מאמר זה מספק פתרון מערכת שידור קול דיגיטלי אתרנט משובץ, אשר יכול לממש בקלות את פונקציית השידור האזורית של מערכת השידור. המערכת מבוססת על ארכיטקטורת הזרוע ומאמצת את השיטה לבוררות מסוף להשמעת המערכת כדי לשלוט על מימוש השידור האזורי, וניתן להשמיע ולשמור את תוכן השידור בו זמנית.
מערכת השידור הקולי הדיגיטלי של אתרנט מתייחסת בעיקר למערכת השידורים המשתמשת באתרנט כמדיום השידור לספק שירותי שמע. ניתן להשתמש ב- Ethernet כדי לפתור את הבעיה של העברת אותות קוליים למרחקים ארוכים. מאפשר למעצבים ליצור מבנה רשת בקנה מידה גדול כדי לממש את העברת אלפי האותות הקוליים הדיגיטליים באתרנט, תוך שימוש מלא במשאבי הרשת הקיימים, הימנעות מהטרחה בהגדרת קווים שוב ושוב, ומימוש שילוב רשתות השידור והמחשבים. . זה פותר את הבעיות של איכות צליל ירודה, רגישות להפרעות, תחזוקה וניהול מורכבים ואינטראקציה לקויה במערכות שידור מסורתיות. יחד עם זאת, ניתן לבחור את כל האזורים, חלקם או ספציפיים לשידור קבוצתי כיווני, הפורץ את המגבלה שמערכות שידור מסורתיות יכולות לבצע שידור ציבורי רק לכל האזורים. מערכות שידור קוליות דיגיטליות קיימות של אתרנט משתמשות בעיקר באותות בקרה כדי לשלוט במסוף השידור כדי להצטרף או לצאת מקבוצת שידורי הקול למימוש פונקציית השידור האזורית. יש צורך לשלוח אות בקרה בכדי לגרום לטרמינל להצטרף לקבוצת שידורי השידור לפני שניתן יהיה לממש את השידור. , או קבע טבלת מיפוי מורכבת בצד השרת כדי לשמור על מצב מסוף ההפעלה כדי להשיג שידור אזורי, שהוא יותר מסובך ליישום.
1 תכנון מבני
מערכת זו מאמצת מבנה C / S, מורכבת משני חלקים של קצה שרת מערכת השידור ומסוף שידור מערכת השידור, כפי שמוצג באיור 1.
השרת של מערכת השידור מיושם על גבי מחשב אישי, והוא תוכנית של איסוף אותות קוליים, אחסון והעברת רשת הממומשים על ידי VC ++. חלק זה אוסף ושומר את האות הקולי דרך מיקרופון, ואז מעביר את נתוני הקול לאתרנט דרך UDP כדי לממש את פונקציית העברת הרשת של נתוני קול.
מסוף ההפעלה של מערכת השידור הוא מסוף משובץ המבוסס על LM3S8962, שיכול לקבל את מנות נתוני הקול ה- IP שנשלחו אליו מהאתרנט, ושבב פענוח השמע MS6336 משלים את ההמרה והשמעה דיגיטלית / אנלוגית של נתוני הקול.
2 מערכת שידור מערכת שידור מסוף
שבב הבקרה הראשי של מסוף השידור של מערכת השידור מאמץ את המיקרו-בקר LM3S8962 שמספק LuminaryMicro. סדרת שבבים זו היא הבקר הראשון מבוסס ARM CortexTM-M3 עם בקר אתרנט משולב פנימי. זהו שבב ה- ARM הראשון בתעשייה התומך ב- Ethernet תעשייתי (IEEE) ויכול ליישם בקלות פונקציות רשת.
שבב מפענח השמע משתמש בשבב MS6336 המיוצר על ידי MOSA. השבב הוא ממיר שמע סטריאו 16 סיביות דיגיטלי לאנלוגי, ופורמטי הקלט הדיגיטלי הנתמכים הם Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. ממשק הבקרה MS6336 מאמץ אוטובוס I2C, הממשק קל להגדרה. לחלק ה- DAC יש זרם מדויק ויציב, בשילוב עם שיטת פענוח סימטרית מצוינת, יכול לשחזר אותות שמע באיכות גבוהה.
שבב הבקרה הראשי LM3S8962 מחובר לממשק RJ45 באמצעות רכיבים מגנטיים ומשמש לקבלת נתונים קוליים מהאתרנט. LM3S8962 מספק אותות בקרה ואותות נתונים קוליים עבור שבב מפענח השמע MS6336. LM3S8962 תומך בפונקציה I2C. יציאות PB2 ו- PB3 מספקות אותות שעון ונתוני I2C בהתאמה. ניתן לחבר את שני הפינים הללו ישירות לסיכות הפונקציה I2C של MS6336, ונדרש נגד משיכה. LM3S8962 אינו תומך בפורמט קלט הנתונים הנדרש על ידי MS6336. פורמט קלט הנתונים של MS6336 במערכת מאמץ את I2S. לכן, כדי לספק נתונים קוליים ל- MS6336, יש צורך להשתמש בתוכנת יציאת GPIO של LM3S8962 כדי לדמות את פורמט קלט הנתונים I2S הנדרש על ידי MS6336. בתכנון, יציאות PA5, PA6 ו- PA7 משמשות לדמות פונקציה זו. שלושת הפינים מתאימים לאות בחירת הערוץ I2S, אות השעון ואות הנתונים בהתאמה. חבר את שלושת הסיכות הללו לסיכת הפונקציה I2S של MS6336.
מבנה החומרה של מסוף ההפעלה של מערכת השידור הקולי הדיגיטלי של אתרנט מוצג באיור 2.
3 תכנון תוכנת מערכת שידור
תוכנת מערכת השידור מחולקת לשני חלקים: תוכנת שרת מערכת שידור ותוכנת מסוף שידור.
תכנון זה מממש את ההשמעה בזמן אמת של נתוני קול, ולכן נדרש להבטיח ביצועים בזמן אמת של העברת נתונים קוליים, אך הדרישות לשלמות הנתונים אינן קפדניות מדי, וכמות קטנה של אובדן מנות לא תשפיע על אפקט השמעה כולל, כך שהנתונים הקוליים של המערכת השידור מאמץ מצב שידור UDP. במקביל, המערכת עובדת ברשת המקומית ויש מעט משתמשים זמניים. לכן, הקצאת כתובות ה- IP הסטטית מאומצת כדי לפשט את המימוש של תוכנת מסוף ההפעלה.
3.1 איסוף, אחסון והעברת נתונים קוליים בצד השרת של מערכת השידור
אוסף הנתונים הקוליים מיושם באמצעות פונקציות API נמוכות של WAVE שמע. כדי לא לגרום לאובדן נתונים קוליים, העיצוב משתמש במאגר כפול לאחסון נתונים קוליים. תהליך היישום מוצג באיור 3.
כאשר חיץ הקלטה אחד מלא, המערכת שולחת מייד חיץ הקלטה נוסף למכשיר ההקלטה כדי להמשיך בהקלטה, ועל תוכנית היישום לקרוא את הנתונים במאגר ההקלטה המלא ולעבד אותם. ואז התקשר לפונקציית waveInAddBuffer כדי להקצות מחדש את המאגר למכשיר ההקלטה למיחזור.
על מנת למנוע אובדן נתונים קוליים בתהליך ההקלטה, לא מספיק פשוט להשתמש במאגר כפול. כמו כן יש לציין שכאשר מאגר אחד מלא היישום יעבד את הנתונים במאגר והשני המאגר משמש להקלטה וזמן עיבוד הנתונים חייב להיות פחות מהזמן הנדרש למאגר השני במלואו. מוקלט, אחרת המאגר הראשון לא הוקצה מחדש למכשיר ההקלטה לאחר שהמאגר השני מלא, מה שיגרום לאובדן נתונים קוליים. כאשר קצב הדגימה של האות הקולי גדול, הגדלת גודל המאגר כראוי יכולה לפתור ביעילות בעיה זו.
על מנת לשמור את תוכן השידור לשימוש מאוחר יותר, יש צורך לשמור את תוכן השידור בקובץ WAV. לקבצי WAV יש פורמט כותרת קבוע. לפני שמירת נתונים קוליים, עליך להגדיר את הכותרת של קובץ ה- WAV, אחרת לא ניתן להפעיל את קובץ ה- WAV השמור. בכל פעם שמאגר ההקלטה מלא, תחילה מצא את קצה קובץ ה- WAV, ואז כתוב את הנתונים שנאספו בסוף הקובץ בתורו. כאשר כל תהליך השידור הסתיים, כל הנתונים הקוליים נשמרים בקובץ ה- WAV, ומממשים את אחסון הנתונים הקוליים.
כאשר חיץ הקלטה מלא, יש צורך לשלוח את נתוני הקול הנאספים דרך הרשת. בתכנון, השתמש תחילה במחלקה Csocket ליצירת שקע, ואז נדרש רק לאפס את הנתונים שנאספו לחבילה IP ולשלוח אותם החוצה. קצב הדגימה של האות הקול בעיצוב זה הוא 44.1 קילוהרץ, ערוץ כפול של 16 סיביות. על מנת למנוע אובדן של נתונים קוליים, גודל חיץ ההקלטה מוגדר ל- 1024B.
