CobraNet與EtherSound音頻傳輸技術(shù)比較

1、CobraNet與EtherSound音頻傳輸技術(shù)比較 著作 兆翦 以太網(wǎng)上傳輸音頻信號(hào)是近幾年來(lái)專(zhuān)業(yè)音頻行業(yè)的一個(gè)技術(shù)焦點(diǎn)，也是日后專(zhuān)業(yè)工程項(xiàng)目中的一個(gè)重要的傳輸技術(shù)環(huán)節(jié)。因?yàn)樗遣灰蕾?lài)于控制系統(tǒng)而獨(dú)立存在的一個(gè)產(chǎn)品，可以廣泛地應(yīng)用到很多的不同項(xiàng)目中去，一方面解決了多線纜的布線困難問(wèn)題，同時(shí)也解決了遠(yuǎn)距離傳輸、數(shù)據(jù)備份、自動(dòng)冗余等一系列在模擬傳輸時(shí)代所無(wú)法面對(duì)的問(wèn)題。目前比較成熟的以太網(wǎng)音頻傳輸技術(shù)主要是CobraNet和EtherSound技術(shù)，前者已經(jīng)開(kāi)發(fā)和使用多年，用戶(hù)較多，交互性好，缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)長(zhǎng)，后者解決了延時(shí)的問(wèn)題，但是開(kāi)發(fā)和使用普及程度稍差。兩者在技術(shù)上各有千秋，本文之目的就

2、是客觀地分析兩種網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用區(qū)別，以求證一種相對(duì)適合的應(yīng)用方案建議給廣大讀者。1、網(wǎng)絡(luò)特性綜述a、CobraNet網(wǎng)絡(luò)：是美國(guó)PeakAudio公司開(kāi)發(fā)的一種在以太網(wǎng)上傳輸專(zhuān)業(yè)非壓縮音頻信號(hào)的技術(shù)，它可以在100M以太網(wǎng)下單向可以傳輸64個(gè)48kHz、20bit的音頻信號(hào)通道（48kHz、24bit信號(hào)為56路）；除音頻信號(hào)外，還可以傳輸RS485串口通信數(shù)據(jù)及其它非同步IP數(shù)據(jù)；開(kāi)放的MIB文件，支持SNMP?？梢詮腜eakAudio公司獲得相關(guān)技術(shù)資料，使用模塊化的CM-1可以方便地將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為CobraNet信號(hào)，具有成型的軟件工具包（SDK）和API。b、EtherSound網(wǎng)絡(luò)：由

3、法國(guó)Digigram公司開(kāi)發(fā)的一種基于以太網(wǎng)傳輸音頻信號(hào)的技術(shù)。傳輸能力為單方向64個(gè)24bit、48kHz（或44.1kHz）采樣頻率的音頻通道。雖然它不能傳遞串口信號(hào)以及其它IP數(shù)據(jù)，但是它的技術(shù)最大的亮點(diǎn)就是極低的延時(shí)，因此EtherSound技術(shù)最適合應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)演出中去。2、硬件結(jié)構(gòu)對(duì)比a、CobraNet硬件設(shè)備 CM-1 CM-2CobraNet硬件設(shè)備目前主要包括CM-1，CM-2兩種。其中CM-1為PeakAudio自己制造的成品通信卡，屬于第一代產(chǎn)品，但是網(wǎng)絡(luò)通信能力比較強(qiáng)，價(jià)格較高；CM-2可以定制生產(chǎn)，任何廠家只要從PeakAudio購(gòu)買(mǎi)了主芯片，并獲得了生產(chǎn)許可后就可以

4、自行生產(chǎn)CM-2板卡，并且可以集成到其它產(chǎn)品的主板上去。CM-1和CM-2的主要區(qū)別如下：其中CM-1使用的是DSP56303+FPGA以及其它存儲(chǔ)器構(gòu)成的芯片組。由于開(kāi)發(fā)的比較早，所以DSP的速度受到了DSP56303的速度限制只能達(dá)到24bit/100MIPS。而CM-2則支持更快的32bit/100MIPS的數(shù)據(jù)流。對(duì)于CM-2來(lái)說(shuō)16個(gè)單方向通道是最大的極限了，如果生產(chǎn)8通道的產(chǎn)品相對(duì)成本比較低，但是16通道的就還需要增加FPGA橋接才能構(gòu)成1616的完整通道。至于CS1810XX和CS4961XX系列主要區(qū)別就是后者包含了一個(gè)基本的用戶(hù)DSP可以使用，這大大的方便了某些用戶(hù)，省去了開(kāi)

5、發(fā)DSP和CobraNet的接口的費(fèi)用。至于CM-1可以傳輸特殊的9bit串口通信數(shù)據(jù)完全是為了適應(yīng)一些特殊的設(shè)備（如ControlMatrix）。還有一些CobraNet硬件設(shè)備所用之處不多，比如一些叫做CM-1-FW的模塊，其實(shí)是由使用廠家向PeakAudio定制的特殊的CobraNet板卡。他們的功能和CM-1相同，但是電路板上通常集成了使用方需要的其它DSP、ADC/DAC以及供電等功能。b、EtherSound的硬件設(shè)備 OnAir 3000 AVY16-ESEtherSound硬件的生產(chǎn)也和CobraNet類(lèi)似，有些是版權(quán)公司生產(chǎn)的，比如上圖的OnAir 3000就是為瑞士Stud

6、er的數(shù)字化直播調(diào)音臺(tái)定制的；還有一些是OEM合作生產(chǎn)的，比如AuviTran出品的AVY16-ES就是為YAMAHA樂(lè)器公司生產(chǎn)的Mini-YGDAI格式的EtherSound接口卡，這種網(wǎng)卡除了可以安裝在YAMAHA PM1D、 PM5D、M7CL等系列數(shù)字調(diào)音臺(tái)上外，還可以安裝在YAMAHA出品的DME24N/64N數(shù)字DSP接口箱和NEXO網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。 經(jīng)過(guò)幾代的發(fā)展，目前EtherSound硬件產(chǎn)品主要產(chǎn)品按照接口能力的發(fā)展順序分為EtherSound、EtherSound100和EtherSound Giga，主要的技術(shù)指標(biāo)區(qū)別如下：ESES 100ES Giga最大音頻傳輸通道6

7、4646464512512100M ES音頻端口1000M ES音頻端口100M控制端口ES的模擬端口能力只有8通道和2通道兩種3、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)比a 、CobraNet設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)CobraNet必須使用星型（或連星型）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有的CobraNet設(shè)備都必須通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)互相連接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備是一致的。由于CobraNet采用了同步通信技術(shù)，所以其同步數(shù)據(jù)報(bào)必須在有限的時(shí)間誤差內(nèi)廣播到所有節(jié)點(diǎn)，這主要取決于交換機(jī)的交換原理和通過(guò)數(shù)量，一般來(lái)說(shuō)最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)CobraNet設(shè)備之間的交換機(jī)數(shù)量不能超過(guò)6個(gè)（若存在Spanning Tree，則按照樹(shù)型結(jié)構(gòu)的最遠(yuǎn)點(diǎn)計(jì)算）。一般

8、來(lái)說(shuō)使用Cut-Through類(lèi)型交換機(jī)會(huì)減少同步延時(shí)。b、EtherSound設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)EtherSound設(shè)備系統(tǒng)可以采用菊花鏈結(jié)構(gòu)或以太網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)或者這兩種結(jié)構(gòu)的混合形式。當(dāng)采用菊花鏈結(jié)構(gòu)時(shí)，音頻的傳輸可以單方向或者雙方向，這取決于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件屬性是否支持雙向傳輸。唯一的問(wèn)題是當(dāng)EtherSound數(shù)據(jù)流通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)的時(shí)候只能是沿著一個(gè)方向（Downstream）傳遞音頻數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)無(wú)論這臺(tái)交換機(jī)上連接了多少個(gè)EtherSound設(shè)備，同時(shí)只能有一臺(tái)經(jīng)過(guò)配置的設(shè)備可以向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，其它節(jié)點(diǎn)只能用來(lái)接收。這種數(shù)據(jù)包是廣播類(lèi)型的，但是由于每個(gè)端口是等帶寬數(shù)據(jù)傳輸，所以只能

9、使用全雙工的交換機(jī)而不能使用HUB。對(duì)于數(shù)據(jù)量比較小的非同步控制信號(hào)，則可以進(jìn)行雙向傳輸?shù)摹?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)對(duì)比a、CobraNet數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議特征CobraNet傳輸協(xié)議的構(gòu)建依靠3種基本數(shù)據(jù)包來(lái)完成：一是同步數(shù)據(jù)包（Beat Packet），它是由網(wǎng)絡(luò)中的Conductor發(fā)出的同步指令數(shù)據(jù)，每秒種750個(gè)，作為每個(gè)同步周期的起始數(shù)據(jù)包與網(wǎng)絡(luò)中的全部CM-1設(shè)備保持精準(zhǔn)同步；二是同步音頻數(shù)據(jù)包（Isochronous Data Packet），也是CobraNet需要傳送的真正數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以單播（Unicast）也可以多播（Broadcast）出去；三是預(yù)約請(qǐng)求數(shù)據(jù)包（Reservation

10、 Packet），它是由除了Conductor以外的所有CM-1發(fā)出的廣播數(shù)據(jù)包，包含了發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)和優(yōu)先級(jí)等重要信息。除了以上三種必須的數(shù)據(jù)包類(lèi)型外，還有兩種可選的數(shù)據(jù)傳送包：串口包橋（Serial Bridge）和IP數(shù)據(jù)包橋（Packet Bridge）。這兩種數(shù)據(jù)包和CobraNet的音頻數(shù)據(jù)傳送本身沒(méi)有任何關(guān)系，是一種附加的功能。也就是說(shuō)我們可以通過(guò)CobraNet網(wǎng)絡(luò)傳送和音頻無(wú)關(guān)的串口或IP格式的控制數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)橋功能在工程應(yīng)用中起著非常重要的作用。CobraNet數(shù)據(jù)量?jī)H與傳輸?shù)挠行ǖ罃?shù)有關(guān)。b、EtherSound數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議特征和CobraNet協(xié)議不同，EtherSou

11、nd數(shù)據(jù)包只有一種格式。同步和音頻數(shù)據(jù)在一個(gè)數(shù)據(jù)包中存在了，換句話(huà)說(shuō)就是一種自同步技術(shù)。EtherSound同步方式借鑒了總線式同步數(shù)據(jù)傳送方式，如火線IEEE1394接口協(xié)議，數(shù)據(jù)包發(fā)送的頻率就是同步頻率。IEEE1394協(xié)議是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，所以同步數(shù)據(jù)是發(fā)送端確認(rèn)，這一特征也被EtherSound所繼承，同步發(fā)送的數(shù)據(jù)是從第一個(gè)設(shè)備中產(chǎn)生。可是對(duì)于一個(gè)菊花鏈/星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，哪一個(gè)設(shè)備算是“第一個(gè)”呢？這個(gè)第一就是由用戶(hù)在搭建系統(tǒng)的時(shí)候根據(jù)系統(tǒng)的配置自己設(shè)定的，并將其命名為“Primary Master”，也就是說(shuō)一個(gè)完整的EtherSound系統(tǒng)只能有一個(gè)“Primary Mast

12、er”，它的作用與CobraNet的Conductor作用類(lèi)似，只是工作原理不同。如果系統(tǒng)同步時(shí)鐘定義在44.1kHz的話(huà)，那么“Primary Master”就按照44.1kHz的速度向外發(fā)送固定長(zhǎng)度為236字節(jié)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包，如上圖?？倲?shù)據(jù)開(kāi)銷(xiāo)可以計(jì)算出=441002368=83.3Mbit/s；同理可以計(jì)算出48kHz采樣下的數(shù)據(jù)開(kāi)銷(xiāo)為90.6Mbit/s，顯然這已經(jīng)到達(dá)了100M以太網(wǎng)的實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)上限。上圖中左側(cè)的ES設(shè)備就是“Primary Master”，它被控制電腦配置后開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的EtherSound幀，發(fā)送頻率就是音頻采樣頻率，后面的設(shè)備與它進(jìn)行同步。需要注意

13、的第一個(gè)問(wèn)題是這個(gè)幀的數(shù)據(jù)量永遠(yuǎn)是恒定的，與其中是否傳輸音頻信號(hào)或者傳輸多少通道音頻信號(hào)無(wú)關(guān)；第二是由于沒(méi)有同步延時(shí)矯正，所以EtherSound數(shù)據(jù)流每經(jīng)過(guò)一個(gè)設(shè)備就要增加一點(diǎn)延時(shí)，同步具有相對(duì)性；第三就是這個(gè)數(shù)據(jù)流可以比做是增加了以太網(wǎng)報(bào)頭的“IEEE1394”結(jié)構(gòu)，所以所有設(shè)備都不具備識(shí)別以太網(wǎng)MAC地址的能力，也就是說(shuō)它們不是通過(guò)以太網(wǎng)的MAC地址尋址方式通信的（CobraNet是通過(guò)MAC尋址），這樣來(lái)的好處是避開(kāi)了以太網(wǎng)封裝/去封裝過(guò)程，使得網(wǎng)絡(luò)延時(shí)大大縮短，不利之處就是網(wǎng)絡(luò)中不能包含有任何其它數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)，當(dāng)然也包括普通IP數(shù)據(jù)，因?yàn)樗械腅therSound設(shè)備無(wú)法識(shí)別這些“

14、雜質(zhì)”，這使得EtherSound網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展功能變的復(fù)雜化。5、內(nèi)核原理對(duì)比a、CobraNet內(nèi)核結(jié)構(gòu)上圖中的左側(cè)四個(gè)接點(diǎn)為輸入內(nèi)容，除了基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)外可以傳送同步音頻數(shù)據(jù)和非同步的串口和IP數(shù)據(jù)。通過(guò)DSP將同步數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)時(shí)鐘同步，以確定如何將同步音頻數(shù)據(jù)流“切割”成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包分發(fā)出去，并且利用同步周期內(nèi)的空余時(shí)間將非同步串口和IP類(lèi)型數(shù)據(jù)分發(fā)出去?！癊thernet MAC”負(fù)責(zé)把全部的數(shù)據(jù)包按照MAC地址包裝成符合以太網(wǎng)要求的格式，在定時(shí)器（ OP Timer）的控制下有節(jié)奏的通過(guò)以太網(wǎng)線圈（Ethernet PHY）發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去。 隨著技術(shù)的發(fā)展，很多復(fù)雜的功能可以編程到IC模塊

15、中，而且遠(yuǎn)程控制和升級(jí)非常容易，最關(guān)鍵的是制造成本大幅度下降了。這些技術(shù)在CM-2標(biāo)準(zhǔn)模塊中都得以實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)下圖。CS1810/CS4961系列芯片集成了大部分CobraNet合成功能，其它廠家只需要添加進(jìn)來(lái)幾個(gè)通用的以太網(wǎng)芯片（類(lèi)似于制造網(wǎng)卡）就可以生產(chǎn)CM-2了。b、EtherSound內(nèi)核結(jié)構(gòu)上圖是標(biāo)準(zhǔn)的ES/ES100/ESGiga設(shè)備，右側(cè)紅線標(biāo)注的100M以太網(wǎng)接口在ES設(shè)備上沒(méi)有，其它兩種設(shè)備上有。這是因?yàn)槲覀兿惹坝懻摰哪莻€(gè)問(wèn)題，因?yàn)镋therSound數(shù)據(jù)流為了降低延時(shí)，采用了類(lèi)似IEEE1394總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包，并改換了報(bào)頭去適應(yīng)以太網(wǎng)，但是由于它終究不是MAC類(lèi)型的以太網(wǎng)分發(fā)

16、協(xié)議類(lèi)型，所以不能在以太網(wǎng)絡(luò)中和其它類(lèi)型的數(shù)據(jù)混合傳輸，為了克服 EtherSound的控制信號(hào)傳遞缺陷，廠家從模塊的FPGA打開(kāi)了另外一個(gè)以太網(wǎng)端口（其功能和RS232端口非常類(lèi)似，只是輸出格式不同而已）。但是要注意的是這個(gè)端口不能和音頻EtherSound網(wǎng)絡(luò)共用一個(gè)VLAN，需要另外建立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣做的好處還有配置電腦無(wú)須連接到“Primary Master”上也可以工作了。 EtherSound的FPGA內(nèi)核是存放程序和數(shù)據(jù)的地方，所以寄存器的大小直接決定了音頻的傳輸能力。ES系列寄存器有兩種，一個(gè)是MSx 88 EepROM 200k DR可以提供8路輸入/8路輸出的能力，另外一種

17、是S2 PROM 100k DR的小容量存儲(chǔ)器FPGA，只能提供2通道音頻輸出的能力。6、延時(shí)對(duì)比a、CobraNet延時(shí)特性b、EtherSound延時(shí)特性EtherSound是采用DownStream方式傳輸音頻數(shù)據(jù)流，由于不依賴(lài)于以太網(wǎng)的MAC尋址方式，而且具有固定的報(bào)文長(zhǎng)度，并依靠以太網(wǎng)前導(dǎo)字符串做自同步，這些條件促使了EtherSound無(wú)須花費(fèi)更多的時(shí)間去處理復(fù)雜的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系，類(lèi)似于IEEE1394這樣的總線傳遞時(shí)間就可以完成。EtherSound的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)最主要就是建構(gòu)DownStream數(shù)據(jù)流需要花費(fèi)6個(gè)采樣時(shí)間（若音頻采樣頻率為48kHz時(shí)，一個(gè)采樣時(shí)間就是1/480

18、00s，那么6個(gè)采樣就是125s，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度是固定的）。按這樣計(jì)算，若一個(gè)音頻輸入信號(hào)通過(guò)了3個(gè)ES設(shè)備和一個(gè)存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)型交換機(jī)并輸出的話(huà)，那么它的總傳輸延時(shí)見(jiàn)下圖的計(jì)算分析：若采用菊花鏈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，那么每增加一個(gè)ES節(jié)點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)DownStream只增加了2s，即使增加了10個(gè)ES設(shè)備才相當(dāng)于一個(gè)采樣時(shí)間的寬度（1/48000s）?？梢?jiàn)這么短的延時(shí)量用在現(xiàn)場(chǎng)演出系統(tǒng)中是無(wú)法察覺(jué)的。由于EtherSound技術(shù)是基于總線傳輸方式發(fā)展起來(lái)的，它的自同步方式?jīng)Q定了其接力傳輸距離理論上可以無(wú)限制的遠(yuǎn)，只是從輸入到輸出端，每增加一個(gè)ES節(jié)點(diǎn)就增加了2s而已。另外一個(gè)引入的問(wèn)題就是采用共享帶寬的結(jié)構(gòu)

19、以后，一個(gè)EtherSound系統(tǒng)的單向最大傳輸能力被“Primary Master”限定在64個(gè)通道。若要增加傳輸能力只能依靠擴(kuò)展總帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)，如 EtherSound Giga系統(tǒng)采用了1000M網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以單方向傳輸512個(gè)音頻通道。7、傳輸安全與網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)比aCobraNet傳輸安全與網(wǎng)絡(luò)管理方式CobraNet網(wǎng)絡(luò)可以并存在通用的以太網(wǎng)系統(tǒng)中，所以網(wǎng)絡(luò)中的其它類(lèi)型數(shù)據(jù)包（如IP數(shù)據(jù)包）可能會(huì)和CobraNet數(shù)據(jù)相互影響。當(dāng)未知的CM-1/CM-2設(shè)定在一些廣播數(shù)據(jù)包接收或高優(yōu)先級(jí)單播數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)下，可能會(huì)出現(xiàn)信息泄露問(wèn)題，此時(shí)可以采用私用（Private）高Bundle號(hào)碼（6528065535）方式進(jìn)行傳遞。采用Private方式傳遞信號(hào)必須要求發(fā)送和接收設(shè)備之間以固定的，MAC地址互相綁定，這就可以完全避免信息泄露問(wèn)題了。 CobraNet目前全面支持SNMP v1版本，使用任何標(biāo)準(zhǔn)的SNMP管理程序和MIB文件可以訪