【中國數(shù)字視聽網(wǎng)訊】本文將圍繞：音頻信號的數(shù)字化、以太網(wǎng)的傳輸方式、數(shù)字音頻信號對以太網(wǎng)的要求、QoS服務(wù)質(zhì)量、傳統(tǒng)以太網(wǎng)傳輸實時數(shù)據(jù)流的方式、以太網(wǎng)音視頻橋接(AVB)技術(shù)等幾個方面展開說明。

在傳統(tǒng)的音響系統(tǒng)里，聲音信號是模擬信號，它的振幅具有隨時間連續(xù)變化的特性。對模擬音頻信號進行處理、存儲和傳送都會引入噪聲和信號失真，并且隨著復(fù)制次數(shù)的增加，每次都會加入新的噪聲和失真，信號質(zhì)量會越來越差。而數(shù)字音頻技術(shù)的出現(xiàn)，解決了上述模擬信號中的諸多問題。

數(shù)字音頻技術(shù)是把模擬音頻信號變換為振幅不變的脈沖信號，音頻信號的信息量全部包含在脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation，PCM)中。各種處理設(shè)備引入的噪聲和產(chǎn)生的失真與數(shù)字信息完全分離。因此，數(shù)字音頻信號具有：復(fù)制不走樣、抗干擾能力強、動態(tài)范圍大、可遠距離傳輸、可以遠程監(jiān)控等優(yōu)點。

現(xiàn)如今，數(shù)字音頻信號還可以融入到網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中，在一條傳輸線路上同時實行多路音頻信號的傳輸，大大節(jié)省了傳輸運行成本，簡化了傳輸線路。

音頻信號的數(shù)字化

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，需要對模擬信號進行一系列的處理，如圖1所示，先對模擬信號進行采樣，再經(jīng)過低通濾波器去除掉采樣中產(chǎn)生的高頻失真，通過量化將采樣后的數(shù)值調(diào)整為整數(shù)，再經(jīng)過二進制編碼后生成數(shù)字信號。

圖1 音頻信號的數(shù)字化

采樣，是每隔一定的時間間隔，抽取信號的瞬時幅度值。每一秒鐘所采樣的次數(shù)叫做采樣頻率。以CD為例，采樣頻率為44.1kHz，即1秒鐘對模擬信號進行了44100次取值，如圖2b所示，采樣后的信號變成了多個密布的點。采樣頻率越高，抽取的點密度越高，信號也就越精準。

圖2a原模擬信號頻譜

圖2b采樣后的頻譜

在圖2b中采樣過后的信號除了原始頻譜之外，還會額外產(chǎn)生一些高頻的失真，形成新的頻譜。這些失真的頻譜以nfu(n為正整數(shù))為中心、左右對稱，它的頻譜分布與原信號的頻譜形狀相同。采用低通濾波器(LPF)把新增加的多余的頻譜濾掉就可以恢復(fù)原信號的頻譜。

根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)采樣定理：采樣頻率fs大于或等于采樣信號最高頻率fu的2倍，就可以通過低通濾波器恢復(fù)無失真的原始信號。如果fs<2fu，采樣過程中產(chǎn)生的一部分高頻失真會與原始頻譜相互疊加，如圖3中會產(chǎn)生頻譜混疊失真的現(xiàn)象，這種疊加是無法用低通濾波器分開的。

圖3 頻譜混疊失真

因此采樣頻率fs必須大于原信號中最高頻率的2倍以上，新增加的頻譜與原信號的頻譜才不會相互疊加。例如，人耳的聽音頻率上限是20kHz，采樣頻率最低應(yīng)為40kHz。但低通濾波器有一定的截止邊沿寬度，是按一定規(guī)律逐步對信號衰減濾除的，為了較好的防止產(chǎn)生高頻失真，通常fs=(2.1~2.5) fu。CD的采樣頻率是44.1kHz，它等于20kHz的2.205倍。

采樣后的振幅值并不是整數(shù)，且是隨機變化的。還需要將這些隨機變化的振幅值通過四舍五入的方法將其變換為能用二進制數(shù)列來表達的數(shù)值，這個過程就是量化，單位是bit(比特)，如圖4中采樣和量化所示。采樣值是6.4的幅值量化后取整數(shù)6，采樣值是3.6的幅值量化后取整數(shù)4。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換的三個步驟

將量化后的二進制數(shù)組按照時間順序排列成可以順序傳送的脈沖序列，這個過程就是編碼。由于數(shù)字電路以開關(guān)的通和斷(1和0)兩種狀態(tài)為基礎(chǔ)，可以大大簡化數(shù)字電路的運算，因此二進制編碼在數(shù)字技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

圖5 量化誤差與量化位數(shù)的關(guān)系

量化級數(shù)越多，量化誤差就越小，聲音質(zhì)量就越好，如圖5所示，3bit是23個二進制數(shù)，6bit是26個二進制數(shù)。對于音頻信號，由于動態(tài)范圍較大，而且要求的信噪比又高，所以量化的取值大一些，通常為16bit，甚至20-24bit。

以太網(wǎng)的傳輸方式

以太網(wǎng)創(chuàng)建于1980年，它是一種可以在互連設(shè)備之間相互傳送數(shù)據(jù)的技術(shù)。發(fā)展至今日，因它具有成本低、速率快、可靠性高等特點被廣泛的應(yīng)用。我們可以通過以太網(wǎng)傳送Email、圖片、聲音、視頻等等。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù)，是一種爭用型的介質(zhì)訪問控制協(xié)議。它的工作原理是: 發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽信道是否空閑 ,若空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。若信道忙碌，則等待一段時間至信道中的信息傳輸結(jié)束后再發(fā)送數(shù)據(jù);若在上一段信息發(fā)送結(jié)束后，同時有兩個或兩個以上的節(jié)點都提出發(fā)送請求，則判定為沖突。若偵聽到?jīng)_突,則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段隨機時間，再重新嘗試。我們稱這種傳輸機制為“Best Effort”(盡力而為)，也就是說當(dāng)數(shù)據(jù)抵達端口后，本著FlFO(先入先出)的原則轉(zhuǎn)發(fā)。不對數(shù)據(jù)進行分類，當(dāng)數(shù)據(jù)進入端口的速度大于端口能發(fā)送的速度時，F(xiàn)IFO按數(shù)據(jù)到達端口的先后順序讓數(shù)據(jù)進入隊列，同時，在出口讓數(shù)據(jù)按進隊的順序出隊，先進的數(shù)據(jù)將先出隊，后進的數(shù)據(jù)將后出隊。采用CSMA/CD控制方式的特點是：原理比較簡單，技術(shù)上容易實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各工作站處于平等地位 ，不需集中控制，不提供優(yōu)先級控制。

在以太網(wǎng)中，我們經(jīng)常會遇到“帶寬”一詞，它是指在單位時間(一般指的是1秒鐘)內(nèi)能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。也就是在規(guī)定時間內(nèi)從一端流到另一端的信息量，即數(shù)據(jù)傳輸率。數(shù)字信息流的基本單位是bit(比特)，時間的基本單位是s(秒)，因此bit/s(比特/秒，也用bps表示)是描述帶寬的單位，1bit/s是帶寬的基本單位。不難想象，以1bit/s的速率進行通信是非常緩慢的。幸好我們可以使用通信速率很快的設(shè)備，比如56k的調(diào)制解調(diào)器利用電話線撥號上網(wǎng)，其帶寬是56000bit/s(1k=1000bit/s), 電信ADSL寬帶上網(wǎng)在512kbit/s至100Mbit/s之間，而現(xiàn)如今的以太網(wǎng)則可以輕松達到100Mbit/s以上(1Mbit/s=1000*1000bit/s=1,000,000bit/s)。

以千兆網(wǎng)(1Gbit/s)為例：假如說交換機的端口帶寬是1Gbit/s，也就是1000,000,000bit/s，則說明每秒可傳輸1000,000,000個二進制的“位”，那么1bit所占用的時間是1÷1000,000,000=1ns。也就是每個二進制位(1bit)之間的時間間隔大于1ns時，就不會發(fā)成沖突，如圖6所示。

圖6

但在以太網(wǎng)傳輸中，并不是以二進制位(bit)來傳輸?shù)模且?ldquo;幀”為單位的。如圖7所示，在一幀中至少包含了46Byte(字節(jié))的數(shù)據(jù)，那么一個最小的以太網(wǎng)幀是72Byte;如果一幀中包含的最大數(shù)據(jù)是1500Byte，那么一個最大的以太網(wǎng)幀是1526Byte。

圖7 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和組件在接收一個幀之后，需要一段短暫的時間來恢復(fù)并為接收下一幀做準備，也就是相鄰兩幀之間是有一個間隙的，IFG(Interframe Gap)幀間距。IFG的最小值是12Byte，如圖8所示。

圖8

我們假設(shè)這兩幀數(shù)據(jù)在千兆網(wǎng)(1Gbit/s)內(nèi)傳輸，那么兩幀之間的時間間隔大于96ns就不會發(fā)生沖突。

隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，千兆網(wǎng)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上對幀的數(shù)據(jù)量做出了一定的修改。采用了載波延伸(Gamier Extension)的方法，將最小字節(jié)擴展到512Byte，即凡是發(fā)送幀長不足512Byte時，就填充特殊字符(0F)補足。當(dāng)許多短幀需要發(fā)送時，如果每一幀都擴展為512Byte，會造成資源的巨大浪費。因此又設(shè)定了幀突發(fā)(Frame Bursting)的方法，可以解決此問題，第一個短幀使用載波延伸，一旦發(fā)送成功，則隨后的短幀連續(xù)發(fā)送直到1500Byte為止。此期間由于線路始終處于“忙”的狀態(tài)，不會有其它站點搶占信道。