3.2 מימוש שידור אזורי
יישום חשוב של מערכת השידור הקולי הדיגיטלי של אתרנט הוא לא רק לממש את כל שידורי האזור, אלא גם לממש את פונקציית השידור המקומית, כלומר לשדר למסוף המיועד. לכן, חבילת שידור ה- UDP משמשת להעברת נתונים בהעברת רשת של מנות נתוני IP קוליות. באמצעות מנות שידור לקבוצה להעברת נתונים, כל המסופים הכלולים בקבוצה ברשת המקומית יכולים לקבל את הנתונים, ולממש את כל שידור האזור. על מנת לממש את פונקציית השידור המקומית, מבנה נוסף מול נתוני הקול בעיצוב, כמוצג להלן, וקובץ תצורה משמש לאחסון כתובת ה- IP של כל מסוף במערכת.
02 מערכת שידור עיצוב חומרה מסופי שידור
שבב הבקרה הראשי של מסוף השידור של מערכת השידור מאמץ את המיקרו-בקר LM3S8962 שמספק LuminaryMicro. סדרת שבבים זו היא הבקר הראשון מבוסס ARM CortexTM-M3 עם בקר אתרנט משולב פנימי. זהו שבב ה- ARM הראשון בתעשייה התומך ב- Ethernet תעשייתי (IEEE) ויכול ליישם בקלות פונקציות רשת.
שבב מפענח השמע משתמש בשבב MS6336 המיוצר על ידי MOSA. השבב הוא ממיר שמע סטריאו 16 סיביות דיגיטלי לאנלוגי, ופורמטי הקלט הדיגיטלי הנתמכים הם Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. ממשק הבקרה MS6336 מאמץ אוטובוס I2C, הממשק קל להגדרה. לחלק ה- DAC יש זרם מדויק ויציב, בשילוב עם שיטת פענוח סימטרית מצוינת, יכול לשחזר אותות שמע באיכות גבוהה.
שבב הבקרה הראשי LM3S8962 מחובר לממשק RJ45 באמצעות רכיבים מגנטיים ומשמש לקבלת נתונים קוליים מהאתרנט. LM3S8962 מספק אותות בקרה ואותות נתונים קוליים עבור שבב מפענח השמע MS6336. LM3S8962 תומך בפונקציה I2C. יציאות PB2 ו- PB3 מספקות אותות שעון ונתוני I2C בהתאמה. ניתן לחבר את שני הפינים הללו ישירות לסיכות הפונקציה I2C של MS6336, ונדרש נגד משיכה. LM3S8962 אינו תומך בפורמט קלט הנתונים הנדרש על ידי MS6336. פורמט קלט הנתונים של MS6336 במערכת מאמץ את I2S. לכן, כדי לספק נתונים קוליים ל- MS6336, יש צורך להשתמש בתוכנת יציאת GPIO של LM3S8962 כדי לדמות את פורמט קלט הנתונים I2S הנדרש על ידי MS6336. בתכנון, יציאות PA5, PA6 ו- PA7 משמשות לדמות פונקציה זו. שלושת הפינים מתאימים לאות בחירת הערוץ I2S, אות השעון ואות הנתונים בהתאמה. חבר את שלושת הסיכות הללו לסיכת הפונקציה I2S של MS6336.
מבנה החומרה של מסוף ההפעלה של מערכת השידור הקולי הדיגיטלי של אתרנט מוצג באיור 2.
3 תכנון תוכנת מערכת שידור
תוכנת מערכת השידור מחולקת לשני חלקים: תוכנת שרת מערכת שידור ותוכנת מסוף שידור.
תכנון זה מממש את ההפעלה בזמן אמת של נתוני קול, כך שנדרש להבטיח ביצועים בזמן אמת של העברת נתונים קוליים, אך הדרישות לשלמות הנתונים אינן קפדניות מדי, וכמות קטנה של אובדן מנות לא תשפיע על אפקט השמעה כולל, כך שהנתונים הקוליים של המערכת השידור מאמץ מצב שידור UDP. במקביל, המערכת עובדת ברשת מקומית עם פחות משתמשים זמניים. לכן, אימוץ הקצאת כתובות IP סטטי כדי לפשט את המימוש של תוכנת מסוף ההפעלה.
3.1 איסוף, אחסון והעברת נתונים קוליים בצד השרת של מערכת השידור
אוסף הנתונים הקוליים מיושם באמצעות פונקציות API נמוכות של WAVE שמע. כדי לא לגרום לאובדן נתונים קוליים, העיצוב משתמש במאגר כפול לאחסון נתונים קוליים. תהליך היישום מוצג באיור 3.
כאשר חיץ הקלטה אחד מלא, המערכת שולחת מייד חיץ הקלטה נוסף למכשיר ההקלטה כדי להמשיך בהקלטה, ועל תוכנית היישום לקרוא את הנתונים במאגר ההקלטה המלא ולעבד אותם. ואז התקשר לפונקציית waveInAddBuffer כדי להקצות מחדש את המאגר למכשיר ההקלטה למיחזור.
על מנת למנוע אובדן נתונים קוליים בתהליך ההקלטה, לא מספיק פשוט להשתמש במאגר כפול. כמו כן יש לציין שכאשר מאגר אחד מלא היישום יעבד את הנתונים במאגר והשני המאגר משמש להקלטה וזמן עיבוד הנתונים חייב להיות פחות מהזמן הנדרש למאגר השני במלואו. מוקלט, אחרת המאגר הראשון לא הוקצה מחדש למכשיר ההקלטה לאחר שהמאגר השני מלא, מה שיגרום לאובדן נתונים קוליים. כאשר קצב הדגימה של האות הקולי גדול, הגדלת גודל המאגר כראוי יכולה לפתור ביעילות בעיה זו.
על מנת לשמור את תוכן השידור לשימוש מאוחר יותר, יש צורך לשמור את תוכן השידור בקובץ WAV. לקבצי WAV יש פורמט כותרת קבוע. לפני שמירת נתונים קוליים, עליך להגדיר את הכותרת של קובץ ה- WAV, אחרת לא ניתן להפעיל את קובץ ה- WAV השמור. בכל פעם שמאגר ההקלטה מלא, תחילה מצא את קצה קובץ ה- WAV, ואז כתוב את הנתונים שנאספו בסוף הקובץ בתורו. כאשר כל תהליך השידור הסתיים, כל הנתונים הקוליים נשמרים בקובץ ה- WAV, ומממשים את אחסון הנתונים הקוליים.
כאשר חיץ הקלטה מלא, יש צורך לשלוח את נתוני הקול הנאספים דרך הרשת. בתכנון, השתמש תחילה במחלקה Csocket ליצירת שקע, ואז נדרש רק לאפס את הנתונים שנאספו לחבילה IP ולשלוח אותם החוצה. קצב הדגימה של האות הקול בעיצוב זה הוא 44.1 קילוהרץ, ערוץ כפול של 16 סיביות. על מנת למנוע אובדן של נתונים קוליים, גודל חיץ ההקלטה מוגדר ל- 1024B.
3.2 מימוש שידור אזורי
יישום חשוב של מערכת השידור הקולי הדיגיטלי של אתרנט הוא לא רק לממש את כל שידורי האזור, אלא גם לממש את פונקציית השידור המקומית, כלומר לשדר למסוף המיועד. לכן, חבילת שידור ה- UDP משמשת להעברת נתונים בהעברת רשת של מנות נתוני IP קוליות. באמצעות מנות שידור לקבוצה להעברת נתונים, כל המסופים הכלולים בקבוצה ברשת המקומית יכולים לקבל את הנתונים, ולממש את כל שידור האזור. על מנת לממש את פונקציית השידור המקומית, מבנה נוסף מול נתוני הקול בעיצוב, כמוצג להלן, וקובץ תצורה משמש לאחסון כתובת ה- IP של כל מסוף במערכת.
מבנה STRING
{מחרוזת IPNO1;
מחרוזת IPNO2;
...
מחרוזת IPNO9;
מחרוזת IPNO10};
כאשר יש צורך לבצע שידור אזורי במסופים מסוימים, בחר במספרים המתאימים של מסופים אלה בלוח צד השרת של מערכת השידור (כפי שמוצג באיור 4). בשלב זה, נקראת כתובת ה- IP של המסוף שנבחר מקובץ התצורה ומוקצה למשתנה המתאים במבנה. כאשר הטרמינל מקבל חבילת שידור IP, הוא שופט תחילה אם למבנה יש אותו משתנה כמו כתובת ה- IP שלו, אם יש, אז הנתונים מתקבלים ומשוחקים, אם לא, הנתונים מושלכים, וכך מממשים את האזור שידור פוּנקצִיָה. בהשוואה לשיטת השימוש באות בקרה כדי לשלוט במסוף ההפעלה כדי להצטרף או לצאת מקבוצת שידורי הקול, או כדי לשמור באופן דינמי על טבלת מיפוי מורכבת ליישום פונקציית השידור האזורית. בשיטה זו אין צורך לשלוט באופן אינטראקטיבי במסוף ההפעלה לפני כל שידור, ואין צורך לעקוב באופן דינמי אחר מצב הטרמינל. זה רק צריך לכתוב את כתובת ה- IP המתאימה של המסוף לקובץ התצורה כאשר המסוף מצטרף למערכת בפעם הראשונה. הפונקציה פשוטה ליישום.
3.3 מימוש תוכנת מסוף שידור מערכת שידור
מסוף השידור של מערכת השידור מחולק לשני חלקים למימוש, החלק המקבל של נתוני שמע משמש לקליטת הנתונים הקוליים ולאחסון והעברתו, ומפענח השמע מממש את המרת D / A והשמעת האות הקול. החלק שמקבל נתוני שמע מאמץ תכנות שקעים לקבלת נתונים קוליים מהאתרנט. לאחר קבלת חבילת הנתונים הקולית, עליה לשפוט תחילה האם חבילת הנתונים היא עבור עצמה. הטרמינל משווה את המשתנה האיבר של מבנה STRING בחבילת ה- IP עם כתובת ה- IP שלו, ואם משתנה חבר כלשהו שווה לכתובת ה- IP שלו, הוא שומר את הנתונים בחבילה, אחרת זורק אותם.
הנתונים הקוליים מתקבלים ומאוחסנים בתור מעגלי. בשל הפרעת העברת הנתונים UDP, יש למיין את חבילות הנתונים הקוליות לאחר קבלת הנתונים הקוליים בקבלת נתוני הקול כדי להבטיח עיבוד רציף של נתוני הקול ואת אות הקול השחזור הנכון. יחד עם זאת, על מנת להימנע מריצודים ברשת, הנתונים מעובדים בכל פעם כשיש לפחות 5 מנות בתור המעגלי.
פורמט קלט הנתונים של MS6336 בתכנון מאמץ פורמט I2S. מכיוון ש- LM3S8962 אינו תומך בפורמט נתונים זה, הדמיית תוכנה מאומצת למימוש פונקציית I2S דרך יציאת GPIO. על מנת לשחזר לחלוטין את האות הקולי, יש לוודא שתזמון האות I2S קפדני ומדויק, וההמרה בין רמות גבוהות ונמוכות מיושמת על ידי תוכנית עיכוב. דיאגרמת התזמון I2S מוצגת באיור 5.
תדר השעון המסוף של מערכת השידור משודר הוא 40 מגה-הרץ, וזמן שליחת כל ביט נתונים הוא 600 ns המחושב מקצב הדגימה. LM3S8962 מספק נתונים קוליים ל- MS6336, ומממש שידור סדרתי דרך יציאת GPIO בהתאם לנקודת הדגימה. כל נקודת דגימה מכילה ארבעה בתים, ותהליך שליחת הנתונים של נקודת דגימה מוצג באיור 6.
4 ניתוח תוצאות
גודל חבילת הנתונים הקולית המועברת על ידי המערכת באמצעות אתרנט הוא 1024B. על מנת להימנע מעצבנות רשת, הטרמינל מתחיל לשדר בעת קבלת 5 חבילות נתונים. זמן עיכוב השידור הוא כ -30 אלפיות שנפגש עם האינדיקטורים הפונקציונליים. צד השרת יכול לשלוט בעבודה של 10 מסופי שידור בו זמנית. על ידי בחירת מספר המסוף המתאים בצד השרת, ניתן לממש בהצלחה את כל פונקציות השידור והשידור המקומי של מערכת השידור.
סיכום 5
החל מצרכים ממשיים, אנו מתכננים ומטמיעים מערכת שידור קולי דיגיטלי אתרנט. תוצאות הניסוי מראות כי מסוף ההפעלה של המערכת מחליט אם לבצע שידור קולי כדי לממש שידור אזורי הוא דרך פשוטה ויעילה למימוש שידור גלובלי ושידור אזורי של אותות קוליים. מסוף נגן המערכת מאמץ הדמיית תוכנת יציאת GPIO כדי לממש את פונקציית I2S, שיכולה לממש במדויק את עיתוי ה- I2S, להשלים את העברת הנתונים של האות הקול, ולממש את השידור בזמן אמת של האות הקול. מבנה העיצוב סביר ויכול לממש בקלות את הרחבת הפונקציות, כגון תזמון שידור, השמעת מוסיקה, ניהול מרחוק, ניטור בזמן אמת וכו '. לעיצוב זה יש משמעות מעשית חשובה ומספק בסיס לפתרון שידור אתרנט גדול ומורכב. מערכות.
המוצר השני שלנו:
