数字音频网络产品的进化式飞跃

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Cirrus Logic公司CobraNet技术面向更多新产品应用

---进化论宣称,基因突变是进化过程中的突发巨变,是一种跨越物种的过渡形态。数字音频市场也经历了类似的基因突变。半导体设计和数字信号处理的最新技术发展相结合降低了成本,加快了新型网络数字音频产品的上市时间。这两种技术的结合不仅使制造现有网络数字音频产品的成本降低,而且创造了把数字处理与网络数字音频结合在一起的可通过网络进行控制和管理的新一代产品。同时,制造商们可以在中档和低档产品中提供这些优势,吸引那些因先前价格昂贵而望而却步的消费者投资于数字网络。
---下面简要回顾数字音频处理技术的进化历程,这将有助于我们了解该技术发展过程中的重要里程碑及其突破所带来的商业利益。

一、数字音频网络克服了复杂的音频安装方面模拟系统的局限性
---在模拟音频系统中,音频信号按照专用的路径运行,每一个音频轨道都要与一条音频电缆相连。在多房间和长距离的安装过程中,音频设备往往需要通过矩阵交换、分布式放大器和接线板连接在一起。对音频内容的管理和监控,以及对系统设备的控制也需要附加硬件设备和电缆。而且在模拟系统中,系统的重新配置是一个复杂而耗时的过程。如果系统安装完成后出现任何问题,往往需要繁复的检查和重新连接电缆。所有这些无疑都将增加成本。
---数字音频网络是利用基于以太网的硬件、软件及传输协议实现的,它极大地简化了网络设计、安装和设备的管理。在基于以太网的音频网络中,相同轨道上的音频和控制数据通常是在单CAT-5e 非屏蔽双绞线中传送的,这样就极大地降低了导管和安装的成本。每个网络音频设备都可以在同一个以太网上进行独立的监控。因为以太网在数字音频网络中是音频传输的中枢,位于网络中心的以太网控制交换器可为音频网络提供同样的路由功能,该功能与其在数据网络中的传统功能相似。网络数字音频可以输出到单个或多个目的地。以太网交换器首先读取地址信息并把数字音频准确地传送到目的地。音频路由的改变不再需要人工接线或购买昂贵的音频路由器;正相反,改变音频路由现在只需更改地址信息就可以了,而更改地址信息可以轻易地在瞬间完成。
---总而言之,数字音频网络可以更低的价格提供更大程度的灵活性和可靠性。
---鉴于音频工程师和设备设计师已经了解了数字音频网络,很难想像今天还会有人继续设计模拟音频系统。但具有讽刺意味的是,应用模拟系统的音频传送和互联仍不鲜见。音频工程师之所以延迟对数字音频网络的全面使用,主要有两个深层次的原因:其一,因为认可的标准还未出台,因而存在大量专有和互不兼容的设计方案。其二,因为每一个节点的设计成本不菲,因而限制了数字音频网络在市场上的广泛普及。所幸的是,技术的进化同时解决了这两个难题。新出现的进化“物种”就是CobraNet技术。

二、标准诞生
---以太网是全球范围局域网的重要标准。而更为灵活、性价比更高的数字音频网络就是运用以太网的传输协议作为其系统搭建、控制和管理的主要架构。
---尽管以太网是决定音频网络效率高低和协作性能好坏的基础,模拟音频信号还是不能很容易地被转换成数据并在标准的以太网络中传输,这是因为音频信号时效性极强。在音频网络中,数据包的延迟发送将导致音频信号的流失和不连贯。也就是说,音频信号的质量可能会起伏不定。以太网是一种异步技术,因而它不具备实时概念。以太网的网络传送管理也是“非确定性的”,这意味着以太网不能百分之百地保证某一数据包的及时送达。因此运行良好的音频网络必须要有某种确定性的时效机制。
---CobraNet技术就可以提供这样的机制。CobraNet网络的物理架构是标准以太网;但是,CobraNet技术可以在标准以太网上传送等时或软时钟特性的数据流。等时数据流具有时间敏感性和确定性两大特点。网络中的一个CobraNet器件充当该网络中其他CobraNet器件的“指挥官”。这个指挥官不仅发送保持整个系统同步的“拍子包”,而且是整个音频网络的主控制器。数字音频网络中的音频输入和输出延迟限制在1.33ms, 2.66ms 或5.33 ms。
---CobraNet技术建立了一个可与标准互联网协议数据网络共存的传递音频数据的实时网络,用来监控和管理网络中其他需要调节的数据流。与其他数字音频技术相比,CobraNet技术最主要的优势包括:
● 迥异于其他基于以太网的数字音频网络技术,CobraNet可与现有的以太网架构和数据流共存(而其他技术都需要独立的网络);
● CobraNet 网络可真正实现将音频信号从网络中的任一点传送到任一其他点;
● CobraNet 网络是一种容错技术,如果它发现某条线路断开,将自动切换到网内另一条路径;
● CobraNet 网络可与信息技术集成,通过业界标准的简单网络管理协议(SNMP)对网上设备进行管理;
● CobraNet 技术使用同一网络管理信息,因而不需单独的连线向网上其他设备发送指令;
● CobraNet 技术可提供双向音频、控制和监控功能。
---CobraNet 技术解决了以太网传送数字音频的固有缺陷,使以太网成为音频设备赖以共存的基础。协作性是业内标准的重要目标。CobraNet 技术以其成功的记录和装机量获得了广泛认可,已成为音频设备制造商的首选。这个业界重要标准的实现,克服了在广阔的市场采用数字音频网络的首要障碍。

三、传统模式:CobraNet模块 + IP许可 = 高档产品设计
---因为数字音频网络是最佳的设计手段,而且CobraNet事实上已是音频网络产品的业界标准,那么音频设备设计工程师一定要利用CobraNet 技术设计所有的产品。这种说法正确吗?不尽然。直到最近,音频设备设计工程师还只能在高档产品中采用CobraNet 技术,因为要在较低档产品中应用CobraNet 技术,每个设备的设计成本非常昂贵。
---在刚推出时,其价格包括CobraNet模块的成本、预先支付的技术许可费和每一轨道所需的专利使用费。在这种定价模式下,系统内的轨道越多,实现节点的成本就越高。不包括许可费,采用CobraNet技术的每个节点的材料成本(BOM)就高达250美元。相对昂贵的BOM限制了设备制造商在较底价的产品中使用CobraNet技术。这种成本结构使在控制台或信号处理器等主要系统中采用CobraNet技术是有意义的,因为CobraNet接口增加了产品的成本,但是也因此丧失了中等价位和低价位设备的整块市场。这种定价也进一步妨碍了制造商开拓成本敏感的市场。而在这块市场中,CobraNet技术可部署到现有的IP网络中,以提供高质量的音频;同时还可充分利用CobraNet技术的能力使以太网与数据流共存。

四、新模式:CobraNet + 硅 = 任意产品设计
---意外的发现总会催生某种最好的技术想法。在这个案例中,当CobraNet技术的开发商Peak Audio想在硅片上重新设计其模块产品时,恰巧音频系统混合信号产品设计专家Cirrus Logic公司想拓宽其集成电路产品线以应付新的市场需求。两家公司都深刻理解音频原始设备制造商和最终消费者对完善的功能、设计简易、成本低廉和标准统一的产品的诉求,共同的目标促成了双方的合作。通过融合主要的功能,一种新型的基于DSP的CobraNet片上系统——CobraNet CS181xxx硅系列IC诞生了。
---这种创新设计在硅片上包含了大多数CobraNet电路。板上元件包括通用异步收发器(UART)、可编程式内存控制器、静态随机存取存储器(SRAM)、12轨道直接存取存储器(DMA)、外部电压控制晶振控制器(VCXO)、可选的连接产品内部CPU的高速并行主接口,以及高性能数字信号处理器(DSP)。这意味着设计师们能够将CobraNet集成电路安装在任意一个数字音频产品的主板上,并且可以选择最适合其设计的以太网连接器。产品尺寸的缩小和成本的降低预示着CobraNet技术可以应用于更多面向消费者的音频设备、天花板音箱、内部通话系统、音响放大器和传呼系统中。
---CobraNet网络数字音频处理IC有2×2、8×8和16×16轨道三种型号,支持48 kHz至96 kHz的采样率。三种芯片可提供以太网上多种16、20或24位的音频连接。网上的任何设备都可进行双向音频管理和监控。该IC与外部VCXO一起可提供录音室质量等级的低抖动时钟音源,而且支持关键任务应用的单双向以太网连接。未来CobraNet硅系列IC(CS1811xx)产品将通过进一步的集成增加其价值。这些片上系统将提供可选的板上可编程32位定点DSP内核,可提供100 MIPS的处理能力,使设计师不需独立的处理芯片就可在其产品中实现更强的信号处理功能。
---这些新型数字音频处理器IC真正的革命性在于其无需预先支付许可费或每一轨道的使用费。有了CobraNet硅系列IC,实现整个CobraNet的每个设备的成本可由以前的250美元降至不到25美元,这是非常大的成就。大幅度降低的成本可使设备设计师从成本角度重新审视除了较高价格的产品外,还可以把CobraNet硅系列IC应用到价格低得多的产品中的问题。在新的价格模式下,音频设备制造商可以迎接之前可望不可及的数字音频网络新市场的挑战;例如,小型家用录音室、小型现场演奏会,甚至教堂音响系统。这些既需要音频又需要数据网络的商用建筑也是这种新型的、价格低廉的小型网络设备的主要消费市场。

五、“物种”的快速繁衍
---两大音频技术领先公司的合作带来的“基因突变”使数字音频传输技术发展成为一个完整集成的片上系统,它加快了产品设计,进一步降低了成本,帮助设计师们在许多新产品中加入网络智能。商用网络音频设备市场价值30亿美元,而且增长迅速。无论是录音室、现场演奏或是商用建筑,由于可在整个建筑中构建音频系统而使信号处理和放大设备在整个建筑中的部署成为可能,这将进一步推动商用网络音频设备市场的发展。现在,音频设备制造商已在积极地从模拟网络转向数字网络。对于设计师来说,现在的问题不是你是否要应用网络数字音频,而是你何时开始应用它,答案就是现在。

作者简介
---Ray A. Rayburn是Cirrus Logic公司尖端音频部应用工程师兼高级顾问。Rayburn先生在音频领域有38年的经验,是音频产品界著名的泰斗级人物,为全球一些知名的体育馆、法院、教堂和会议中心设计过音响系统。他现任音频工程协会互联标准委员会主席,同时也是美国国家声学学会的会员。

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