網(wǎng)絡化是指利用通信技術(shù)和計算機技術(shù)，把分布在不同地點的計算機及各類電子終端設(shè)備互聯(lián)起來，按照一定的網(wǎng)絡協(xié)議相互通信，以達到所有用戶都可以共享軟件、硬件和數(shù)據(jù)資源的目的?，F(xiàn)在，計算機網(wǎng)絡在交通、金融、企業(yè)管理、教育、郵電、商業(yè)等各行各業(yè)中，甚至是我們的家庭生活中都得到廣泛的應用。目前各國都在致力于三網(wǎng)合一的開發(fā)與建設(shè)，即將計算機網(wǎng)、通信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)合為一體。將來通過網(wǎng)絡能更好的傳送數(shù)據(jù)、文本資料、聲音、圖形和圖像，用戶可隨時隨地的在全世界范圍撥打可視電話或收看任意國家的電視和電影。近幾年計算機聯(lián)網(wǎng)形成了巨大的浪潮，它使計算機的實際效用得到大大的提高。

　　目前基于以太網(wǎng)的時鐘同步技術(shù)已經(jīng)比較普遍，主要采用增加時間報文的方式來實現(xiàn)同步，在普通流媒體、實時控制與測量等應用場合中尚可滿足要求。在進行實時、高保真音頻傳輸系統(tǒng)中，必定影響音頻傳輸?shù)膶崟r性。本文提出了一種在物理層和MAC層的MII接口處進行音頻采樣時鐘恢復的方案，同時設(shè)計相應的時鐘調(diào)整算法來滿足音頻數(shù)據(jù)采集與播放的同步性。

　　1 原理與方法

　　網(wǎng)絡音頻傳輸系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)包含多個音頻傳輸節(jié)點，各個節(jié)點均有自己的MAC地址。每個節(jié)點連接多個音頻通道，分成輸出通道和輸入通道。節(jié)點分為主節(jié)點和從節(jié)點兩種。主節(jié)點將A/D轉(zhuǎn)換后的音頻數(shù)據(jù)按以太網(wǎng)幀格式進行封裝，通過以太網(wǎng)發(fā)送出去；從節(jié)點則對由以太網(wǎng)上獲取的音頻數(shù)據(jù)幀進行分解，提取需要的音頻通道數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給輸出通道，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出。

　　1.1音頻傳輸系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)有三種工作模式：點對點傳輸模式、點對多點傳輸模式、菊花鏈傳輸模式。后兩種工作模式下，只有一個主節(jié)點，其余均是從節(jié)點。采用點對點發(fā)送方式時，收發(fā)設(shè)備之間的網(wǎng)絡流量不會影響網(wǎng)絡中的其他設(shè)備，但數(shù)據(jù)只能定向發(fā)送。采用點對多點（見圖1）發(fā)送方式時，發(fā)送端完成發(fā)送，由交換機將該數(shù)據(jù)廣播至所有其他端口。采用菊花鏈發(fā)送方式時，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)保持單向流動并采用廣播數(shù)據(jù)包模式。

　　音頻傳輸系統(tǒng)在A/D完成一個音頻采樣周期采樣后，立即對并行輸入通道的采樣數(shù)據(jù)進行封裝，并通過以太網(wǎng)傳送，因此，定制了在從節(jié)點進行主采樣音頻時鐘提取的策略。

　　1.2 在MII接口處提取采樣時鐘

　　根據(jù)1.1節(jié)所述的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流特性，提供了在從節(jié)點提取采樣時鐘的理論依據(jù)。方法如下：

　　音頻傳輸系統(tǒng)在傳輸音頻數(shù)據(jù)幀時，采用廣播幀模式。當系統(tǒng)進行通道配置時，所發(fā)命令幀和狀態(tài)幀（見圖1）的目的MAC地址為子節(jié)點的MAC地址。這樣可以根據(jù)以太網(wǎng)幀中的目的MAC地址來判斷系統(tǒng)是否開始實時音頻數(shù)據(jù)傳輸。

　　如果是廣播幀，則判定為是主節(jié)點音頻時鐘的上升沿；如果是以太網(wǎng)包結(jié)束，則判定為是主節(jié)點音頻時鐘下降沿。音頻采樣時鐘提取結(jié)果如圖2所示。

　　1.3 影響音頻時鐘同步的因素與相關(guān)分析

　　引起主從節(jié)點音頻采樣時鐘不同步的因素有多種，主要可歸結(jié)為以網(wǎng)絡傳輸?shù)难訒r抖動和晶振頻差。

　　1.3.1 網(wǎng)絡傳輸延時抖動[4]及累積效應分析

　　系統(tǒng)在任意一種工作模式下均能保證不發(fā)生數(shù)據(jù)幀碰撞，故可以認為網(wǎng)絡傳輸延時的變化范圍很小。網(wǎng)絡傳輸?shù)难訒r抖動反映了單個時鐘周期的差異。

　　1.3.2 晶振頻差及累積效應分析

　　晶振頻差是指包括由頻率溫度穩(wěn)定度、頻率老化率造成的偏差等共同造成的頻差。晶振頻差產(chǎn)生的主要因素包括：晶振的加工差異、機械老化差異及溫度引起的漂移等。

　　本音頻傳輸系統(tǒng)，不同子節(jié)點所處地點的溫度會存在比較大的差異。

　　1.4 時鐘調(diào)整

　　FPGA內(nèi)部與時鐘調(diào)整相關(guān)的模塊如圖3所示。該模塊是整個同步系統(tǒng)的部分，包含主節(jié)點音頻采樣時鐘提取模塊、本地時鐘與主時鐘比較模塊、分頻系數(shù)調(diào)整模塊。主節(jié)點定義參數(shù)有：本地音頻時鐘為fM，音頻采樣時鐘為fLRCK_M，時鐘為fBCK_M。從節(jié)點中與此對應的參數(shù)分別為：fS、fLRCK_S、fBCK_S。調(diào)整的目的是要保證從節(jié)點的fLRCK_S與主節(jié)點的fLRCK_M一致。同時在一個從節(jié)點采樣時鐘周期內(nèi)將64 bit數(shù)據(jù)通過從節(jié)點位時鐘均勻發(fā)射出去。

　　主節(jié)點位時鐘分頻系數(shù)定為a，則有：

　　根據(jù)式（3）可以得到時鐘同步方法：

　　式（4）、式（5）為終的時鐘調(diào)整算法。在本系統(tǒng)中，本地音頻時鐘為24.576 MHz，音頻采樣時鐘為48 kHz。系統(tǒng)所使用的FPGA可工作在300 MHz,具備了時鐘倍頻及時鐘偏移消除功能。采用的倍頻系數(shù)為8，調(diào)整達到5 ns。

　　2 測試結(jié)果及分析

　　測試平臺的架構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)工作模式為點對點傳輸模式，中間加入交換機，兩邊各用100 m網(wǎng)線連接音頻傳輸節(jié)點。具體如下

　　2.1 對比測試主從音頻采樣時鐘同步性

　　采用雙通道數(shù)字示波器DPO7254對主從節(jié)點的音頻采樣時鐘LRCK和位時鐘BCK進行比較。為了方便觀察信號，主要對LRCK進行觀察分析。具體方法是：示波器采用1 MHz采樣率，雙通道記錄主從節(jié)點音頻采樣時鐘LRCK波形，記錄時間為10 s左右。

　?。?）沒有進行時鐘同步調(diào)整前，從示波器記錄的數(shù)據(jù)中可以觀察到主從節(jié)點之間音頻采樣時鐘（LRCK）出現(xiàn)明顯的不同步，從節(jié)點時鐘較主節(jié)點時鐘要快。對主從節(jié)點音頻采樣時鐘累積時差達到一個采樣周期所需的時間進行準確測量。20次記錄波形數(shù)據(jù)，測量并計算得到的平均值為2.988 s。

　?。?）進行時鐘同步調(diào)整后，20次記錄波形數(shù)據(jù)，可以觀察到主從節(jié)點音頻采樣時鐘保持很好的同步性，兩者之間的長時累積時差與短時累積時差均在很小范圍內(nèi)波動，沒有發(fā)生主從節(jié)點音頻采樣時鐘累積時差達到一個采樣周期的情況。

　　示波器改用2 GHz采樣率，記錄時間為200 ms左右。20次記錄波形數(shù)據(jù)，測量主從節(jié)點100個音頻采樣時鐘周期的累積時差，結(jié)果均不超過100 ns。

　　2.2 對比測試系統(tǒng)失真率

　　AP音頻分析儀（簡稱AP）屬于精密音頻分析儀器，自身帶有標準音頻信號發(fā)生源及音頻分析儀。AP對源信號和反饋信號進行對比分析，結(jié)果對比如下：

　?。?）沒有進行時鐘同步調(diào)整前，AP顯示系統(tǒng)失真率在0.003%上下波動，但是平均3 s左右系統(tǒng)失真率會串升至2.6%上下。音頻的失真率指標上限為0.05%。說明反饋信號出現(xiàn)嚴重失真。

　?。?）進行時鐘同步調(diào)整后，AP顯示系統(tǒng)失真率在0.006%上下波動，串升至2.6%上下的情況消失。

　?。?）去除交換機、采用100 m cat-5網(wǎng)線直連兩個節(jié)點，同時進行時鐘同步調(diào)整后，AP顯示系統(tǒng)失真率依舊在0.006%上下波動，但串升至2.6%上下的情況消失。

　　2.3 數(shù)據(jù)分析

　　2.3.1 數(shù)據(jù)交互錯誤對失真率的影響

　　2.1節(jié)中記錄數(shù)據(jù)交互出現(xiàn)錯誤的平均周期駐T為2.988 s，目測AP顯示失真率串升的周期為3 s左右，可以判定失真率串升是由數(shù)據(jù)交互錯誤引起的。

　　2.3.2 網(wǎng)絡延時抖動對失真率的影響

　　由于從節(jié)點時鐘同步調(diào)整參考的對象是從網(wǎng)絡音頻數(shù)據(jù)流中提取到的音頻采樣時鐘，網(wǎng)絡傳輸?shù)难訒r抖動被引入到從節(jié)點音頻采樣時鐘（LRCK）中。相比沒有調(diào)整前的音頻采樣時鐘，時鐘抖動有所提高，導致D/A 轉(zhuǎn)換和信噪比都下降。

　　2.3.3 交換機對失真率的影響

　　時鐘同步后加入交換機與移除交換機相比，系統(tǒng)失真率沒有發(fā)生明顯變化，說明交換機的存在不會引起失真率變化；交換機延時值固定，不會引起網(wǎng)絡抖動。

　　本文根據(jù)實時網(wǎng)絡音頻傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流特點，提出從音頻數(shù)據(jù)幀中提取主節(jié)點音頻采樣時鐘，可直接在本地節(jié)點對其進行采樣分析，同時時鐘調(diào)整模塊能對主節(jié)點采樣時鐘進行實時跟蹤，隨時根據(jù)主節(jié)點采樣時鐘變化作出調(diào)整，使主從節(jié)點時鐘保持高同步。而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡時鐘同步機制大多參考IEEE1588精密時鐘協(xié)議，需要在主從節(jié)點之間傳輸同步幀，本文所述的時鐘調(diào)整算法不僅節(jié)約了網(wǎng)絡資源，同時提高了時鐘同步調(diào)整的效率，能有效解決高保真實時音頻傳輸中的時鐘同步問題。