1.音频传输系统需求
音频是智能座舱的核心功能,涵盖车载音响、语音识别、e-Call、消噪及回声消除等应用,随着汽车智能网联化的发展,对音频的开发要求也越来越高。传统的车载音频系统采用模拟并行音频信号传输方式,难以在功能增加与整车轻量化(线缆的重量及成本减少)之间取得均衡。
为了解决智能座舱空间中的音频问题,连接多个车内音频设备,需要有性能更高,效果更好的音频总线,用来连接和构建功能更丰富的车载音频系统。车载以太网100BASE-T1便成为了首选。
2.音频传输AVB系统架构介绍
以太网音视频桥接技术(Ethernet Audio/Video Bridging,又称“Ethernet AVB”,以下简称AVB)是一项新的IEEE802标准,其在传统以太网络的基础上,通过保障带宽(Bandwidth),限制延迟(Latency)和精确时钟同步(Time synchronization),以支持各种基于音频、视频的网络多媒体应用。AVB关注于增强传统以太网的实时音视频性能,同时又保持了100%向后兼容传统以太网及车载以太网等,是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。
其中,在音频系统中,AVB可以被用来传输不同设备之间的数字音频信号。例如从智能座舱SOC向音频功放盒子Amplifier Box传输多个通道的音源信号;或者从一个收音机盒子向智能座舱SOC传送数字声音信号;或者从一个外部设备(笔记本电脑)向智能座舱SOC传输音视频信号,等等。如下图所示是一个典型的AVB网络拓扑图。
Talker:输出音视频数据的终端节点,也称为Source,例如麦克风等。
Listener:接收音视频数据的终端节点,也称为Sink,例如扬声器等。有些设备既可以是Talker,也可以同时是Listener,例如智能座舱SOC。
AV Bridge:支持AVB协议的音视频网关,例如以太网交换机等。
3.基于AVB交换机和端点搭建AVB系统
AVB交换机是一种专门设计用于支持音视频网络传输的以太网交换机,它基于IEEE 802.1音视频桥接(AVB)标准,旨在提供低延迟、全同步的音视频流信息传输。AVB交换机通过保障带宽、限制延迟和精确时钟同步,增强了传统以太网的实时音视频性能。
SW100TSN是一款功能强大的AVB交换机,其具备低延迟和高同步性,通过流量保留和整形,提供低延迟、全同步的音视频流信息传输。支持TSN时间敏感协议,依赖于精准时间同步协议(gPTP)确保音视频流的低延迟和高同步性。
AE100T1是一款
系统架构如下:
序号 | 名称 | 产品型号 | 产品特点 | 数量 |
1 | AVB交换机 | SW100 TSN | 产品特点: 5通道100BASE-T1,泰科MATEnet接口; 1通道100/1000BASE-T,以太网RJ45接口; 基于串口UART配置管理; 支持TSN协议,作为BC时钟。 | 1 |
2 | Talker | AE100T1-Talker | 产品特点: 1通道100BASE-T1,泰科MATEnet接口; 1通道音频模拟输入,3.1英寸音频口 支持IEEE 1722 AVTP 支持802.1AS | 1 |
3 | Listener | AE100T1-Listener | 产品特点: 1通道100BASE-T1,泰科MATEnet接口; 1通道音频模拟输出,3.1英寸音频口 支持IEEE 1722 AVTP 支持802.1AS | 4 |
4 | 音频输入 | - | 模拟音频输入或LINE IN 3.1英寸音频口 | 1 |
5 | 音响设备 | - | 带功放扬声器或低于5w的喇叭或耳机 3.1英寸音频口 | 4 |
6 | 电脑 | - | 用于采集AVB报文,监控,配置等。 | 1 |
4. AVB协议介绍
AVB的协议栈如下图所示:
可以看出,AVB主要是链路层的协议,它和传统的TCP/IP协议栈是并列共存的关系。其实,AVB协议栈不仅包括了带宽预留和时钟同步协议,还包括其他一些辅助协议,主要协议如下:
IEEE Std 802.1AS-2011:精确时钟同步协议(Generalized Precision Time Protocol,简称gPTP),用来将网络内所有节点的时钟同步同步到同一个主时钟。
IEEE Std 802.1 Qat:带宽预留协议(Stream Reservation Protocol,简称SRP),用于音视频流的动态带宽分配。
IEEE Std 802.1 Qav:流量整形协议(Forwarding and Queuing for time-sensitive streams,简称FQTSS),负责对流量进行排队、转发管理,用于交换机中传输控制和帧的中间缓冲。
IEEE Std 1722-2016:音视频传输协议(Audio Video Transport Protocol,简称AVTP)。
IEEE Std 1722.1-2013:音视频管理协议(Audio Video Discovery, Enumeration, Connection management, and Control protocol,简称AVDECC),负责服务发现,节点能力遍历,链接管理等控制功能。
IEEE Std 1733-2011:基于AVB的RTP/RTCP传输协议(Layer 3 Transport Protocol for Time Sensitive Applications in Local Area Networks),它主要是将传统的RTP/RTCP流映射到二层的AVB流,使用layer 2 中AVB的性能,从而降低延时、提高同步精度。
5.搭建AVB系统能够解决哪些问题
AVB能够解决智能座舱音频播放中的2个主要问题:延时问题和同步问题。
延时问题:网络传输存在延时,或者不同来源的网络流存在竞争性关系。AVB通过预留带宽和QOS设置,保证传输延时小,实时性好。
同步问题:分为媒体时钟同步和播放时间同步。
媒体时钟同步:不同的媒体设备具有不一样的时钟源。例如,AVB中的talker和listener是不同的设备,它们的参考时钟源可能并不相同。如何保证它们具有相同的采样频率?通过802.1AS(gPTP协议),所有这些媒体设备的时钟源都映射到相同的gPTP时间,这样就实现了媒体时钟同步。从而保证talker和listener设备可以使用相同的采样率进行采集和播放。
播放时间同步:talker可以指示接收方在未来的某个时间点播放。当AVB系统中具有多个listener时,可以合理安排好各设备的播放时间,使得它们可以在未来的同一时刻同时播放。
AVB在智能座舱中的一个实际应用场景,是智能座舱中有多个扬声器。通过AVB传输音频信号到各扬声器,由于gPTP协议保证了所有扬声器的时钟是同步的,而后通过播放时间同步,使得各扬声器同时进行播放。