Что такое аудиошлюз

Что такое аудиошлюз

Авторы: Stefan Schmitt, Dr. Jochen Cronemeyer

Статья рассматривает свойства сетей Ethernet по отношению к требованиям, предъявляемым для передачи аудио данных. В данной работе рассмотрены такие аспекты построения аудио сетей как синхронизация, задержка и другие

Вступление
Решения для передачи звука, основанные на инфраструктуре Ethernet-сети уже давно доступны на рынке.Самые распространенные из них — это CobraNet, EtherSound, AVB и Dante. Далее мы постараемся рассмотреть плюсы и минусы их применения в различных сценариях.

1. Введение

Требования к современным профессиональным аудио технологиям таковы:
— сигнал должен передаваться без потери качества,
— максимальная задержка не должна превышать 10 ms,
— звуковой тракт должен обеспечивать многоканальную передачу данных с низкой интерференцией,
— возможность гибкой маршрутизации сигнала.

В то же время, затраты на материалы и инсталляцию должны быть меньше, чем для обычных систем.

Транспортные системы для цифровых аудио протоколов, основанных на методе точка-точка, такие, например, как AES3, TDIF, ADAT и MADI, имеют критический недостаток — они нуждаются в выделенной инфраструктуре, в то время как системы, основанные на методе передачи в Ethernet сетях, могут использовать существующую IP инфраструктуру для передачи данных в реальном времени.

Кроме преимуществ и возможностей, которые предоставляет такой метод построения аудио комплексов, есть, однако,также важные аспекты, такие как: задержка, синхронизация и надежность, которые должны приниматься во внимание при выборе и интеграции сетевых методов передачи в новые технологические компоненты профессионального аудио.

Технологии построения аудио сетей, которые мы рассмотрим здесь — Cobranet, EtherSound, AVB и Dante – построенные на OSI Layer 2 и Layer 3 и доступны для приобретения в настоящее время. Эти решения имеют наиболее широкое коммерческое распространение в отличие от других сетевых решений, использующих Ethernet, но существующих только в виде специфических аудио компонентов. Данная статья рассматривает особенности работы Cobranet, EtherSound, AVB и Dante в режиме реального времени. Решения сравниваются и рассматриваются на предмет пригодности для использования в различных сценариях применения. Таким образом, менеджеры и разработчики будут обеспеченны средствами принятия решений, выбирая между методами интеграции, имеющимися на рынке.

2. Общий анализ
CobraNet®,
разработанный в 1990-х годов компанией Peak Audio, является первой, коммерчески успешной, реализацией аудио по витой паре. Этот протокол основан на Ethernet Layer 2. На сегодняшний день интерфейс CobraNet® реализован многими производителями профессионального аудио оборудования и, в основном используется в средних и крупных инсталляциях. Таких, например, как конгресс центры,стадионы, концертные залы и т.д. В 2001 году технология CobraNet® была куплена Cirrus Logic, и, как результат, на рынке появились сравнительно не дорогие устройства, интегрированные в уже имеющееся у производителей оборудование. CobraNet® является одним из методов, которые использует стандартную инфраструктуру Ethernet, соответствующую IEEE 802.3, для аудио транспорта, передачи данных на OSI Layer 2. Доступные ASICs поддерживают только 100 Мбит Ethernet (например,100BaseT). Сетевые сегменты могут состоять из линий с более высокой скоростью передачи данных (≥ 1 Гбит).

EtherSound®, также протокол 2-го уровня OSI, является разработкой французской компании, Digigram которая впервые представила его в 2001 году. В 2003 году были осуществлены первые инсталляции с применением этой технологии. В 2006 году появились функционально продвинутые версии EtherSound®. В начале ES-100, а затем и ES-Giga. К сожалению, эти протоколы не совместимы друг с другом.
При разработке EtherSound® акцент был сделан на упрощенной коммуникативной системе для живых выступлений. Также, по сравнению с CobraNet®, разработчики хотели предельно минимизировать сетевые задержки. Вот почему EtherSound® использует последовательную структуру, в которой звуковые данные передаются с устройства на устройство, а не через интеллектуальную маршрутизацю, дающую большую задержку.

Dante® сетевой метод передачи аудио сигналов. Разработка начата австралийской компании Audinate в 2006 года (год подачи патента). Он передает звуковые данные на OSI Layer 3, в пакетах UDP, в 100 Мбит или 1 Гбит Ethernet сетях. На момент написания статьи, усилия Audinate были сконцентрированны на распределение и лицензирование Dante® среди производителей профессионального аудио оборудования. Эта работа направлена на минимизацию начальных препятствий, возникающих у потенциальных интеграторов за счет продажи стандартных компонентов в форме звуковых и сетевых карт.
Особенностью Dante®, по сравнению с другими тремя способами является то, что этот протокол может быть интегрирован в сеть состоящую из обычных маршрутизаторов. Это связанно с особенностями транспорта по IP. Также Dante® использует технологию нулевой конфигурации Zeroconf, что означает, что полностью поддерживает PLUP&PLAY.

AVB абривиатура — Аудио Video Bridging. Новый сетевой стандарт создаваемый при участии AVNU (альянс производителей профессионального оборудования). Этот протокол основан на OSI Ethernet Layer 2 и является единственной некоммерческой технологией, которая будет рассмотрена в этой статье. AVB в настоящее время стандартизирован группой IEEE 802.1 как IEEE 802.1-AVB. На момент написания статьи стандартизация еще не была закончена. Она будет состоять из стандартов IEEE802.1BA (Audio Video Bridging Systems), IEEE 802.1AS (Протокол Точного Времени), IEEE 802.1Qat (Stream Reservation Protocol, принят в 2010году) и IEEE 802.1Qav (Queuing and Forwarding Protocol, принят в 2010году).
AVB сосредоточен на конвергенции сетевых технологий и высокого качества в режиме реального времени и мультимедийных данных. Указанные протоколы будут интегрированы в специализированные чипсеты сетевых технологий различных производителей еще до окончательного принятия стандартов.

3. Основные особенности сетевой передачи аудио данных
По разным причинам, менеджеры и разработчики новых аудио-компонентов в настоящее время сталкиваются с проблемами принятия решения о выборе метода для сетевой передачи звука, лучше всего подходящего для интеграции в их продукт. Требованиям для сетевой передачи звука, которые являются отправной точкой для определения продукта в этом процессе таковы:

Основные функции:
— топология и маршрутизация
— количество каналов и качество канала
— расстояния
— система конвергенции

Критические функции:
— Синхронизация
— Задержка
— Надежность и Доступность

Дополнительные функции:
— Встроенный протокол управления
— Возможность управления транспортом видео и аудио в реальном времени

В следующих разделах, особенности Cobranet, EtherSound, AVB и Dante будут проанализированы в соответствии с этими функциями.

3.1 Топология и Маршрутизация
EtherSound особенно хорош для использования в живом звуке или гастрольных турах. Его построение, последовательное или использующее «кольцо», сочетает в себе простоту построения инфраструктуры с минимальной задержкой.

Типичные IP-сети, следуют концепции структурированной кабельной сети зданий, что подразумевает иерархическую структуру, а также структурированние по корпусам и этажам с помощью маршрутизаторов.

В топологии звезда и дерево потоки распредиляется с помощью сетевых свитчей. При этом если используется существующая инфраструктура совместно с передачкй аудио в реальном времени, Dante имеет преимущество, так как он создан на основе IP. Преимущество заключается в том, что Dante не имеет специальных требований к оборудованию сети. Можно передавать аудио данные через обычные маршрутизаторы.

AVB и Cobranet могут быть интегрированы в любую IT инфраструктуру поддерживающую OSI Layer 2 и позволяют использовать все топологии, которые разрешены в Ethernet, в том числе и с кольцевыми структурами. При этом необходимо принять соответствующие меры для осуществления управления пакетами данных. AVB является единственным методом, который требует реализации специальных AVB-совместимых сетевых коммутаторов.

3.2 Качество канала
Негласным стандартом на сегодняшний день является 24 битное семплирование цифрового слова. Частоты дискретизации 44,1 кГц, 48 кГц, 96 кГц и даже 192 кГц. В Audio CD, используется частота дискретизации 44,1 кГц. Этого достаточно для захвата и записи аудио сигналов с частотой до 20 кГц. Во многих других аудио устройств, частота дискретизации составляет 48 кГц.

Формат 24 бита 48 кГц берется в качестве основы для всех дальнейших уточнений в этой статье.

Хотя Cobranet и EtherSound способны передавать максимум данных с максимальной частотой дискретизации 96 кГц в реальном времени, в случае использования AVB и Dante этот параметр может быть увеличен до 192 кГц. Для всех приложениях, справедливо утверждение: «чем выше частота дискретизации аудио-данных тем ниже максимальная пропускная способность сети».

3.3 Количество каналов и дистанция
Количество аудио каналов для передачи одновременно зависит от следующего:
Для того, чтобы иметь возможность оперировать большым количество аудио сигналов в разных местах здания на территории одного комплекса,требуется сетевая структура передачи. Если число звуковых каналов, которые можно передавать больше, чем количество физических источников сигнала, то выбранный метод имеет достаточную ёмкость, чтобы иметь максимальный доступ к источникам сигнала в сети.

Вы, как правило, должны следить за тем, что бы максимальное количество передаваемых аудио каналов в кабельной сети между аудио устройствами или сетевым коммутатором (линком) была достаточно высока.

В линке Cobranet, может быть переданно до 64 звуковых каналов, когда используется устройство маршрутизации Cirrus Logic CS181022. Конечные устройства Cobranet могут общаться и передавать до 16 звуковых каналов между интегрированным сетевыми интерфейсами I8S. Реализация 100BaseT с подключением до 64 каналов возможна, если используются четыре компонента CS181022.

EtherSound и AVB также способны передавать до 64 аудио каналов в любом направлении. Dante обеспечивает передачу толко 48 каналов в 100BaseTлинке. Cobranet, EtherSound и AVB используют OSI Layer 2 – и, как следствие, собственный Ethernet dataframe определеный в каждом конкретном случае. Поэтому они могут существовать только в рамках одной подсети. Dante передает данные на OSI Layer 3 и,поэтому, может транспортировать аудио данные через маршрутизаторы. Следовательно, поток данных, формируемый Dante, может быть передан за пределы одной подсети.

3.4 Роутинг и Задержка
В отличие от Cobranet, AVB и Dante, которые позволяют абсолютно свободную логическую маршрутизации в сети, EtherSound ограничивает варианты маршрутизации, в пользу уменьшения задержки.

EtherSound требует последовательной, закольцованной, схемы соединения от первого до последнего устройства. Это означает, что потоки данных должны транспортироваться через все конечные устройства (один «hop» на каждое конечное устройство), для того,чтобы получить их из одного конца в другой. Следовательно, именно трассировка определяет в EtherSound, систему маршрутизации. В Cobranet, AVB и Dante, отдельные пакеты данных содержат адрес, таким образом, Вы можете полностью контролировать маршрутизацию.

Впрочем, как любая жесткая структура, не имеющая динамической маршрутизации, EtherSound достигает очень низкой задержки — 0,125 мс, а также 1,4 мкс на » hop «. В то же время, структура последовательных соединений очень выгодна для живого звука в гастрольном туре,поскольку комплекс, не содержит многоуровневые дендритные сети, которые не надо собирать, настраивать и демонтировать после окончания сессии (тура, мероприятия); вместо этого, необходимо проложить только один кабель (два линка) от первого до последнего устройства в цепи.
Для сравнения, минимальная задержка в сети Cobranet составляет 1,3 мс. Для AVB, минимум составляет 0,25мс, для Dante примерно 0.8ms. Надо отметить что для AVB (как и для Dante) задержка в каждом конкретном случае пропорционально скорости передачи, то есть с 1000BaseT, для примера, только 25мкс и/или 80 мкс. Если скорость передачи больше то задержка будет меньше.

3.5 Синхронизация
В сетях Cobranet, одно устройство(так называемый «диспетчер») передает так называемый бит-пакет, со скоростью 750 раз в секунду (каждые 1,3 мс). Все абоненты сети в течение интервала бит пакета должны подтвердить контрольную сумму для всех 64 каналов (максимальное значение). AD / DA конверторы, синхронизируются в соответствии с данными бит пакета.

В сетях EtherSound, синхронизации решается несколько проще, потому что так называемые «Primary Master»,стоящий во главе цепочки, активирует и контролирует весь нисходящий трафик, так что никакого специального бит пакета или аналога этого не требуется.

В AVB и Dante, общая концепция синхронизации определяется во всей сети в соответствии с IEEE1588. Это означает, что работа всех AD и DA преобразователей в сети синхронизирована априоре. Отклонение для обоих методов составляют <1 мкс.

По сравнению с этим, в EtherSound,теоретически, задержка может увеличивается с каждым hop на прибл. 1,4мкс, вCobranet, хоп задержка идет от 1 мкс до более чем 100 мкс соответственно в зависимости от сетевой нагрузки (слабым звеном являются сетевыесвитчи). На самом деле нельзя не отметить, что и в EtherSound, и в комплексе древовидных сетейCobranet, алгоритм происхождения задержки является потенциально очень серьезной проблемой, по сравнению с AVB и Dante. Это может оказать нежелательные звуковые эффекты.

3.6 Система конвергенции
Cobranet способен передавать Ethernet данные, а также асинхронные команды управления совместно с пакетами аудио-данных. В Cobranet, функция передачи управления асинхронного пакета данных называется «Serial Brige». Она состоит из физического интерфейса на чипе Cobranet для подключения RS232, RS485, или аналогичных интерфейсов и возможности транспортировки со скоростью 57,6 Кбит через сеть Cobranet. Данные управления передаются в пакеты Ethernet циклически в пределах изохронного циклаCobranet. Использование того метода, позволяют Cobranet оперировать данными Ethernet: в конечных устройствах Cobranet, данные управления и Ethernet данные записываются в центральном процессоре в чипе Cobranet и от него сообщается в пакете другим оконечным устройствам Cobranet. Поскольку чип Cobranet контролирует пропускную способность на всем узле, он формирует приоритет аудио данных по отношению к данным управления и Ethernet данных, так что изохронный цикл не может быть захвачен данными управления, и, как следствие, не может быть причиной буферизации аудио, и слышимых артефактов. Тем не менее, аудио артефакты имеют место в сетях Cobranet, если внешние данные Ethernet проникать из общей сети с помощью коммутаторов при неправильно выставленном прерывании. Эту проблему можно решить с помощью управляемых коммутаторов, которые поддерживают технологииVLAN, в соответствии с IEEE 802.1Q.

EtherSoundтакже оставляет за собой полосу пропускания для транспортировки управления данными. 768 кбит может передаваться в 100 Мбитную сеть вместе с пакетами аудио данных от»Primary Master» в нисходящем канале и затем в восходящем снова в»Primary Master» для завершения цикла конфигурации. Совместное использование сетей не относящихся к EtherSound,как это имеет место в Cobranet, также потенциально ведет к образованию аудио артефактов.

AVB, для сравнения, требует использования AVB-совместимых свитчей. Это явное преимущество, так как данные,не относящиеся к AVB, не могут разрушить трафик аудио транспорта.

Особенности OSI Layer 3 используемыеDante, в частности QoS функции сетевых коммутаторов, так же, как они используются для трафика VoIP, дают приоритеты Dante данных перед данным не относящимися к трафику протокола непосредственно. Кроме того, Dante может испоьлзовать Layer-2 AVB, который также позволяет сконфигурировать сеть для достижения приоритета аудио трафика.

И так, в вопросах транспорта и взаимодействия трафиков данных управления и аудио данных AVB и Dante, гораздо лучше по сравнению с Cobranet и EtherSound.

3.7 Надежность и Доступность
Высокая степень доступности аудио каналов при максимально возможной степени устойчивости к помехам являются абсолютной необходимостью в профессиональной аудио-технологии. Мы можем различать две основных причины помех:
— Неверно выбранный метод передачи
— Неисправность оборудования или коммуникаций

Как уже говорилось в предыдущем разделе 3.6, Cobranet и EtherSound чувствительны к воздействию внешних Ethernet-данных, так как они не могут контролировать их. AVB и Dante не имеют этой проблемы, если все требования (например,QoS) выполнены.

Однако в методах, которые мы рассмотрели в данной статье, реализованы меры предосторожности, чтобы предотвратить возможные сбои в инфраструктуре:
Каждое устройство Cobranet оснащена двумя сетевыми соединениями. Во время обычной операции, только одно из двух соединений является активным. Система автоматически переходит на Secondary link, как только первое (Primary) обнаруживает неисправность соединения. Если оба интерфейса подключаются к сетевому коммутатору, этот подход, прежде всего, защищает целостность соединений Cobranet сети, но не саму сеть. Более того, может произойти, что так называемые «Диспетчер», то есть устройство синхронизации Cobranet сети, вышло из строя. В случае, подобном этому, аудио транспорта во всей сети прерывается на несколько миллисекунд пока другое устройство не возьмет на себя функцию диспетчера.

В EtherSound у всех устройств всегда есть два сетевых соединения (передача, прием). Стандарт ES-100 EtherSound позволяет всем EtherSound конечным устройствам, которые будут подключены в кольцо, используя специальные сетевые коммутаторы. При этом одному устройству отводится роль «Prefered Primary Master» (PPM). Это отделяет кольца во время нормальной работы, так что не может возникнутьпреполнения буфера. При возникновении ошибки, например, разрыв кабеля или выходе устройства из строя , PPM закрывает кольцо это автоматически означает, что все устройства и компоненты, кроме неисправного, снова в сети. Эта функция аналогична Spanning Tree Protocol (IEEE 802.1D). В случае выхода из строя Primary Master, EtherSound может потребоваться до трех секунд, пока функция синхронизации не перейдет на другой мастер — в это же время конечные устройства работают в режиме «emergency clock” mode», синхронизация ведется от местных мастер приборов. Расхождение тактовой частоты в этот период может привести к буферизации аудио и, в отдельных случаях, привести к образованию аудио артефактов.
На момент публикации статьи AVB не имело собственной концепции резервирования.

Dante позволяет полное резервирование сети. Для этой цели Audinate продает так называемые «Dante Core Module DCM «, который оснащен двумя сетевыми разъемами и которые при аварии, должны позволять сети осуществлять передачу без каких-либо сбоев.

3.8 Управление и передача медиа контента в реальном времени
Cobranet и EtherSound есть ограничение на использование форматов цифровых аудиосигналов.
AVB распознает все типы носителей для передачи сжатого аудио и видео данных, которые указаны в IEC 61883.
Так как, теоретически, Dante может использовать сеть AVB, все эти виды медиа информации также являются доступными для Dante.

4. Так кто же лучший?
Какой метод является лучшим для передачи аудио-приложений? В статье показано, что ни один из методов не является абсолютным лучший решением. Все методы, выполняют реальные потребности времени и, в определенной степени специализированы для реализации в разных областях профессионального аудио.

По сравнению с Cobranet, EtherSoundимеет очень низкие задержки в сети из 125 мкс. Именно поэтому она широко используется в продуктах для живого звука и гастрольных турах. Cobranet, с другой стороны, весьма предпочтителен для систем оповещения и т.д, потому что он может быть легко интегрирован в обычную СКС. Применение Cobranet ограничивается для инсталляций не критичных к возникновению задержки не менее 1,3 мс. Не смотря на эти недостатки, оба метода широко используются и успешно прошли полевые испытания. Таким образом, интеграция обоих методов является относительно безрисковой.С технической точки зрения. AVB и Dante появились в 2006 году, то есть через четыре года после EtherSound и Cobranet. Оба метода используют прогрессивные форматы синхронизации аудио на основе стандарта IEEE1588. Хотя AVB требует использования АВБ-совместимых сетей, оборудование для этого уже есть в продаже. И можно надеяться, что по мере принятия стандарта, оно будет доступно у более широкого круга производителей. От Dante нет никаких известных требований в плане использование специализированного оборудования. Поскольку AVB будет полностью совместим с IEEE — стандартизированных к концу 2011 — члены «AVnu» обязуются решать проблемы совместимости устройств AVB. Однако, по сравнению с Dante, AVB имеет то огромное преимущество – стандарт является абсолютно открытым. Технически, Dante предоставляет плагин, что делает установку проще. НО! Dante не требует никаких специальных компонентов AVB, только в тех случаях, когда сетевая инфраструктура может справиться с функциями QoS. С другой стороны, AVB может предложить несколько лучше — функции синхронизации.
Будет ли возможность интеграции Dante и AVB которое одновременно обеспечивает реальное преимущество обоих методов в совместной — пока большой вопрос.
AVB добивается внедрения своей технологии в рынок живого звука бродкаста. Кроме того, «AVnu» также пытается позиционировать AVB в автомобильный и потребительский рынки. Особенностью Dante заключается в транспорте аудио данных на основе UDP / IP вместо Ethernet MACпакетов, это означает возможность маршрутизации 3-го уровня. И соответственно межсетевое общение в реальном времени.

Источник: sinergos.ru

Оригинал: http://www.dspecialists.com/sites/default/files/publication/110126a_networking_paperembeddedworld2011_paperen_final_st_jc.pdf



Источник: dealer-center.ru


Добавить комментарий