基于Wi-Fi私有協(xié)議的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1   背景

隨著電視技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的提升，電視產(chǎn)品向著輕薄化的趨勢(shì)發(fā)展，同時(shí)電視音響單元的設(shè)計(jì)空間也受到影響，越來(lái)越狹小的音響單元設(shè)計(jì)空間使得電視自身的音效受到了影響。并且，隨著人們生活水平的提高和審美認(rèn)知的提升，越來(lái)越多的用戶開(kāi)始追求更好的家庭觀影視聽(tīng)體驗(yàn)，開(kāi)始購(gòu)買外置音箱來(lái)增強(qiáng)客廳觀影音效。

過(guò)去的音箱多以有線音箱為主，電視通過(guò)HDMIARC、光纖等線路傳輸音頻信號(hào)給音箱，但是有線極大影響美觀程度，并且隨著各類無(wú)線音頻傳輸技術(shù)的發(fā)展，更多的廠商選擇研發(fā)無(wú)線音箱。無(wú)線音響系統(tǒng)的出現(xiàn)徹底使音響系統(tǒng)擺脫了音頻數(shù)據(jù)線的束縛，可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整不同音箱的位置，特別是為了增加效果，還可以隨時(shí)配備臨時(shí)音箱，這些都是有線音響系統(tǒng)最頭痛的問(wèn)題^[1]。因此無(wú)線音箱必將是未來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)發(fā)展方向。

目前主流的無(wú)線音頻傳輸技術(shù)有藍(lán)牙、5.8G、WiSA 和Wi-Fi。藍(lán)牙音箱是較為常見(jiàn)的無(wú)線音箱形態(tài)，適用性廣，但是有著較為明顯的缺陷：藍(lán)牙音頻編碼絕大部分都是壓縮傳輸?shù)?，在長(zhǎng)距離傳輸中具有一定的延遲性，這也是它不適合用于建設(shè)多聲道家庭影院系統(tǒng)的原因之一^[2]。

5.8G 和WiSA 都是比較成熟的技術(shù)，并廣泛的應(yīng)用在無(wú)線音箱產(chǎn)品上，但是它們都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是音箱系統(tǒng)的產(chǎn)品形態(tài)是固定的，例如2.0 聲道音箱系統(tǒng)無(wú)法直接增加重低音音箱將原有系統(tǒng)變?yōu)?.1 聲道系統(tǒng)，需整體更換，產(chǎn)品靈活性較差。

相較于藍(lán)牙技術(shù)，Wi-Fi 的覆蓋范圍更廣、數(shù)據(jù)傳輸速率更高、組網(wǎng)難度更小^[3]。而私有Wi-Fi 協(xié)議是在共有Wi-Fi 協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)音頻信號(hào)傳輸?shù)奶匦赃M(jìn)行底層優(yōu)化，輔以電視本地的優(yōu)化方案，從而減少音頻傳輸延時(shí)，實(shí)現(xiàn)電視與音箱系統(tǒng)，并且Wi-Fi 的帶寬大，使用場(chǎng)景靈活，但是由于是最新的技術(shù)方向，目前還未廣泛被各個(gè)廠家應(yīng)用，但是得益于其優(yōu)異的技術(shù)特性，一定是未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

2   使用場(chǎng)景設(shè)計(jì)

Wi-Fi 私有協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)允許廠家設(shè)計(jì)一個(gè)使用方式靈活、可擴(kuò)展性極強(qiáng)的音頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電視和至少1 只Wi-Fi 音箱組成，電視本身的音響單元可以與外置的Wi-Fi 音箱共同發(fā)聲，組成多聲道組合，例如，電視本身2.0 的音響單元與3 只外置Wi-Fi 音箱組成1個(gè)4.1 的多聲道組合。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)設(shè)備同時(shí)播出音畫(huà)時(shí)，為了使用戶主觀上沒(méi)有音畫(huà)不同步的觀感，即系統(tǒng)內(nèi)音畫(huà)同步的要求，需參照ITU-R BT1359-1 標(biāo)準(zhǔn)^[4]，要求系統(tǒng)內(nèi)音畫(huà)延遲在（-100~20）ms 之間，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)音畫(huà)延遲時(shí)間在此范圍內(nèi)時(shí)，則用戶感受不到系統(tǒng)內(nèi)音畫(huà)的延遲，才能給用戶帶來(lái)更好的視聽(tīng)體驗(yàn)。

圖1 ITU-R BT1359-1音畫(huà)同步標(biāo)準(zhǔn)

并且用戶可以根據(jù)自身需求去自由增加系統(tǒng)內(nèi)Wi-Fi 音箱的數(shù)量和聲道設(shè)置，Wi-Fi 音箱組合還可以當(dāng)作藍(lán)牙音箱去使用，使用場(chǎng)景更加自由，這些產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)都是藍(lán)牙或5.8G、WiSA 等技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

圖2 4.1聲道音頻系統(tǒng)

3   硬件方案

音箱的硬件架構(gòu)包括SoC 芯片、Wi-Fi 模塊（包括Wi-Fi 及藍(lán)牙）、功放模塊、喇叭、電源、接口（USB）、按鍵、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、FLASH。

一般藍(lán)牙音箱或5.8G 無(wú)線音箱不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用MCU 即可滿足功能要求。由于Wi-Fi 音箱的產(chǎn)品功能更多，需要一個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行總體的控制，以及解析接收到的基于私有Wi-Fi 協(xié)議打包的音頻數(shù)據(jù)，因此本方案設(shè)計(jì)使用SoC 來(lái)負(fù)責(zé)較為復(fù)雜的控制解析功能。

圖3 硬件方案

4   軟件方案

基于Wi-Fi 私有協(xié)議的音頻系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)將基于以下幾點(diǎn)，以達(dá)到系統(tǒng)中電視與外置音箱音畫(huà)同步的效果：

1）低延時(shí)Wi-Fi 傳輸：使用Wi-Fi 私有協(xié)議傳輸音頻信號(hào)，一是使用更小的數(shù)據(jù)包和更快的發(fā)送頻率來(lái)發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包封裝的速度和傳輸速度相比于公有Wi-Fi 協(xié)議更加快速；二是使用P2P 的方式將音頻信號(hào)發(fā)送給音箱端，電視端與音箱端直連，不經(jīng)過(guò)路由設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)；三是優(yōu)化軟件處理層級(jí)，音頻信號(hào)的發(fā)送不再經(jīng)過(guò)應(yīng)用程序?qū)樱ˋPPs）和應(yīng)用程序架構(gòu)層（API Framework），直接通過(guò)運(yùn)行庫(kù)（Library）傳輸給Wi-Fi 芯片，從而降低低音頻信號(hào)的傳輸延時(shí)。傳輸延時(shí)在33 ms 以下；并且根據(jù)Wi-Fi 數(shù)據(jù)包重傳率來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整Wi-Fi 傳輸速率來(lái)說(shuō)保證數(shù)據(jù)的傳輸品質(zhì)，降低丟包率，實(shí)現(xiàn)音頻傳輸不卡頓；

2）電視與音箱同步發(fā)聲優(yōu)化：由于電視平臺(tái)處理圖像和聲音的路徑不同，電視對(duì)于圖像的優(yōu)化會(huì)造成聲音與圖像之間有著一定的延時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，電視產(chǎn)品本地音畫(huà)的延時(shí)在（-50~20）ms 之間；再根據(jù)圖像幀率和音箱傳輸延時(shí)信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整電視本地聲音延時(shí)和畫(huà)面延時(shí)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低電視端與音箱端發(fā)聲的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)聲。

同時(shí)，在音箱端也可以實(shí)時(shí)調(diào)整延時(shí)，來(lái)匹配電視端的音畫(huà)延遲。音箱根據(jù)聲音延時(shí)值對(duì)PCM 數(shù)據(jù)包的輸出時(shí)間進(jìn)行延時(shí)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所述視頻畫(huà)面與所述PCM 數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的音頻數(shù)據(jù)同步^[4]。

圖4 增加電視本地延時(shí)優(yōu)化音畫(huà)同步

3）音箱高精準(zhǔn)同步：使用私有Wi-Fi 協(xié)議封裝的數(shù)據(jù)流會(huì)將每個(gè)數(shù)據(jù)塊打上時(shí)間戳，音箱端在播放接受到的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)根據(jù)時(shí)間戳信息來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整播放時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)不同音箱之間的精準(zhǔn)同步播放。

5   結(jié)束語(yǔ)

本文提出的方案是以Wi-Fi 私有協(xié)議為基礎(chǔ)，根據(jù)Wi-Fi 私有協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了該技術(shù)在音頻傳輸領(lǐng)域可搭建的音頻系統(tǒng)的廣泛使用場(chǎng)景，并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)相應(yīng)的軟硬件方案，從而達(dá)到了該基于Wi-Fi 私有協(xié)議架構(gòu)的音頻系統(tǒng)內(nèi)的音頻傳輸延時(shí)滿足行業(yè)內(nèi)音畫(huà)同步的標(biāo)準(zhǔn)，奠定了商業(yè)化的可行性。

參考文獻(xiàn):

[1] 崔強(qiáng).影院無(wú)線音響系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電影技術(shù),2018(5):32-35.

[2] 編輯部.為高質(zhì)量無(wú)線影院系統(tǒng)而來(lái)淺析WiSA無(wú)線傳輸技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)[J].家庭影院技術(shù),2022(8):20-29.

[3] 卜旭,程允麗.智能音箱關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通,2019(7):33-37.

[4] ITU-R BT.1359-1-1998,聲音和視頻廣播的相對(duì)定時(shí)[S].國(guó)際組織:國(guó)際電信聯(lián)盟,1998.

[5] 吳敏,韋澤垠.音頻傳輸方法、裝置、設(shè)備及可讀存儲(chǔ)介質(zhì):中國(guó).201811631310.8[P].2021,10(1).

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）