این مقاله یک راه حل سیستم پخش صوتی دیجیتال اترنت تعبیه شده را ارائه می دهد ، که به راحتی می تواند عملکرد پخش منطقه ای سیستم پخش را درک کند. این سیستم مبتنی بر معماری بازو است و روش داوری ترمینال پخش سیستم را برای کنترل تحقق پخش منطقه ای در پیش می گیرد و محتوای پخش شده را می توان همزمان پخش و ذخیره کرد.
سیستم پخش صوتی دیجیتال اترنت عمدتا به سیستم پخش کننده ای گفته می شود که از اترنت به عنوان رسانه انتقال برای ارائه خدمات صوتی استفاده می کند. می توان از اترنت برای حل مشکل انتقال از راه دور سیگنال های صوتی استفاده کرد. به طراحان اجازه می دهد تا یک ساختار شبکه در مقیاس بزرگ را برای تحقق انتقال هزاران سیگنال صوتی دیجیتال در اترنت ، استفاده کامل از منابع شبکه موجود ، جلوگیری از مشکل تنظیم مکرر خطوط و تحقق ادغام شبکه های پخش و رایانه ، ایجاد کنند. . این مشکلات کیفیت پایین صدا ، حساسیت به تداخل ، نگهداری و مدیریت پیچیده و تعامل ضعیف در سیستم های پخش سنتی را برطرف می کند. در عین حال ، می توان همه ، قسمتها یا مناطق خاص را برای پخش گروهی جهت دار انتخاب کرد ، که این محدودیت را از بین می برد که سیستم های پخش سنتی فقط می توانند پخش عمومی را برای همه مناطق انجام دهند. سیستم های پخش صوتی دیجیتال اترنت موجود بیشتر از سیگنال های کنترل برای کنترل ترمینال پخش برای پیوستن یا ترک گروه چندپخشی در تحقق عملکرد پخش منطقه ای استفاده می کنند. قبل از تحقق پخش ، برای پیوستن ترمینال به گروه چندپخشی ارسال سیگنال کنترل ضروری است. ، یا یک جدول پیچیده نقشه برداری در سمت سرور ایجاد کنید تا وضعیت ترمینال پخش برای دستیابی به پخش منطقه ای ، که پیاده سازی آن پیچیده تر است ، حفظ شود.
1 طراحی سازه
این سیستم از ساختار C / S استفاده می کند ، از دو قسمت پایانه سرور سیستم پخش و پایانه پخش سیستم پخش تشکیل شده است ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.
سرور سیستم پخش بر روی رایانه پیاده سازی می شود و این یک برنامه جمع آوری ، ذخیره سازی و انتقال شبکه سیگنال صوتی است که توسط VC ++ تحقق می یابد. این قسمت سیگنال صوتی را از طریق میکروفون جمع آوری و ذخیره می کند و سپس داده های صوتی را از طریق UDP به اترنت منتقل می کند تا عملکرد انتقال شبکه داده های صوتی را تحقق بخشد.
ترمینال پخش سیستم پخش یک ترمینال تعبیه شده بر اساس LM3S8962 است ، که می تواند بسته های داده صوتی IP را که از اترنت به آن ارسال می شود دریافت کند و تراشه رمزگشایی صدا MS6336 تبدیل دیجیتال / آنالوگ و پخش داده های صوتی را تکمیل می کند
2 سیستم پخش ، طراحی سخت افزار ترمینال را پخش می کند
تراشه کنترل اصلی ترمینال پخش سیستم پخش ، میکروکنترلر LM3S8962 را که توسط LuminaryMicro ارائه شده است ، تصویب می کند. این سری تراشه ها اولین کنترل کننده مبتنی بر ARM CortexTM-M3 با کنترل کننده داخلی اترنت داخلی هستند. این اولین تراشه ARM صنعت است که از اترنت صنعتی (IEEE) پشتیبانی می کند و به راحتی می تواند عملکردهای شبکه را پیاده سازی کند.
تراشه رمزگشای صوتی از تراشه MS6336 تولید شده توسط MOSA استفاده می کند. این تراشه یک مبدل صوتی استریو دیجیتال به آنالوگ 16 بیتی است و فرمت های ورودی دیجیتال پشتیبانی شده از نوع Right Justifl-ed، Left Justified، I2S هستند. رابط کنترل MS6336 اتوبوس I2C را تصویب می کند ، تنظیم رابط کاربری آسان است. قسمت DAC دارای جریان دقیق و پایدار است ، همراه با یک روش رمزگشایی متقارن عالی ، می تواند سیگنال های صوتی با کیفیت بالا را تولید کند.
تراشه کنترل اصلی LM3S8962 از طریق اجزای مغناطیسی به رابط RJ45 متصل است و برای دریافت داده های صوتی از اترنت استفاده می شود. LM3S8962 سیگنال های کنترل و سیگنال های داده صوتی را برای تراشه رمزگشای صوتی MS6336 فراهم می کند. LM3S8962 از عملکرد I2C پشتیبانی می کند. پورت های PB2 و PB3 به ترتیب سیگنال های ساعت و داده I2C را ارائه می دهند. این دو پایه می توانند مستقیماً به پایه های عملکردی I2C MS6336 متصل شوند و مقاومت کششی لازم است. LM3S8962 از قالب ورودی داده مورد نیاز MS6336 پشتیبانی نمی کند. قالب ورودی داده MS6336 در سیستم I2S را تصویب می کند. بنابراین ، برای تهیه داده صوتی به MS6336 ، استفاده از نرم افزار پورت GPIO LM3S8962 برای شبیه سازی قالب ورودی داده I2S مورد نیاز MS6336 ضروری است. در طراحی ، از درگاه های PA5 ، PA6 و PA7 برای شبیه سازی این عملکرد استفاده شده است. این سه پین به ترتیب مربوط به سیگنال انتخاب کانال I2S ، سیگنال ساعت و سیگنال داده است. این سه پایه را به پایه عملکرد I2S MS6336 وصل کنید.
ساختار سخت افزاری ترمینال پخش سیستم پخش صدای دیجیتال اترنت در شکل 2 نشان داده شده است.
3 طراحی نرم افزار سیستم پخش
نرم افزار سیستم پخش به دو قسمت تقسیم می شود: نرم افزار سرور سیستم پخش و نرم افزار ترمینال پخش.
این طرح به پخش در زمان واقعی داده های صوتی پی می برد ، بنابراین لازم است عملکرد انتقال داده صوتی در زمان واقعی تضمین شود ، اما الزامات برای یکپارچگی داده ها خیلی سختگیرانه نیستند و مقدار کمی از دست دادن بسته تأثیری در اثر کلی پخش ، بنابراین داده های صوتی سیستم انتقال از حالت انتقال UDP استفاده می کند. در همان زمان ، این سیستم در شبکه محلی کار می کند و تعداد کاربران موقت کم است. بنابراین ، تخصیص آدرس IP ثابت برای ساده سازی تحقق نرم افزار ترمینال پخش به کار گرفته می شود.
3.1 جمع آوری ، ذخیره و انتقال داده های صوتی در سمت سرور سیستم پخش
مجموعه داده های صوتی با استفاده از توابع سطح پایین WAVE صوتی API اجرا می شود. برای اینکه باعث از بین رفتن داده های صوتی نشود ، در طرح از بافر دوگانه برای ذخیره داده های صوتی استفاده می شود. روند اجرا در شکل 3 نشان داده شده است.
با پر شدن یک بافر ضبط ، سیستم بلافاصله بافر ضبط دیگری را برای ادامه ضبط به دستگاه ضبط می فرستد و برنامه کاربردی باید داده ها را در بافر ضبط کامل بخواند و آنها را پردازش کند. سپس با تابع waveInAddBuffer تماس بگیرید تا بافر را برای بازیافت مجدداً به دستگاه ضبط اختصاص دهد.
به منظور جلوگیری از از دست رفتن داده های صوتی در روند ضبط ، استفاده از بافر دو برابر کافی نیست. همچنین لازم به ذکر است که وقتی یک بافر پر شود ، برنامه داده ها را در بافر پردازش می کند و مرحله دوم بافر برای ضبط استفاده می شود ، و زمان پردازش داده ها باید کمتر از زمان مورد نیاز برای بافر دوم باشد تا کامل شود ضبط شده است ، در غیر این صورت بافر اول پس از پر شدن بافر دوم به دستگاه ضبط مجدداً اختصاص داده نشده است ، که باعث از بین رفتن داده های صوتی می شود. وقتی میزان نمونه سیگنال صوتی زیاد باشد ، افزایش مناسب اندازه بافر می تواند به طور موثری این مشکل را حل کند.
برای ذخیره محتوای پخش شده برای استفاده بعدی ، ذخیره محتوای پخش شده در یک فایل WAV ضروری است. پرونده های WAV دارای قالب هدر ثابت هستند. قبل از ذخیره داده های صوتی ، باید عنوان پرونده WAV را تنظیم کنید ، در غیر این صورت فایل WAV ذخیره شده قابل پخش نیست. هر وقت بافر ضبط پر شد ، ابتدا انتهای پرونده WAV را پیدا کنید و سپس داده های جمع آوری شده را به نوبت در انتهای پرونده بنویسید. وقتی تمام مراحل پخش به پایان رسید ، تمام داده های صوتی در فایل WAV ذخیره می شوند ، و این امر به ذخیره سازی داده های صوتی پی می برد.
هنگام پر شدن بافر ضبط ، ارسال داده های صوتی جمع آوری شده از طریق شبکه ضروری است. در طراحی ، ابتدا از کلاس Csocket برای ایجاد سوکت استفاده کنید و سپس فقط باید داده های جمع آوری شده را در یک بسته IP کپسوله کرده و ارسال کنید. میزان نمونه گیری سیگنال صوتی در این طرح 44.1 کیلوهرتز ، 16 بیتی دو کاناله است. به منظور جلوگیری از از دست رفتن داده های صوتی ، اندازه بافر ضبط روی 1024B تنظیم شده است.
3.2 تحقق پخش منطقه ای
یک برنامه مهم از سیستم پخش صوتی دیجیتال اترنت نه تنها تحقق پخش کل منطقه ، بلکه تحقق بخشیدن به عملکرد پخش محلی ، یعنی پخش به ترمینال تعیین شده است. بنابراین ، از بسته چندپخشی UDP برای انتقال داده در انتقال شبکه بسته های داده IP صوتی استفاده می شود. با استفاده از بسته های چندپخشی برای انتقال داده ها ، تمام ترمینال های موجود در گروه در شبکه محلی می توانند داده ها را دریافت کنند ، و این امر پخش کل منطقه را تحقق می بخشد. به منظور تحقق بخشیدن به عملکرد پخش محلی ، مانند آنچه در زیر نشان داده شده است ، ساختاری در مقابل داده های صوتی در طراحی اضافه می شود و از یک فایل پیکربندی برای ذخیره آدرس IP هر ترمینال سیستم استفاده می شود.
02 سیستم پخش ، طراحی سخت افزار ترمینال را پخش می کند
تراشه کنترل اصلی ترمینال پخش سیستم پخش ، میکروکنترلر LM3S8962 را که توسط LuminaryMicro ارائه شده است ، تصویب می کند. این سری تراشه ها اولین کنترل کننده مبتنی بر ARM CortexTM-M3 با کنترل کننده داخلی اترنت داخلی هستند. این اولین تراشه ARM صنعت است که از اترنت صنعتی (IEEE) پشتیبانی می کند و به راحتی می تواند عملکردهای شبکه را پیاده سازی کند.
تراشه رمزگشای صوتی از تراشه MS6336 تولید شده توسط MOSA استفاده می کند. این تراشه یک مبدل صوتی استریو دیجیتال به آنالوگ 16 بیتی است و فرمت های ورودی دیجیتال پشتیبانی شده از نوع Right Justifl-ed، Left Justified، I2S هستند. رابط کنترل MS6336 اتوبوس I2C را تصویب می کند ، تنظیم رابط کاربری آسان است. قسمت DAC دارای جریان دقیق و پایدار است ، همراه با یک روش رمزگشایی متقارن عالی ، می تواند سیگنال های صوتی با کیفیت بالا را تولید کند.
تراشه کنترل اصلی LM3S8962 از طریق اجزای مغناطیسی به رابط RJ45 متصل است و برای دریافت داده های صوتی از اترنت استفاده می شود. LM3S8962 سیگنال های کنترل و سیگنال های داده صوتی را برای تراشه رمزگشای صوتی MS6336 فراهم می کند. LM3S8962 از عملکرد I2C پشتیبانی می کند. پورت های PB2 و PB3 به ترتیب سیگنال های ساعت و داده I2C را ارائه می دهند. این دو پایه می توانند مستقیماً به پایه های عملکردی I2C MS6336 متصل شوند و مقاومت کششی لازم است. LM3S8962 از قالب ورودی داده مورد نیاز MS6336 پشتیبانی نمی کند. قالب ورودی داده MS6336 در سیستم I2S را تصویب می کند. بنابراین ، برای تهیه داده صوتی به MS6336 ، استفاده از نرم افزار پورت GPIO LM3S8962 برای شبیه سازی قالب ورودی داده I2S مورد نیاز MS6336 ضروری است. در طراحی ، از درگاه های PA5 ، PA6 و PA7 برای شبیه سازی این عملکرد استفاده شده است. این سه پین به ترتیب مربوط به سیگنال انتخاب کانال I2S ، سیگنال ساعت و سیگنال داده است. این سه پایه را به پایه عملکرد I2S MS6336 وصل کنید.
ساختار سخت افزاری ترمینال پخش سیستم پخش صدای دیجیتال اترنت در شکل 2 نشان داده شده است.
3 طراحی نرم افزار سیستم پخش
نرم افزار سیستم پخش به دو قسمت تقسیم می شود: نرم افزار سرور سیستم پخش و نرم افزار ترمینال پخش.
این طرح به پخش در زمان واقعی داده های صوتی پی می برد ، بنابراین لازم است عملکرد انتقال داده صوتی در زمان واقعی تضمین شود ، اما الزامات برای یکپارچگی داده ها خیلی سختگیرانه نیستند و مقدار کمی از دست دادن بسته تأثیری در اثر کلی پخش ، بنابراین داده های صوتی سیستم انتقال از حالت انتقال UDP استفاده می کند. در همان زمان ، این سیستم در یک شبکه محلی با کاربران موقت کمتر کار می کند. بنابراین ، تخصیص آدرس IP ثابت برای ساده سازی تحقق نرم افزار ترمینال پخش به کار گرفته می شود.
3.1 جمع آوری ، ذخیره و انتقال داده های صوتی در سمت سرور سیستم پخش
مجموعه داده های صوتی با استفاده از توابع سطح پایین WAVE صوتی API اجرا می شود. برای اینکه باعث از بین رفتن داده های صوتی نشود ، در طرح از بافر دوگانه برای ذخیره داده های صوتی استفاده می شود. روند اجرا در شکل 3 نشان داده شده است.
با پر شدن یک بافر ضبط ، سیستم بلافاصله بافر ضبط دیگری را برای ادامه ضبط به دستگاه ضبط می فرستد و برنامه کاربردی باید داده ها را در بافر ضبط کامل بخواند و آنها را پردازش کند. سپس با تابع waveInAddBuffer تماس بگیرید تا بافر را برای بازیافت مجدداً به دستگاه ضبط اختصاص دهد.
به منظور جلوگیری از از دست رفتن داده های صوتی در روند ضبط ، استفاده از بافر دو برابر کافی نیست. همچنین لازم به ذکر است که وقتی یک بافر پر شود ، برنامه داده ها را در بافر پردازش می کند و مرحله دوم بافر برای ضبط استفاده می شود ، و زمان پردازش داده ها باید کمتر از زمان مورد نیاز برای بافر دوم باشد تا کامل شود ضبط شده است ، در غیر این صورت بافر اول پس از پر شدن بافر دوم به دستگاه ضبط مجدداً اختصاص داده نشده است ، که باعث از بین رفتن داده های صوتی می شود. وقتی میزان نمونه سیگنال صوتی زیاد باشد ، افزایش مناسب اندازه بافر می تواند به طور موثری این مشکل را حل کند.
برای ذخیره محتوای پخش شده برای استفاده بعدی ، ذخیره محتوای پخش شده در یک فایل WAV ضروری است. پرونده های WAV دارای قالب هدر ثابت هستند. قبل از ذخیره داده های صوتی ، باید عنوان پرونده WAV را تنظیم کنید ، در غیر این صورت فایل WAV ذخیره شده قابل پخش نیست. هر وقت بافر ضبط پر شد ، ابتدا انتهای پرونده WAV را پیدا کنید و سپس داده های جمع آوری شده را به نوبت در انتهای پرونده بنویسید. وقتی تمام مراحل پخش به پایان رسید ، تمام داده های صوتی در فایل WAV ذخیره می شوند ، و این امر به ذخیره سازی داده های صوتی پی می برد.
هنگام پر شدن بافر ضبط ، ارسال داده های صوتی جمع آوری شده از طریق شبکه ضروری است. در طراحی ، ابتدا از کلاس Csocket برای ایجاد سوکت استفاده کنید و سپس فقط باید داده های جمع آوری شده را در یک بسته IP کپسوله کرده و ارسال کنید. میزان نمونه گیری سیگنال صوتی در این طرح 44.1 کیلوهرتز ، 16 بیتی دو کاناله است. به منظور جلوگیری از از دست رفتن داده های صوتی ، اندازه بافر ضبط روی 1024B تنظیم شده است.
3.2 تحقق پخش منطقه ای
یک برنامه مهم از سیستم پخش صوتی دیجیتال اترنت نه تنها تحقق پخش کل منطقه ، بلکه تحقق بخشیدن به عملکرد پخش محلی ، یعنی پخش به ترمینال تعیین شده است. بنابراین ، از بسته چندپخشی UDP برای انتقال داده در انتقال شبکه بسته های داده IP صوتی استفاده می شود. با استفاده از بسته های چندپخشی برای انتقال داده ها ، تمام ترمینال های موجود در گروه در شبکه محلی می توانند داده ها را دریافت کنند ، و این امر پخش کل منطقه را تحقق می بخشد. به منظور تحقق بخشیدن به عملکرد پخش محلی ، مانند آنچه در زیر نشان داده شده است ، ساختاری در مقابل داده های صوتی در طراحی اضافه می شود و از یک فایل پیکربندی برای ذخیره آدرس IP هر ترمینال سیستم استفاده می شود.
ساختار STRING
{رشته IPNO1؛
رشته IPNO2 ؛
...
رشته IPNO9 ؛
رشته IPNO10} ؛
در صورت لزوم انجام پخش منطقه ای در پایانه های خاص ، تعداد متناظر این پایانه ها را در صفحه سمت سرور سیستم پخش انتخاب کنید (همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است). در این زمان ، آدرس IP ترمینال انتخاب شده از پرونده پیکربندی خوانده شده و به متغیر مربوطه در ساختار اختصاص می یابد. وقتی ترمینال یک بسته چندپخشی IP دریافت می کند ، ابتدا قضاوت می کند که آیا ساختار همان متغیر آدرس IP خود را دارد یا خیر ، داده ها دریافت می شوند و بازی می شوند ، در غیر این صورت ، داده ها دور انداخته می شوند ، بنابراین منطقه Broadcast را درک می کند تابع. در مقایسه با روش استفاده از سیگنال کنترل برای کنترل ترمینال پخش برای پیوستن یا خروج از گروه چندپخشی ، یا حفظ پویا یک جدول پیچیده نقشه برداری برای اجرای عملکرد پخش منطقه ای. این روش نیازی به کنترل تعاملی ترمینال پخش قبل از هر بار پخش ندارد و همچنین نیازی به ردیابی حالت ترمینال نیست. فقط کافی است آدرس IP مربوطه ترمینال را در پرونده پیکربندی بنویسید وقتی ترمینال برای اولین بار به سیستم می پیوندد. عملکرد ساده است.
3.3 تحقق نرم افزار پایانه پخش سیستم پخش
ترمینال پخش سیستم پخش به دو قسمت تقسیم می شود ، قسمت دریافت داده های صوتی برای دریافت داده های صوتی و ذخیره و انتقال به جلو استفاده می شود و رمزگشای صوتی متوجه تبدیل D / A و پخش سیگنال صوتی می شود. بخش دریافت داده های صوتی ، برنامه نویسی سوکت را برای دریافت داده های صوتی از اترنت تصویب می کند. پس از دریافت بسته داده صوتی ، ابتدا باید قضاوت کند که بسته داده برای خودش مناسب است یا خیر. ترمینال متغیر عضو ساختار STRING ساختار در بسته IP را با آدرس IP خاص خود مقایسه می کند و اگر هر متغیر عضو برابر با آدرس IP خود باشد ، داده ها را در بسته ذخیره می کند ، در غیر این صورت آنها را دور می اندازد.
داده های صوتی در یک صف دایره ای دریافت و ذخیره می شوند. به دلیل اختلال در انتقال داده های UDP ، بسته های داده صوتی باید پس از دریافت داده های صوتی در انتهای دریافت داده های صوتی مرتب شوند تا از پردازش متوالی داده های صوتی و ترمیم صحیح سیگنال صوتی اطمینان حاصل شود. در همان زمان ، برای جلوگیری از لرزش شبکه ، داده ها هر بار که حداقل 5 بسته در صف دایره ای قرار داشته باشند ، پردازش می شوند.
قالب ورودی داده MS6336 در طراحی ، قالب I2S را تصویب می کند. از آنجا که LM3S8962 از این قالب داده پشتیبانی نمی کند ، شبیه سازی نرم افزار برای تحقق بخشیدن به عملکرد I2S از طریق پورت GPIO در نظر گرفته شده است. برای بازیابی کامل سیگنال صوتی ، لازم است اطمینان حاصل کنید که زمان سیگنال I2S دقیق و دقیق است و تبدیل بین سطح بالا و پایین توسط برنامه تأخیر انجام می شود. نمودار زمان بندی I2S در شکل 5 نشان داده شده است.
فرکانس ساعت ترمینال پخش سیستم پخش 40 مگاهرتز است و زمان ارسال هر بیت داده 600 نانومتر است که از نرخ نمونه گیری محاسبه می شود. LM3S8962 داده صوتی را به MS6336 ارائه می دهد و انتقال سریال را از طریق پورت GPIO با توجه به نقطه نمونه برداری انجام می دهد. هر نقطه نمونه برداری شامل چهار بایت است و روند ارسال اطلاعات یک نقطه نمونه برداری در شکل 6 نشان داده شده است.
4 تحلیل نتایج
اندازه بسته داده صوتی منتقل شده توسط سیستم از طریق اترنت 1024B است. برای جلوگیری از لرزش شبکه ، ترمینال هنگام دریافت 5 بسته داده شروع به پخش می کند. زمان تأخیر پخش حدود 30 میلی ثانیه است که با شاخص های عملکردی مطابقت دارد. سمت سرور می تواند کار 10 ترمینال پخش همزمان را کنترل کند. با انتخاب شماره ترمینال مربوطه در سمت سرور ، کل پخش منطقه و توابع پخش محلی سیستم پخش را می توان با موفقیت تحقق بخشید.
نتیجه گیری 5
با شروع از نیازهای واقعی ، ما یک سیستم پخش صدای دیجیتال اترنت را طراحی و پیاده سازی می کنیم. نتایج تجربی نشان می دهد که ترمینال پخش سیستم تصمیم می گیرد که آیا پخش صدا را انجام دهد تا پخش منطقه ای یک روش ساده و موثر برای تحقق پخش جهانی و پخش منطقه ای سیگنال های صوتی باشد. ترمینال پخش کننده سیستم برای تحقق بخشیدن به عملکرد I2S از شبیه سازی نرم افزار پورت GPIO استفاده می کند ، که می تواند زمان I2S را به طور دقیق درک کند ، انتقال داده سیگنال صوتی را کامل کند و پخش همزمان سیگنال صوتی را تحقق بخشد. ساختار طراحی منطقی است و به راحتی می تواند گسترش عملکردهایی مانند پخش زمان ، پخش موسیقی ، مدیریت از راه دور ، نظارت بر زمان واقعی و غیره را درک کند. این طرح از اهمیت عملی مهمی برخوردار است و پایه ای برای حل پخش بزرگ و پیچیده اترنت فراهم می کند سیستم های.
محصول دیگر ما:
