IP协议栈协议的网络音频传输技术存在音频流实时性差，传输多路音频信号时会发生丢包现象。如何解决网络传输实...

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