توفر هذه المقالة حلاً مضمنًا لنظام البث الصوتي الرقمي Ethernet ، والذي يمكنه بسهولة تحقيق وظيفة البث الإقليمي لنظام البث. يعتمد النظام على بنية الذراع ويعتمد طريقة التحكيم الطرفي لتشغيل النظام للتحكم في تحقيق البث الإقليمي ، ويمكن تشغيل محتوى البث وحفظه في وقت واحد.
يشير نظام البث الصوتي الرقمي Ethernet بشكل أساسي إلى نظام البث الذي يستخدم Ethernet كوسيط إرسال لتقديم خدمات الصوت. يمكن استخدام إيثرنت لحل مشكلة الإرسال لمسافات طويلة للإشارات الصوتية. يسمح للمصممين بإنشاء بنية شبكة واسعة النطاق لتحقيق نقل آلاف الإشارات الصوتية الرقمية على الإيثرنت ، والاستفادة الكاملة من موارد الشبكة الحالية ، وتجنب مشكلة إنشاء الخطوط بشكل متكرر ، وتحقيق تكامل البث وشبكات الكمبيوتر . إنه يحل مشاكل جودة الصوت الرديئة ، وقابلية التداخل ، والصيانة والإدارة المعقدة ، والتفاعل الضعيف في أنظمة البث التقليدية. في الوقت نفسه ، من الممكن تحديد كل أو جزء أو مناطق محددة للبث الجماعي الاتجاهي ، الأمر الذي يكسر القيود التي تنص على أن أنظمة البث التقليدية يمكنها فقط أداء البث العام لجميع المناطق. تستخدم أنظمة البث الصوتي الرقمي Ethernet الحالية في الغالب إشارات التحكم للتحكم في محطة البث للانضمام إلى مجموعة البث المتعدد أو تركها في تحقيق وظيفة البث الإقليمية. من الضروري إرسال إشارة تحكم لجعل الجهاز ينضم إلى مجموعة البث المتعدد قبل أن يتحقق البث. ، أو أنشئ جدول خرائط معقدًا على جانب الخادم للحفاظ على حالة محطة التشغيل لتحقيق البث الإقليمي ، وهو أكثر تعقيدًا في التنفيذ.
1 التصميم الإنشائي
يعتمد هذا النظام على بنية C / S ، ويتكون من جزأين من طرف خادم نظام البث ومحطة بث نظام البث ، كما هو موضح في الشكل 1.
يتم تنفيذ خادم نظام البث على جهاز كمبيوتر ، وهو عبارة عن برنامج لجمع الإشارات الصوتية وتخزينها ونقلها عبر الشبكة بواسطة VC ++. يجمع هذا الجزء ويخزن الإشارة الصوتية من خلال ميكروفون ، ثم ينقل البيانات الصوتية إلى Ethernet عبر UDP لتحقيق وظيفة نقل البيانات الصوتية عبر الشبكة.
محطة تشغيل نظام البث عبارة عن محطة طرفية مدمجة تعتمد على LM3S8962 ، والتي يمكنها استقبال حزم بيانات IP الصوتية المرسلة إليها من Ethernet ، وتكمل شريحة فك تشفير الصوت MS6336 التحويل الرقمي / التناظري وتشغيل البيانات الصوتية
2 تصميم أجهزة محطة البث لنظام البث
تتبنى شريحة التحكم الرئيسية لمحطة بث نظام البث المتحكم الدقيق LM3S8962 المقدم من LuminaryMicro. هذه السلسلة من الرقائق هي أول وحدة تحكم قائمة على ARM CortexTM-M3 مع وحدة تحكم Ethernet داخلية. إنها أول شريحة ARM في الصناعة تدعم إيثرنت الصناعي (IEEE) ويمكنها بسهولة تنفيذ وظائف الشبكة.
تستخدم شريحة وحدة فك ترميز الصوت شريحة MS6336 التي تنتجها MOSA. الرقاقة عبارة عن محول صوت استريو رقمي إلى تناظري 16 بت ، وتنسيقات الإدخال الرقمي المدعومة هي Right Justifl-ed و Left Justified و I2S. تعتمد واجهة التحكم MS6336 ناقل I2C ، الواجهة سهلة الضبط. يحتوي جزء DAC على تيار دقيق ومستقر ، بالإضافة إلى طريقة فك تشفير متناظرة ممتازة ، ويمكنه إعادة إنتاج إشارات صوتية عالية الجودة.
