Bài viết này cung cấp giải pháp hệ thống phát sóng thoại kỹ thuật số Ethernet nhúng, có thể dễ dàng thực hiện chức năng phát sóng khu vực của hệ thống phát sóng. Hệ thống dựa trên kiến trúc cánh tay và áp dụng phương pháp phân xử đầu cuối phát lại hệ thống để kiểm soát việc thực hiện phát sóng trong khu vực và nội dung phát sóng có thể được phát và lưu đồng thời.
Hệ thống phát sóng thoại kỹ thuật số Ethernet chủ yếu đề cập đến hệ thống phát sóng sử dụng Ethernet làm phương tiện truyền dẫn để cung cấp các dịch vụ âm thanh. Ethernet có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề truyền tín hiệu thoại đi xa. Cho phép các nhà thiết kế tạo ra một cấu trúc mạng quy mô lớn để thực hiện việc truyền hàng nghìn tín hiệu thoại kỹ thuật số trên Ethernet, tận dụng tối đa tài nguyên mạng hiện có, tránh rắc rối khi thiết lập đường truyền nhiều lần và hiện thực hóa việc tích hợp truyền phát và mạng máy tính . Nó giải quyết các vấn đề về chất lượng âm thanh kém, dễ bị nhiễu, bảo trì và quản lý phức tạp, và tương tác kém trong các hệ thống phát sóng truyền thống. Đồng thời, có thể chọn tất cả, một phần hoặc các khu vực cụ thể để phát sóng nhóm định hướng, vượt qua hạn chế mà hệ thống phát sóng truyền thống chỉ có thể thực hiện phát sóng công cộng cho tất cả các khu vực. Các hệ thống phát sóng thoại kỹ thuật số Ethernet hiện tại hầu hết sử dụng tín hiệu điều khiển để điều khiển thiết bị đầu cuối phát sóng tham gia hoặc rời khỏi nhóm phát đa hướng trong việc thực hiện chức năng phát sóng khu vực. Cần phải gửi một tín hiệu điều khiển để làm cho thiết bị đầu cuối tham gia nhóm phát đa hướng trước khi việc phát sóng có thể được thực hiện. Hoặc thiết lập một bảng ánh xạ phức tạp ở phía máy chủ để duy trì trạng thái của thiết bị đầu cuối phát lại để đạt được phát sóng khu vực, việc thực hiện phức tạp hơn.
1 Thiết kế kết cấu
Hệ thống này sử dụng cấu trúc C / S, được tạo thành từ hai phần của đầu cuối máy chủ hệ thống quảng bá và thiết bị đầu cuối phát sóng của hệ thống phát sóng, như thể hiện trong Hình 1.
Máy chủ của hệ thống quảng bá được thực hiện trên PC và nó là một chương trình thu thập, lưu trữ và truyền tín hiệu thoại được thực hiện bởi VC ++. Phần này thu thập và lưu trữ tín hiệu thoại thông qua micrô, sau đó truyền dữ liệu thoại đến Ethernet qua UDP để thực hiện chức năng truyền dữ liệu thoại qua mạng.
Thiết bị đầu cuối phát lại hệ thống quảng bá là thiết bị đầu cuối nhúng dựa trên LM3S8962, có thể nhận các gói dữ liệu thoại IP được gửi đến nó từ Ethernet và chip giải mã âm thanh MS6336 hoàn thành việc chuyển đổi kỹ thuật số / tương tự và phát lại dữ liệu thoại
2 Thiết kế phần cứng thiết bị đầu cuối phát sóng của hệ thống phát sóng
Chip điều khiển chính của thiết bị đầu cuối phát sóng hệ thống quảng bá sử dụng vi điều khiển LM3S8962 do LuminaryMicro cung cấp. Loạt chip này là bộ điều khiển dựa trên ARM CortexTM-M3 đầu tiên có bộ điều khiển Ethernet tích hợp bên trong. Đây là chip ARM đầu tiên của ngành hỗ trợ Ethernet công nghiệp (IEEE) và có thể dễ dàng thực hiện các chức năng mạng.
Chip giải mã âm thanh sử dụng chip MS6336 do MOSA sản xuất. Con chip này là một bộ chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số sang analog âm thanh nổi 16 bit và các định dạng đầu vào kỹ thuật số được hỗ trợ là Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. Giao diện điều khiển MS6336 sử dụng bus I2C, giao diện dễ cài đặt. Phần DAC có dòng điện chính xác và ổn định, kết hợp với phương pháp giải mã đối xứng tuyệt vời có thể tái tạo tín hiệu âm thanh chất lượng cao.
Chip điều khiển chính LM3S8962 được kết nối với giao diện RJ45 thông qua các thành phần từ tính, và được sử dụng để nhận dữ liệu thoại từ Ethernet. LM3S8962 cung cấp tín hiệu điều khiển và tín hiệu dữ liệu thoại cho chip giải mã âm thanh MS6336. LM3S8962 hỗ trợ chức năng I2C. Cổng PB2 và PB3 lần lượt cung cấp đồng hồ I2C và tín hiệu dữ liệu. Hai chân này có thể được kết nối trực tiếp với các chân chức năng I2C của MS6336, và cần có một điện trở kéo lên. LM3S8962 không hỗ trợ định dạng đầu vào dữ liệu theo yêu cầu của MS6336. Định dạng đầu vào dữ liệu của MS6336 trong hệ thống thông qua I2S. Vì vậy, để cung cấp dữ liệu thoại cho MS6336, cần sử dụng phần mềm cổng GPIO của LM3S8962 để mô phỏng định dạng đầu vào dữ liệu I2S mà MS6336 yêu cầu. Trong thiết kế, các cổng PA5, PA6 và PA7 được sử dụng để mô phỏng chức năng này. Ba chân tương ứng với tín hiệu chọn kênh I2S, tín hiệu đồng hồ và tín hiệu dữ liệu. Kết nối ba chân này với chân chức năng I2S của MS6336.
Cấu trúc phần cứng của thiết bị đầu cuối phát lại của hệ thống phát sóng thoại kỹ thuật số Ethernet được thể hiện trong Hình 2.
3 Thiết kế phần mềm hệ thống phát sóng
Phần mềm hệ thống phát sóng được chia thành hai phần: phần mềm máy chủ hệ thống phát sóng và phần mềm đầu cuối phát sóng.
Thiết kế này nhận ra việc phát lại dữ liệu thoại theo thời gian thực, vì vậy cần đảm bảo hiệu suất truyền dữ liệu thoại theo thời gian thực, nhưng các yêu cầu về tính toàn vẹn của dữ liệu không quá nghiêm ngặt và việc mất một lượng nhỏ gói dữ liệu sẽ không ảnh hưởng đến hiệu ứng phát lại tổng thể, do đó dữ liệu thoại của hệ thống Việc truyền thông qua chế độ truyền UDP. Đồng thời, hệ thống hoạt động trong mạng cục bộ và có ít người dùng tạm thời. Do đó, phân bổ địa chỉ IP tĩnh được áp dụng để đơn giản hóa việc thực hiện phần mềm đầu cuối phát lại.
3.1 Thu thập, lưu trữ và truyền dữ liệu thoại trên máy chủ của hệ thống phát sóng
Việc thu thập dữ liệu thoại được thực hiện bằng cách sử dụng các hàm API âm thanh WAVE cấp thấp. Để không làm mất dữ liệu thoại, thiết kế sử dụng bộ đệm kép để lưu trữ dữ liệu thoại. Quá trình thực hiện được thể hiện trong Hình 3.
Khi một bộ đệm ghi đầy, hệ thống ngay lập tức gửi một bộ đệm ghi khác đến thiết bị ghi để tiếp tục ghi và chương trình ứng dụng sẽ đọc dữ liệu trong bộ đệm ghi đầy đủ và xử lý. Sau đó gọi hàm waveInAddBuffer để gán lại bộ đệm cho thiết bị ghi để tái chế.
Để tránh mất dữ liệu thoại trong quá trình ghi âm, chỉ cần sử dụng đệm kép là chưa đủ. Cũng cần lưu ý rằng khi một bộ đệm đầy, ứng dụng sẽ xử lý dữ liệu trong bộ đệm và bộ đệm thứ hai. Bộ đệm được sử dụng để ghi và thời gian xử lý dữ liệu phải nhỏ hơn thời gian cần thiết để bộ đệm thứ hai được đầy. được ghi lại, nếu không bộ đệm đầu tiên chưa được gán lại cho thiết bị ghi sau khi bộ đệm thứ hai đầy, điều này sẽ gây ra Mất dữ liệu thoại. Khi tốc độ lấy mẫu của tín hiệu thoại lớn, việc tăng kích thước bộ đệm một cách thích hợp có thể giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả.
Để lưu nội dung phát để sử dụng sau này, cần phải lưu nội dung phát trong tệp WAV. Các tệp WAV có định dạng tiêu đề cố định. Trước khi lưu dữ liệu thoại, bạn cần đặt tiêu đề của tệp WAV, nếu không, tệp WAV đã lưu không thể phát được. Mỗi khi bộ đệm ghi đầy, trước tiên hãy tìm phần cuối của tệp WAV, sau đó lần lượt ghi dữ liệu đã thu thập vào phần cuối của tệp. Khi toàn bộ quá trình phát sóng kết thúc, tất cả dữ liệu thoại được lưu trong tệp WAV, giúp lưu trữ dữ liệu thoại.
Khi bộ đệm ghi đầy, cần phải gửi dữ liệu thoại đã thu thập được qua mạng. Trong thiết kế, đầu tiên sử dụng lớp Csocket để tạo một ổ cắm, sau đó chỉ cần đóng gói dữ liệu thu thập được vào một gói IP và gửi nó ra ngoài. Tốc độ lấy mẫu của tín hiệu thoại trong thiết kế này là 44.1 kHz, kênh đôi 16 bit. Để tránh mất dữ liệu thoại, kích thước của bộ đệm ghi âm được đặt thành 1024B.
3.2 Thực hiện phát sóng khu vực
Một ứng dụng quan trọng của hệ thống phát sóng thoại kỹ thuật số Ethernet là không chỉ thực hiện phát sóng toàn khu vực, mà còn thực hiện chức năng phát sóng cục bộ, tức là phát sóng đến thiết bị đầu cuối được chỉ định. Vì vậy, gói đa hướng UDP được sử dụng để truyền dữ liệu trong mạng truyền gói dữ liệu IP thoại. Sử dụng các gói đa hướng để truyền dữ liệu, tất cả các thiết bị đầu cuối được bao gồm trong nhóm trong mạng cục bộ có thể nhận dữ liệu, thực hiện phát sóng toàn bộ khu vực. Để thực hiện chức năng phát sóng cục bộ, một cấu trúc được thêm vào phía trước dữ liệu thoại trong thiết kế, như hình dưới đây và một tệp cấu hình được sử dụng để lưu trữ địa chỉ IP của mỗi đầu cuối của hệ thống.
02 Thiết kế phần cứng thiết bị đầu cuối hệ thống phát sóng
Chip điều khiển chính của thiết bị đầu cuối phát sóng hệ thống quảng bá sử dụng vi điều khiển LM3S8962 do LuminaryMicro cung cấp. Loạt chip này là bộ điều khiển dựa trên ARM CortexTM-M3 đầu tiên có bộ điều khiển Ethernet tích hợp bên trong. Đây là chip ARM đầu tiên của ngành hỗ trợ Ethernet công nghiệp (IEEE) và có thể dễ dàng thực hiện các chức năng mạng.
Chip giải mã âm thanh sử dụng chip MS6336 do MOSA sản xuất. Con chip này là một bộ chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số sang analog âm thanh nổi 16 bit và các định dạng đầu vào kỹ thuật số được hỗ trợ là Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. Giao diện điều khiển MS6336 sử dụng bus I2C, giao diện dễ cài đặt. Phần DAC có dòng điện chính xác và ổn định, kết hợp với phương pháp giải mã đối xứng tuyệt vời có thể tái tạo tín hiệu âm thanh chất lượng cao.
Chip điều khiển chính LM3S8962 được kết nối với giao diện RJ45 thông qua các thành phần từ tính, và được sử dụng để nhận dữ liệu thoại từ Ethernet. LM3S8962 cung cấp tín hiệu điều khiển và tín hiệu dữ liệu thoại cho chip giải mã âm thanh MS6336. LM3S8962 hỗ trợ chức năng I2C. Cổng PB2 và PB3 lần lượt cung cấp đồng hồ I2C và tín hiệu dữ liệu. Hai chân này có thể được kết nối trực tiếp với các chân chức năng I2C của MS6336, và cần có một điện trở kéo lên. LM3S8962 không hỗ trợ định dạng đầu vào dữ liệu theo yêu cầu của MS6336. Định dạng đầu vào dữ liệu của MS6336 trong hệ thống thông qua I2S. Vì vậy, để cung cấp dữ liệu thoại cho MS6336, cần sử dụng phần mềm cổng GPIO của LM3S8962 để mô phỏng định dạng đầu vào dữ liệu I2S mà MS6336 yêu cầu. Trong thiết kế, các cổng PA5, PA6 và PA7 được sử dụng để mô phỏng chức năng này. Ba chân tương ứng với tín hiệu chọn kênh I2S, tín hiệu đồng hồ và tín hiệu dữ liệu. Kết nối ba chân này với chân chức năng I2S của MS6336.
Cấu trúc phần cứng của thiết bị đầu cuối phát lại của hệ thống phát sóng thoại kỹ thuật số Ethernet được thể hiện trong Hình 2.
3 Thiết kế phần mềm hệ thống phát sóng
Phần mềm hệ thống phát sóng được chia thành hai phần: phần mềm máy chủ hệ thống phát sóng và phần mềm đầu cuối phát sóng.
Thiết kế này nhận ra việc phát lại dữ liệu thoại theo thời gian thực, vì vậy cần đảm bảo hiệu suất truyền dữ liệu thoại theo thời gian thực, nhưng các yêu cầu về tính toàn vẹn của dữ liệu không quá nghiêm ngặt và việc mất một lượng nhỏ gói dữ liệu sẽ không ảnh hưởng đến hiệu ứng phát lại tổng thể, do đó dữ liệu thoại của hệ thống Việc truyền thông qua chế độ truyền UDP. Đồng thời, hệ thống hoạt động trong mạng cục bộ với ít người dùng tạm thời hơn. Do đó, phân bổ địa chỉ IP tĩnh được áp dụng để đơn giản hóa việc thực hiện phần mềm đầu cuối phát lại.
3.1 Thu thập, lưu trữ và truyền dữ liệu thoại trên máy chủ của hệ thống phát sóng
Việc thu thập dữ liệu thoại được thực hiện bằng cách sử dụng các hàm API âm thanh WAVE cấp thấp. Để không làm mất dữ liệu thoại, thiết kế sử dụng bộ đệm kép để lưu trữ dữ liệu thoại. Quá trình thực hiện được thể hiện trong Hình 3.
Khi một bộ đệm ghi đầy, hệ thống ngay lập tức gửi một bộ đệm ghi khác đến thiết bị ghi để tiếp tục ghi và chương trình ứng dụng sẽ đọc dữ liệu trong bộ đệm ghi đầy đủ và xử lý. Sau đó gọi hàm waveInAddBuffer để gán lại bộ đệm cho thiết bị ghi để tái chế.
Để tránh mất dữ liệu thoại trong quá trình ghi âm, chỉ cần sử dụng đệm kép là chưa đủ. Cũng cần lưu ý rằng khi một bộ đệm đầy, ứng dụng sẽ xử lý dữ liệu trong bộ đệm và bộ đệm thứ hai. Bộ đệm được sử dụng để ghi và thời gian xử lý dữ liệu phải nhỏ hơn thời gian cần thiết để bộ đệm thứ hai được đầy. được ghi lại, nếu không bộ đệm đầu tiên chưa được gán lại cho thiết bị ghi sau khi bộ đệm thứ hai đầy, điều này sẽ gây ra Mất dữ liệu thoại. Khi tốc độ lấy mẫu của tín hiệu thoại lớn, việc tăng kích thước bộ đệm một cách thích hợp có thể giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả.
Để lưu nội dung phát để sử dụng sau này, cần phải lưu nội dung phát trong tệp WAV. Các tệp WAV có định dạng tiêu đề cố định. Trước khi lưu dữ liệu thoại, bạn cần đặt tiêu đề của tệp WAV, nếu không, tệp WAV đã lưu không thể phát được. Mỗi khi bộ đệm ghi đầy, trước tiên hãy tìm phần cuối của tệp WAV, sau đó lần lượt ghi dữ liệu đã thu thập vào phần cuối của tệp. Khi toàn bộ quá trình phát sóng kết thúc, tất cả dữ liệu thoại được lưu trong tệp WAV, giúp lưu trữ dữ liệu thoại.
Khi bộ đệm ghi đầy, cần phải gửi dữ liệu thoại đã thu thập được qua mạng. Trong thiết kế, đầu tiên sử dụng lớp Csocket để tạo một ổ cắm, sau đó chỉ cần đóng gói dữ liệu thu thập được vào một gói IP và gửi nó ra ngoài. Tốc độ lấy mẫu của tín hiệu thoại trong thiết kế này là 44.1 kHz, kênh đôi 16 bit. Để tránh mất dữ liệu thoại, kích thước của bộ đệm ghi âm được đặt thành 1024B.
3.2 Thực hiện phát sóng khu vực
Một ứng dụng quan trọng của hệ thống phát sóng thoại kỹ thuật số Ethernet là không chỉ thực hiện phát sóng toàn khu vực, mà còn thực hiện chức năng phát sóng cục bộ, tức là phát sóng đến thiết bị đầu cuối được chỉ định. Vì vậy, gói đa hướng UDP được sử dụng để truyền dữ liệu trong mạng truyền gói dữ liệu IP thoại. Sử dụng các gói đa hướng để truyền dữ liệu, tất cả các thiết bị đầu cuối được bao gồm trong nhóm trong mạng cục bộ có thể nhận dữ liệu, thực hiện phát sóng toàn bộ khu vực. Để thực hiện chức năng phát sóng cục bộ, một cấu trúc được thêm vào phía trước dữ liệu thoại trong thiết kế, như hình dưới đây và một tệp cấu hình được sử dụng để lưu trữ địa chỉ IP của mỗi đầu cuối của hệ thống.
cấu trúc STRING
{Chuỗi IPNO1;
Chuỗi IPNO2;
...
Chuỗi IPNO9;
Chuỗi IPNO10};
Khi cần thực hiện phát sóng khu vực trên một số thiết bị đầu cuối, hãy chọn số tương ứng của các thiết bị đầu cuối này trên bảng điều khiển phía máy chủ của hệ thống phát sóng (như trong Hình 4). Tại thời điểm này, địa chỉ IP của thiết bị đầu cuối đã chọn được đọc từ tệp cấu hình và được gán cho biến tương ứng trong cấu trúc. Khi thiết bị đầu cuối nhận được gói đa hướng IP, trước tiên nó sẽ đánh giá xem cấu trúc có cùng biến với địa chỉ IP của chính nó hay không, nếu có, thì dữ liệu được nhận và phát, nếu không, dữ liệu bị loại bỏ, do đó nhận ra khu vực phát sóng chức năng. So với phương pháp sử dụng tín hiệu điều khiển để điều khiển thiết bị đầu cuối phát lại tham gia hoặc rời khỏi nhóm phát đa hướng, hoặc duy trì động một bảng ánh xạ phức hợp để thực hiện chức năng quảng bá khu vực. Phương pháp này không cần điều khiển tương tác thiết bị đầu cuối phát lại trước mỗi lần phát, cũng không cần theo dõi động trạng thái của thiết bị đầu cuối. Nó chỉ cần ghi địa chỉ IP tương ứng của thiết bị đầu cuối vào tệp cấu hình khi thiết bị đầu cuối tham gia hệ thống lần đầu tiên. Chức năng này rất đơn giản để thực hiện.
3.3 Việc hiện thực hóa phần mềm đầu cuối phát sóng của hệ thống quảng bá
Thiết bị đầu cuối phát sóng của hệ thống quảng bá được chia thành hai phần để nhận biết, phần nhận dữ liệu âm thanh được sử dụng để nhận dữ liệu thoại và lưu trữ và chuyển tiếp, và bộ giải mã âm thanh thực hiện chuyển đổi D / A và phát lại tín hiệu thoại. Phần nhận dữ liệu âm thanh thông qua lập trình Socket để nhận dữ liệu thoại từ Ethernet. Sau khi nhận được gói dữ liệu thoại, trước tiên nó phải đánh giá xem gói dữ liệu đó có dành cho chính nó hay không. Thiết bị đầu cuối so sánh biến thành viên của cấu trúc STRING trong gói IP với địa chỉ IP của chính nó và nếu bất kỳ biến thành viên nào bằng địa chỉ IP của chính nó, nó sẽ lưu trữ dữ liệu trong gói, nếu không sẽ loại bỏ nó.
Dữ liệu thoại được nhận và lưu trữ trong một hàng đợi tròn. Do sự rối loạn của quá trình truyền dữ liệu UDP, các gói dữ liệu thoại cần được sắp xếp sau khi dữ liệu thoại được nhận ở đầu nhận dữ liệu thoại để đảm bảo xử lý tuần tự dữ liệu thoại và khôi phục chính xác tín hiệu thoại. Đồng thời, để tránh tình trạng chập chờn mạng, dữ liệu được xử lý mỗi lần khi có ít nhất 5 gói trong hàng đợi tròn.
Định dạng đầu vào dữ liệu của MS6336 trong thiết kế sử dụng định dạng I2S. Vì LM3S8962 không hỗ trợ định dạng dữ liệu này, mô phỏng phần mềm được sử dụng để thực hiện chức năng I2S thông qua cổng GPIO. Để khôi phục hoàn toàn tín hiệu thoại, cần đảm bảo rằng thời gian của tín hiệu I2S là chặt chẽ và chính xác, và việc chuyển đổi giữa mức cao và mức thấp được thực hiện bằng chương trình trễ. Biểu đồ thời gian I2S được thể hiện trong Hình 5.
Tần số xung nhịp đầu cuối của hệ thống quảng bá là 40 MHz, và thời gian để gửi mỗi bit dữ liệu là 600 ns được tính từ tốc độ lấy mẫu. LM3S8962 cung cấp dữ liệu thoại cho MS6336 và thực hiện truyền nối tiếp qua cổng GPIO theo điểm lấy mẫu. Mỗi điểm lấy mẫu chứa bốn byte và quá trình gửi dữ liệu của một điểm lấy mẫu được thể hiện trong Hình 6.
4 Phân tích kết quả
Kích thước của gói dữ liệu thoại được hệ thống truyền qua Ethernet là 1024B. Để tránh tình trạng chập chờn mạng, thiết bị đầu cuối bắt đầu phát sóng khi nhận được 5 gói dữ liệu. Thời gian trễ phát sóng khoảng 30 ms, đáp ứng các chỉ số chức năng. Phía máy chủ có thể kiểm soát công việc của 10 thiết bị đầu cuối phát sóng cùng một lúc. Bằng cách chọn số đầu cuối tương ứng ở phía máy chủ, các chức năng phát sóng toàn khu vực và phát sóng cục bộ của hệ thống phát sóng có thể được thực hiện thành công.
Kết luận 5
Xuất phát từ nhu cầu thực tế, chúng tôi thiết kế và triển khai hệ thống phát sóng thoại kỹ thuật số Ethernet. Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị đầu cuối phát lại của hệ thống quyết định xem có thực hiện phát sóng giọng nói để thực hiện phát sóng khu vực hay không là một cách đơn giản và hiệu quả để thực hiện phát sóng toàn cầu và phát sóng tín hiệu thoại khu vực. Thiết bị đầu cuối của trình phát hệ thống thông qua mô phỏng phần mềm cổng GPIO để thực hiện chức năng I2S, có thể nhận ra chính xác thời gian I2S, hoàn tất quá trình truyền dữ liệu của tín hiệu thoại và nhận ra việc phát tín hiệu thoại theo thời gian thực. Cấu trúc thiết kế hợp lý và có thể dễ dàng nhận ra việc mở rộng các chức năng, chẳng hạn như phát sóng định thời, phát nhạc, quản lý từ xa, giám sát thời gian thực, v.v. Thiết kế này có ý nghĩa thực tế quan trọng và cung cấp nền tảng để giải quyết việc phát sóng Ethernet lớn và phức tạp các hệ thống.
sản phẩm khác của chúng tôi:
