数字音频网络的新技术及应用
——谈AoIP / AVB技术在广播系统的应用
1.引言
在广播电视专业场合，实时数字音频的传输通常是通过AES3 （AES/EBU）或 AES10（MADI）来进行的，随着以太网（Ethernet）及 IP 技术的迅猛发展，人们一直期待着利用以太网及 IP网来实现这一传输任务， 因为以太网是目前应用最为广泛和性价比最高的数字互联网络，由于我们的 数据信息、监控信息等的采集和传输已经越来越离不开 IP网络，所以如果实 时音频的传输能够兼容现有的以太网络，系统架构将变得简单化，机房布线 也将变得更加简洁，同时以太网的交换特性，也有利于改变传统数字音频只 能依靠点对点传输的局限，从而实现数字音频传输的软交换和软路由。
CobraNet的出现局部性地解决了这一难题，虽然也采用相同的电缆和交 换设备，但由于其与 IP协议的不兼容性导致我们必须为它单独建立一个封闭 式的网络，同时它的传输容量、时延等也受到很大的限制。直到AoIP和 AVB 的出现，这个问题将得到彻底解决，人们对 IP网络无损传输实时音频的疑虑 也将随之消除，AES在去年九月正式颁布了第一个利用现有 IP网络传输高品 质音频实时流的通用标准 AES67-2013，AoIP（Audio over IP）技术成为专业 音频的一部分；另一方面，AVB标准也在紧锣密鼓地进行，这一标准由电气 和电子工程师协会(IEEE)牵头，通过扩充已有的 IEEE 802标准，将从根源上 解决基于以太网的音视频传输瓶颈，真正实现实时音视频流向以太网的桥接、 传送和交换。
一个全新的多媒体网络应用时代即将到来，它将深层次改变广播电视、 专业音响、安防、汽车电子等领域，有人形容它的变革不亚于胶片相机向数 码相机的进化，传统的音视频设计理念正面临挑战，而简洁高效、功能更为 强大的新型系统将不断出现，本文试图通过对AoIP及 AVB技术的介绍和讨 论，从发展角度，来展望它们对未来广播音频制作播出系统所带来的机遇和 推动力，使我们有一个良好的心理准备和知识积累，来迎接这一时代的降临。
2. AoIP / AVB技术分析
2.1 以太网/IP 网实时音频传输需要解决的几个问题
以太网（Ethernet）建立之初是用来连接计算机的，它遵循 IEEE802.3标准， 使用逻辑总线型拓扑结构和 CSMA/CD载波侦听碰撞检测技术来进行信息交换， 这一点证明以太网天生就不是为传送实时音视频来设计的。
位于更高层的 TCP/IP协议，在局域网通常搭载以太网作为载体，但由于它 的溯源是互联网协议，IP包经过不同的路由时延时也不一样，导致到达终点的 顺序和时延不确定；RTP（Realtime Transport Protocal实时传输协议）在一定程 度上解决了这一问题，提升了流的稳定性，但它却无法传输同步时钟，只能用于 网络点播等非专业用途。
传递媒体时钟是以太网/IP网实时音频传输需要解决的第一个问题，图 1描 述了这个过程：
图 1 以太网/IP网传递媒体时钟示意图
音频数据经 A/D转换后具备了自己的采样时钟（同样适用于 AES3输入）， 即通常我们所说的 48K采样时钟，这个 48K来自发送端设备的内部晶体振荡器， 数字化后的音频数据经缓存后被打包成数据包发送到接收端，经接收缓存，再通 过 D/A转换后恢复音频数据，但是，D/A所使用的时钟却来自接收端设备的内 部晶体振荡器，虽然同样标称为 48K，其实与发送端是不同步的两个时钟，两个 不同步的时钟会导致缓存区间隙性的上溢或下溢，在音质上表现为“爆音”，为 了减少“爆音”的出现，可采用缓冲区重采样即采样率转换的方法，缓存越大， 音质越好，但缓存的增加传输时延也会跟着增大，而输出的音频数据已经不再是 原来的数据，即无法实现无损传输，目前部分厂商的 IP监听其实就是用的这种 方案，但倘若用来作高品质的传输服务，比如代播，就显得力不从心了。
如果能通过网络将发送端时钟与接收端时钟加以同步，这个问题就引刃而 解了，比如在网络中产生一个标准参考时钟（网络时钟），用于同步每个节点的
采样时钟（媒体时钟），整个网络就不存在数据溢出的问题了，IEEE1588 提供 了这种可能，IEEE1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标 准”，主时钟通过周期性与网络交换包含时间戳的信息包，从时钟收到后，进行 时钟偏移测量和延迟测量，利用偏移量来修正本地时钟，这个方案能利用现有的 IP网络不作任何修改，只是音频端设备的硬件要支持从 IEEE1588转换出内部时 钟；在 AVB系统中，使用了另一套精准时间同步协议（PTP）—— IEEE 802.1AS， 作为 IEEE 1588协议的一个简化版本，IEEE 802.1AS与 1588的最大区别在于 PTP 是一个完全基于二层网络，非 IP路由的协议，在最大 7跳的网络环境中，理论 上 PTP能够保证时钟同步误差在 1μs以内。
完成以太网/IP网无损实时音频传输的第二个条件是带宽预留，或者是网络 服务质量（QoS）。
设想在一条马路上有很多的车和行人，对应于网络中为不同服务的数据包， 马路上经常有拥塞的情况发生，网络中也不例外，这是我们怀疑音频是否真的能 与其它数据共同运输而不会被拥挤所耽误的理由，解决方案是通过对数据包划分 不同优先级，提供不同服务质量来实现的，就好比在马路上划分不同的专属车道， 对于紧急用车优先放行一样。利用 DSCP（Differentiated Services Code Point）的 QoS分类标准，将每个基准时钟的数据报头设定为最高优先级；之后就是音频数 据，属于第二高优先级；控制信号和其它信号在更低的优先级。其结果是保证音 频流信号的畅通和较低的抖动。对于今天已广泛使用的千兆以太网，大部分情况
下带宽处于较空闲状态，加上QoS管控，实时音频传输已不成问题。
图 2 网络QoS示意图
AVB中还将使用 IEEE 802.1Qat流预留协议和 IEEE 802.1Qav队列及转发协 议来对时间敏感的音视频信号进行资源预留，并确保传统的异步以太网数据流量 不会干扰到 AVB的实时音视频流。
以上两个问题得以解决，剩下的问题还有传输层、编码层、控制层等，下文 将结合具体方案和协议作些介绍。
2.2 AoIP技术及 AES67-2013 标准
所谓AoIP（Audio over IP），是指利用 IP网络传输高保真的音频，这里的 音频是指至少 44.1K采样、量化 16位以上的高于等于 CD音质的音频，区别于 常说的 VoIP（Voice over IP），那是用来作语音通信、传输的是电话音质的低码 流信号。
AoIP的第二个特征是利用现有的 IP网络，且延时小于 10毫秒，早在十年 前，Axia Audio（Telos的网络音频分支）引进了 Livewire?，用于未压缩的数字 音频录音，此后出现的还有 Dante、RAVENNA、Q-LAN、WheatNetIP等，这些 来自不同厂家的AoIP技术，其共同点是（1）几乎都采用了 IEEE1588作为媒体 时钟的同步源（2）尽量使用现有的 IP协议，如传输层使用 UDP/RTP，QoS使 用DiffServ等，表 1摘自 2011年 AES的技术发展趋势报告：
技术 LiveWire 开发公司 Telos/Axia 表 1当前主要的AoIP技术 推出时间 2004 同步方案 专用协议（初期） IEEE1588（开发中） Dante Q-LAN Audinate QSC Audio Products RAVENNA ALC NetworX 开发中 传输协议 RTP 2006 2009 IEEE1588-2002 IEEE1588-2002 UDP UDP IEEE1588-2002 RTP AES代号为 SC-02-12-H的标准化工作组，在 2010年 12月启动了一个叫 X192 的项目，其目的不是要发明新的科技，而是在现有技术的基础上定义一个可互通 的方案，以实现不同厂商AoIP设备之间互联互通，2013年 9月标准正式颁布， 取名为 AES67-2013。
AES67-2013的全称是“AES standard for audio applications of networks - High-performance streaming audio-over-IP interoperability”，翻译成中文是“可互 通的高保真AoIP音频流应用标准”，标准分为 10个部分，分别就媒体时钟的同 步、编码、传输、发现与连接管理等作了规范，另外，标准还对与 AVB的兼容 性作了阐述。
截止目前为止，ALC NetworX已经宣布旗下的 RAVENNA支持 AES67，而
Audinate将在 2014年下半年以固件升级的方案将已有产品升级到 AES67。 2.3 AVB 技术介绍
AVB的全称是以太网音视频桥（Ethernet Audio/Video Bridging），是一项 新的 IEEE 802标准，最初源于一个 802.3的研究小组，于 2005年 11月转而成立 IEEE 802.1AVB工作组，开始着手研究制定一系列的协议，以增强现有 802网络 功能，使得基于以太网的实时音视频传输技术从计划逐步走向试验阶段，并最终 走向市场。
与AoIP技术不同，AVB需要改进之前的二层通信协议，以解决传输音视频 类数据流的“先天不足”，大幅提高传输控制能力，除了满足音频传输外，支持 多达 256种不同格式的音视频数据流（包括采样频率）在同一个网络中共存传输，
而互不干扰，并将传输延时压缩到微秒级。
图 3 AVB云示意图
为了在以太网上提供同步化低延迟的实时流媒体服务，需要建立 AVB网 络，称之为 AVB“云”，如图 2所示，AVB“云”的建立需要至少速度在 100Mbps 以上的全双工以太链路，并配备 AVB交换机和 AVB终端设备，以及逻辑链路 发现协议（IEEE 802.1AB - LLDP），用于设备之间交换支持 AVB的协议信息。