شريحة التحكم الرئيسية LM3S8962 متصلة بواجهة RJ45 من خلال مكونات مغناطيسية ، وتستخدم لتلقي البيانات الصوتية من الإيثرنت. يوفر LM3S8962 إشارات تحكم وإشارات بيانات صوتية لرقاقة وحدة فك ترميز الصوت MS6336. يدعم LM3S8962 وظيفة I2C. توفر منافذ PB2 و PB3 إشارات ساعة وبيانات I2C على التوالي. يمكن توصيل هذين الدبابيس مباشرة بدبابيس وظيفة I2C الخاصة بـ MS6336 ، ويلزم وجود المقاوم للسحب. لا يدعم LM3S8962 تنسيق إدخال البيانات المطلوب بواسطة MS6336. تنسيق إدخال البيانات MS6336 في النظام يعتمد I2S. لذلك ، لتوفير البيانات الصوتية لـ MS6336 ، من الضروري استخدام برنامج منفذ GPIO من LM3S8962 لمحاكاة تنسيق إدخال بيانات I2S المطلوب بواسطة MS6336. في التصميم ، يتم استخدام منافذ PA5 و PA6 و PA7 لمحاكاة هذه الوظيفة. تتوافق الدبابيس الثلاثة مع إشارة اختيار قناة I2S وإشارة الساعة وإشارة البيانات على التوالي. قم بتوصيل هذه المسامير الثلاثة بدبوس وظيفة I2S في MS6336.
يوضح الشكل 2 هيكل الأجهزة لمحطة التشغيل لنظام البث الصوتي الرقمي Ethernet.
3 تصميم برامج نظام البث
ينقسم برنامج نظام البث إلى جزأين: برنامج خادم نظام البث وبرنامج محطة البث.
يدرك هذا التصميم تشغيل البيانات الصوتية في الوقت الفعلي ، لذلك يلزم ضمان الأداء في الوقت الفعلي لنقل البيانات الصوتية ، لكن متطلبات سلامة البيانات ليست صارمة للغاية ، ولن يؤثر مقدار ضئيل من فقدان الحزمة على تأثير التشغيل الكلي ، وبالتالي فإن البيانات الصوتية للنظام يعتمد الإرسال وضع نقل UDP. في نفس الوقت ، يعمل النظام في الشبكة المحلية وهناك عدد قليل من المستخدمين المؤقتين. لذلك ، تم اعتماد تخصيص عنوان IP الثابت لتبسيط تحقيق برنامج محطة التشغيل.
3.1 جمع وتخزين ونقل البيانات الصوتية على جانب الخادم من نظام البث
يتم تنفيذ عملية جمع البيانات الصوتية باستخدام وظائف واجهة برمجة تطبيقات WAVE الصوتية منخفضة المستوى. من أجل عدم التسبب في فقدان البيانات الصوتية ، يستخدم التصميم تخزينًا مؤقتًا مزدوجًا لتخزين البيانات الصوتية. تظهر عملية التنفيذ في الشكل 3.
عند امتلاء مخزن تسجيل مؤقت ، يرسل النظام على الفور مخزن تسجيل مؤقت آخر إلى جهاز التسجيل لمتابعة التسجيل ، ويجب على برنامج التطبيق قراءة البيانات الموجودة في مخزن التسجيل الكامل ومعالجتها. ثم اتصل بوظيفة waveInAddBuffer لإعادة تعيين المخزن المؤقت إلى جهاز التسجيل لإعادة التدوير.
من أجل منع فقدان البيانات الصوتية في عملية التسجيل ، لا يكفي ببساطة استخدام التخزين المؤقت المزدوج. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه عند امتلاء المخزن المؤقت ، سيقوم التطبيق بمعالجة البيانات الموجودة في المخزن المؤقت والثاني يتم استخدام المخزن المؤقت للتسجيل ، ويجب أن يكون وقت معالجة البيانات أقل من الوقت المطلوب حتى يكون المخزن المؤقت الثاني بالكامل مسجلة ، وإلا لم يتم إعادة تعيين المخزن المؤقت الأول إلى جهاز التسجيل بعد امتلاء المخزن المؤقت الثاني ، مما سيؤدي إلى فقد بيانات الصوت. عندما يكون معدل عينة الإشارة الصوتية كبيرًا ، فإن زيادة حجم المخزن المؤقت بشكل مناسب يمكن أن يحل هذه المشكلة بشكل فعال.
لحفظ محتوى البث لاستخدامه لاحقًا ، من الضروري حفظ محتوى البث في ملف WAV. ملفات WAV لها تنسيق رأس ثابت. قبل حفظ البيانات الصوتية ، تحتاج إلى ضبط رأس ملف WAV ، وإلا فلن يمكن تشغيل ملف WAV المحفوظ. في كل مرة يمتلئ فيها المخزن المؤقت للتسجيل ، ابحث أولاً عن نهاية ملف WAV ، ثم اكتب البيانات التي تم جمعها في نهاية الملف بدوره. عند انتهاء عملية البث بالكامل ، يتم حفظ جميع البيانات الصوتية في ملف WAV ، مما يحقق تخزين البيانات الصوتية.
عند امتلاء المخزن المؤقت للتسجيل ، من الضروري إرسال البيانات الصوتية المجمعة عبر الشبكة. في التصميم ، استخدم أولاً فئة Csocket لإنشاء مقبس ، ثم تحتاج فقط إلى تغليف البيانات المجمعة في حزمة IP وإرسالها. معدل أخذ العينات للإشارة الصوتية في هذا التصميم هو 44.1 كيلوهرتز ، قناة مزدوجة 16 بت. لتجنب فقدان البيانات الصوتية ، يتم تعيين حجم المخزن المؤقت للتسجيل على 1024B.
3.2 تحقيق البث الإقليمي
من التطبيقات المهمة لنظام البث الصوتي الرقمي Ethernet ليس فقط تحقيق بث المنطقة بأكملها ، ولكن أيضًا لتحقيق وظيفة البث المحلية ، أي البث إلى المحطة المحددة. لذلك ، يتم استخدام حزمة الإرسال المتعدد UDP لنقل البيانات في شبكة نقل حزم بيانات IP الصوتية. باستخدام حزم الإرسال المتعدد لنقل البيانات ، يمكن لجميع المطاريف المضمنة في المجموعة في شبكة المنطقة المحلية استقبال البيانات ، وتحقيق بث المنطقة بأكملها. من أجل تحقيق وظيفة البث المحلي ، تمت إضافة هيكل أمام البيانات الصوتية في التصميم ، كما هو موضح أدناه ، ويتم استخدام ملف التكوين لتخزين عنوان IP لكل طرف من النظام.
02 تصميم الأجهزة الطرفية لنظام البث الإذاعي
تتبنى شريحة التحكم الرئيسية لمحطة بث نظام البث المتحكم الدقيق LM3S8962 المقدم من LuminaryMicro. هذه السلسلة من الرقائق هي أول وحدة تحكم قائمة على ARM CortexTM-M3 مع وحدة تحكم Ethernet داخلية. إنها أول شريحة ARM في الصناعة تدعم إيثرنت الصناعي (IEEE) ويمكنها بسهولة تنفيذ وظائف الشبكة.
تستخدم شريحة وحدة فك ترميز الصوت شريحة MS6336 التي تنتجها MOSA. الرقاقة عبارة عن محول صوت استريو رقمي إلى تناظري 16 بت ، وتنسيقات الإدخال الرقمي المدعومة هي Right Justifl-ed و Left Justified و I2S. تعتمد واجهة التحكم MS6336 ناقل I2C ، الواجهة سهلة الضبط. يحتوي جزء DAC على تيار دقيق ومستقر ، بالإضافة إلى طريقة فك تشفير متناظرة ممتازة ، ويمكنه إعادة إنتاج إشارات صوتية عالية الجودة.
شريحة التحكم الرئيسية LM3S8962 متصلة بواجهة RJ45 من خلال مكونات مغناطيسية ، وتستخدم لتلقي البيانات الصوتية من الإيثرنت. يوفر LM3S8962 إشارات تحكم وإشارات بيانات صوتية لرقاقة وحدة فك ترميز الصوت MS6336. يدعم LM3S8962 وظيفة I2C. توفر منافذ PB2 و PB3 إشارات ساعة وبيانات I2C على التوالي. يمكن توصيل هذين الدبابيس مباشرة بدبابيس وظيفة I2C الخاصة بـ MS6336 ، ويلزم وجود المقاوم للسحب. لا يدعم LM3S8962 تنسيق إدخال البيانات المطلوب بواسطة MS6336. تنسيق إدخال البيانات MS6336 في النظام يعتمد I2S. لذلك ، لتوفير البيانات الصوتية لـ MS6336 ، من الضروري استخدام برنامج منفذ GPIO من LM3S8962 لمحاكاة تنسيق إدخال بيانات I2S المطلوب بواسطة MS6336. في التصميم ، يتم استخدام منافذ PA5 و PA6 و PA7 لمحاكاة هذه الوظيفة. تتوافق الدبابيس الثلاثة مع إشارة اختيار قناة I2S وإشارة الساعة وإشارة البيانات على التوالي. قم بتوصيل هذه المسامير الثلاثة بدبوس وظيفة I2S في MS6336.
يوضح الشكل 2 هيكل الأجهزة لمحطة التشغيل لنظام البث الصوتي الرقمي Ethernet.
3 تصميم برامج نظام البث
ينقسم برنامج نظام البث إلى جزأين: برنامج خادم نظام البث وبرنامج محطة البث.
يدرك هذا التصميم تشغيل البيانات الصوتية في الوقت الفعلي ، لذلك يلزم ضمان الأداء في الوقت الفعلي لنقل البيانات الصوتية ، لكن متطلبات سلامة البيانات ليست صارمة للغاية ، ولن يؤثر مقدار ضئيل من فقدان الحزمة على تأثير التشغيل الكلي ، وبالتالي فإن البيانات الصوتية للنظام يعتمد الإرسال وضع نقل UDP. في الوقت نفسه ، يعمل النظام في شبكة محلية مع عدد أقل من المستخدمين المؤقتين. لذلك ، تم اعتماد تخصيص عنوان IP الثابت لتبسيط تحقيق برنامج التشغيل الطرفي.
3.1 جمع وتخزين ونقل البيانات الصوتية على جانب الخادم من نظام البث
يتم تنفيذ عملية جمع البيانات الصوتية باستخدام وظائف واجهة برمجة تطبيقات WAVE الصوتية منخفضة المستوى. من أجل عدم التسبب في فقدان البيانات الصوتية ، يستخدم التصميم تخزينًا مؤقتًا مزدوجًا لتخزين البيانات الصوتية. تظهر عملية التنفيذ في الشكل 3.
عند امتلاء مخزن تسجيل مؤقت ، يرسل النظام على الفور مخزن تسجيل مؤقت آخر إلى جهاز التسجيل لمتابعة التسجيل ، ويجب على برنامج التطبيق قراءة البيانات الموجودة في مخزن التسجيل الكامل ومعالجتها. ثم اتصل بوظيفة waveInAddBuffer لإعادة تعيين المخزن المؤقت إلى جهاز التسجيل لإعادة التدوير.
من أجل منع فقدان البيانات الصوتية في عملية التسجيل ، لا يكفي ببساطة استخدام التخزين المؤقت المزدوج. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه عند امتلاء المخزن المؤقت ، سيقوم التطبيق بمعالجة البيانات الموجودة في المخزن المؤقت والثاني يتم استخدام المخزن المؤقت للتسجيل ، ويجب أن يكون وقت معالجة البيانات أقل من الوقت المطلوب حتى يكون المخزن المؤقت الثاني بالكامل مسجلة ، وإلا لم يتم إعادة تعيين المخزن المؤقت الأول إلى جهاز التسجيل بعد امتلاء المخزن المؤقت الثاني ، مما سيؤدي إلى فقد بيانات الصوت. عندما يكون معدل عينة الإشارة الصوتية كبيرًا ، فإن زيادة حجم المخزن المؤقت بشكل مناسب يمكن أن يحل هذه المشكلة بشكل فعال.
لحفظ محتوى البث لاستخدامه لاحقًا ، من الضروري حفظ محتوى البث في ملف WAV. ملفات WAV لها تنسيق رأس ثابت. قبل حفظ البيانات الصوتية ، تحتاج إلى ضبط رأس ملف WAV ، وإلا فلن يمكن تشغيل ملف WAV المحفوظ. في كل مرة يمتلئ فيها المخزن المؤقت للتسجيل ، ابحث أولاً عن نهاية ملف WAV ، ثم اكتب البيانات التي تم جمعها في نهاية الملف بدوره. عند انتهاء عملية البث بالكامل ، يتم حفظ جميع البيانات الصوتية في ملف WAV ، مما يحقق تخزين البيانات الصوتية.
عند امتلاء المخزن المؤقت للتسجيل ، من الضروري إرسال البيانات الصوتية المجمعة عبر الشبكة. في التصميم ، استخدم أولاً فئة Csocket لإنشاء مقبس ، ثم تحتاج فقط إلى تغليف البيانات المجمعة في حزمة IP وإرسالها. معدل أخذ العينات للإشارة الصوتية في هذا التصميم هو 44.1 كيلوهرتز ، قناة مزدوجة 16 بت. لتجنب فقدان البيانات الصوتية ، يتم تعيين حجم المخزن المؤقت للتسجيل على 1024B.
3.2 تحقيق البث الإقليمي
من التطبيقات المهمة لنظام البث الصوتي الرقمي Ethernet ليس فقط تحقيق بث المنطقة بأكملها ، ولكن أيضًا لتحقيق وظيفة البث المحلية ، أي البث إلى المحطة المحددة. لذلك ، يتم استخدام حزمة الإرسال المتعدد UDP لنقل البيانات في شبكة نقل حزم بيانات IP الصوتية. باستخدام حزم الإرسال المتعدد لنقل البيانات ، يمكن لجميع المطاريف المضمنة في المجموعة في شبكة المنطقة المحلية استقبال البيانات ، وتحقيق بث المنطقة بأكملها. من أجل تحقيق وظيفة البث المحلي ، تمت إضافة هيكل أمام البيانات الصوتية في التصميم ، كما هو موضح أدناه ، ويتم استخدام ملف التكوين لتخزين عنوان IP لكل طرف من النظام.
هيكل STRING
{سلسلة IPNO1 ؛
سلسلة IPNO2 ؛
...
سلسلة IPNO9 ؛
سلسلة IPNO10} ؛
عندما يكون من الضروري إجراء إذاعة إقليمية على مطاريف معينة ، حدد الأرقام المقابلة لهذه المطاريف على لوحة جانب الخادم من نظام البث (كما هو موضح في الشكل 4). في هذا الوقت ، تتم قراءة عنوان IP الخاص بالمحطة المحددة من ملف التكوين وتعيينه إلى المتغير المقابل في الهيكل. عندما يستقبل الجهاز الطرفي حزمة IP متعددة البث ، فإنه يقرر أولاً ما إذا كان للبنية نفس متغير عنوان IP الخاص به ، إذا كان هناك ، ثم يتم استلام البيانات وتشغيلها ، وإذا لم يكن الأمر كذلك ، يتم تجاهل البيانات ، وبالتالي تحقيق المنطقة وظيفة. مقارنة بطريقة استخدام إشارة تحكم للتحكم في محطة التشغيل للانضمام إلى مجموعة الإرسال المتعدد أو مغادرتها ، أو للحفاظ ديناميكيًا على جدول خرائط معقد لتنفيذ وظيفة البث الإقليمي. لا تحتاج هذه الطريقة إلى التحكم بشكل تفاعلي في محطة التشغيل قبل كل بث ، ولا تحتاج إلى تتبع حالة الجهاز بشكل ديناميكي. يحتاج فقط إلى كتابة عنوان IP المقابل للجهاز في ملف التكوين عندما ينضم الجهاز إلى النظام لأول مرة. الوظيفة سهلة التنفيذ.
3.3 تحقيق برمجيات محطة بث نظام البث
يتم تقسيم محطة بث نظام البث إلى جزأين لتحقيق ذلك ، ويتم استخدام جزء استقبال البيانات الصوتية لتلقي البيانات الصوتية وتخزينها وإعادة توجيهها ، ويدرك جهاز فك تشفير الصوت تحويل D / A وتشغيل الإشارة الصوتية. يعتمد جزء استقبال البيانات الصوتية على برمجة المقبس لتلقي البيانات الصوتية من Ethernet. بعد استلام حزمة البيانات الصوتية ، يجب أولاً تحديد ما إذا كانت حزمة البيانات مخصصة لنفسها. يقارن الجهاز الطرفي متغير العضو لبنية الهيكل STRING في حزمة IP بعنوان IP الخاص به ، وإذا كان أي متغير عضو مساويًا لعنوان IP الخاص به ، فإنه يخزن البيانات في الحزمة ، وإلا فإنه يتجاهلها.
يتم استلام البيانات الصوتية وتخزينها في قائمة انتظار دائرية. نظرًا لاضطراب إرسال بيانات UDP ، يجب فرز حزم البيانات الصوتية بعد تلقي البيانات الصوتية عند الطرف المتلقي للبيانات الصوتية لضمان المعالجة المتسلسلة للبيانات الصوتية والاستعادة الصحيحة للإشارة الصوتية. في الوقت نفسه ، لتجنب تقلب الشبكة ، تتم معالجة البيانات في كل مرة عندما يكون هناك 5 حزم على الأقل في قائمة الانتظار الدائرية.
تنسيق إدخال البيانات MS6336 في التصميم يعتمد تنسيق I2S. نظرًا لأن LM3S8962 لا يدعم تنسيق البيانات هذا ، فقد تم اعتماد محاكاة البرامج لتحقيق وظيفة I2S من خلال منفذ GPIO. لاستعادة الإشارة الصوتية بالكامل ، من الضروري التأكد من أن توقيت إشارة I2S صارم ودقيق ، وأن التحويل بين المستويات العالية والمنخفضة يتم تنفيذه بواسطة برنامج تأخير. يظهر مخطط توقيت I2S في الشكل 5.
يبلغ تردد ساعة محطة البث في نظام البث 40 ميغا هرتز ، والوقت لإرسال كل بتة بيانات هو 600 نانوثانية محسوبة من معدل أخذ العينات. يوفر LM3S8962 البيانات الصوتية لـ MS6336 ، ويحقق الإرسال التسلسلي عبر منفذ GPIO وفقًا لنقطة أخذ العينات. تحتوي كل نقطة عينات على أربعة بايت ، وتظهر عملية إرسال البيانات لنقطة أخذ العينات في الشكل 6.
4 تحليل النتائج
حجم حزمة البيانات الصوتية المرسلة من قبل النظام عبر إيثرنت هو 1024B. من أجل تجنب ارتعاش الشبكة ، يبدأ الجهاز في البث عند تلقي 5 حزم بيانات. يبلغ وقت تأخير البث حوالي 30 مللي ثانية ، وهو ما يفي بالمؤشرات الوظيفية. يمكن أن يتحكم جانب الخادم في عمل 10 محطات إذاعية في نفس الوقت. من خلال اختيار رقم المطراف المقابل على جانب الخادم ، يمكن تحقيق وظائف البث والإذاعة المحلية بالكامل لنظام البث بنجاح.
5 الخاتمة
بدءًا من الاحتياجات الفعلية ، نقوم بتصميم وتنفيذ نظام البث الصوتي الرقمي Ethernet. تُظهر النتائج التجريبية أن محطة تشغيل النظام تقرر ما إذا كان سيتم إجراء بث صوتي لتحقيق البث الإقليمي طريقة بسيطة وفعالة لتحقيق البث العالمي والإذاعة الإقليمية للإشارات الصوتية. تتبنى محطة مشغل النظام محاكاة برنامج منفذ GPIO لتحقيق وظيفة I2S ، والتي يمكنها تحقيق توقيت I2S بدقة ، وإكمال نقل البيانات للإشارة الصوتية ، وتحقيق البث في الوقت الفعلي للإشارة الصوتية. هيكل التصميم معقول ، ويمكن أن يدرك بسهولة توسع الوظائف ، مثل بث التوقيت ، وتشغيل الموسيقى ، والإدارة عن بعد ، والمراقبة في الوقت الفعلي ، وما إلى ذلك. هذا التصميم له أهمية عملية مهمة ويوفر أساسًا لحل بث Ethernet الكبير والمعقد أنظمة.
لدينا غيرها من المنتجات:
