【中國數字視聽網訊】本文將圍繞：音頻信號的數字化、以太網的傳輸方式、數字音頻信號對以太網的要求、QoS服務質量、傳統以太網傳輸實時數據流的方式、以太網音視頻橋接(AVB)技術等幾個方面展開說明。

在傳統的音響系統里，聲音信號是模擬信號，它的振幅具有隨時間連續變化的特性。對模擬音頻信號進行處理、存儲和傳送都會引入噪聲和信號失真，并且隨著復制次數的增加，每次都會加入新的噪聲和失真，信號質量會越來越差。而數字音頻技術的出現，解決了上述模擬信號中的諸多問題。

數字音頻技術是把模擬音頻信號變換為振幅不變的脈沖信號，音頻信號的信息量全部包含在脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation，PCM)中。各種處理設備引入的噪聲和產生的失真與數字信息完全分離。因此，數字音頻信號具有：復制不走樣、抗干擾能力強、動態范圍大、可遠距離傳輸、可以遠程監控等優點。

現如今，數字音頻信號還可以融入到網絡傳輸系統中，在一條傳輸線路上同時實行多路音頻信號的傳輸，大大節省了傳輸運行成本，簡化了傳輸線路。

音頻信號的數字化

將模擬信號轉換成數字信號，需要對模擬信號進行一系列的處理，如圖1所示，先對模擬信號進行采樣，再經過低通濾波器去除掉采樣中產生的高頻失真，通過量化將采樣后的數值調整為整數，再經過二進制編碼后生成數字信號。

圖1 音頻信號的數字化

采樣，是每隔一定的時間間隔，抽取信號的瞬時幅度值。每一秒鐘所采樣的次數叫做采樣頻率。以CD為例，采樣頻率為44.1kHz，即1秒鐘對模擬信號進行了44100次取值，如圖2b所示，采樣后的信號變成了多個密布的點。采樣頻率越高，抽取的點密度越高，信號也就越精準。

圖2a原模擬信號頻譜

圖2b采樣后的頻譜

在圖2b中采樣過后的信號除了原始頻譜之外，還會額外產生一些高頻的失真，形成新的頻譜。這些失真的頻譜以nfu(n為正整數)為中心、左右對稱，它的頻譜分布與原信號的頻譜形狀相同。采用低通濾波器(LPF)把新增加的多余的頻譜濾掉就可以恢復原信號的頻譜。

根據奈奎斯特(Nyquist)采樣定理：采樣頻率fs大于或等于采樣信號最高頻率fu的2倍，就可以通過低通濾波器恢復無失真的原始信號。如果fs<2fu，采樣過程中產生的一部分高頻失真會與原始頻譜相互疊加，如圖3中會產生頻譜混疊失真的現象，這種疊加是無法用低通濾波器分開的。

圖3 頻譜混疊失真

因此采樣頻率fs必須大于原信號中最高頻率的2倍以上，新增加的頻譜與原信號的頻譜才不會相互疊加。例如，人耳的聽音頻率上限是20kHz，采樣頻率最低應為40kHz。但低通濾波器有一定的截止邊沿寬度，是按一定規律逐步對信號衰減濾除的，為了較好的防止產生高頻失真，通常fs=(2.1~2.5) fu。CD的采樣頻率是44.1kHz，它等于20kHz的2.205倍。

采樣后的振幅值并不是整數，且是隨機變化的。還需要將這些隨機變化的振幅值通過四舍五入的方法將其變換為能用二進制數列來表達的數值，這個過程就是量化，單位是bit(比特)，如圖4中采樣和量化所示。采樣值是6.4的幅值量化后取整數6，采樣值是3.6的幅值量化后取整數4。

圖4 A/D轉換的三個步驟

將量化后的二進制數組按照時間順序排列成可以順序傳送的脈沖序列，這個過程就是編碼。由于數字電路以開關的通和斷(1和0)兩種狀態為基礎，可以大大簡化數字電路的運算，因此二進制編碼在數字技術中獲得了廣泛的應用。

圖5 量化誤差與量化位數的關系

量化級數越多，量化誤差就越小，聲音質量就越好，如圖5所示，3bit是23個二進制數，6bit是26個二進制數。對于音頻信號，由于動態范圍較大，而且要求的信噪比又高，所以量化的取值大一些，通常為16bit，甚至20-24bit。

以太網的傳輸方式

以太網創建于1980年，它是一種可以在互連設備之間相互傳送數據的技術。發展至今日，因它具有成本低、速率快、可靠性高等特點被廣泛的應用。我們可以通過以太網傳送Email、圖片、聲音、視頻等等。以太網絡使用CSMA/CD(載波監聽多路訪問及沖突檢測)技術，是一種爭用型的介質訪問控制協議。它的工作原理是: 發送數據前先偵聽信道是否空閑 ,若空閑，則立即發送數據。若信道忙碌，則等待一段時間至信道中的信息傳輸結束后再發送數據;若在上一段信息發送結束后，同時有兩個或兩個以上的節點都提出發送請求，則判定為沖突。若偵聽到沖突,則立即停止發送數據，等待一段隨機時間，再重新嘗試。我們稱這種傳輸機制為“Best Effort”(盡力而為)，也就是說當數據抵達端口后，本著FlFO(先入先出)的原則轉發。不對數據進行分類，當數據進入端口的速度大于端口能發送的速度時，FIFO按數據到達端口的先后順序讓數據進入隊列，同時，在出口讓數據按進隊的順序出隊，先進的數據將先出隊，后進的數據將后出隊。采用CSMA/CD控制方式的特點是：原理比較簡單，技術上容易實現，網絡中各工作站處于平等地位 ，不需集中控制，不提供優先級控制。

在以太網中，我們經常會遇到“帶寬”一詞，它是指在單位時間(一般指的是1秒鐘)內能傳輸的數據量。也就是在規定時間內從一端流到另一端的信息量，即數據傳輸率。數字信息流的基本單位是bit(比特)，時間的基本單位是s(秒)，因此bit/s(比特/秒，也用bps表示)是描述帶寬的單位，1bit/s是帶寬的基本單位。不難想象，以1bit/s的速率進行通信是非常緩慢的。幸好我們可以使用通信速率很快的設備，比如56k的調制解調器利用電話線撥號上網，其帶寬是56000bit/s(1k=1000bit/s), 電信ADSL寬帶上網在512kbit/s至100Mbit/s之間，而現如今的以太網則可以輕松達到100Mbit/s以上(1Mbit/s=1000*1000bit/s=1,000,000bit/s)。

以千兆網(1Gbit/s)為例：假如說交換機的端口帶寬是1Gbit/s，也就是1000,000,000bit/s，則說明每秒可傳輸1000,000,000個二進制的“位”，那么1bit所占用的時間是1÷1000,000,000=1ns。也就是每個二進制位(1bit)之間的時間間隔大于1ns時，就不會發成沖突，如圖6所示。

圖6

但在以太網傳輸中，并不是以二進制位(bit)來傳輸的，而是以“幀”為單位的。如圖7所示，在一幀中至少包含了46Byte(字節)的數據，那么一個最小的以太網幀是72Byte;如果一幀中包含的最大數據是1500Byte，那么一個最大的以太網幀是1526Byte。

圖7 以太網幀結構

網絡設備和組件在接收一個幀之后，需要一段短暫的時間來恢復并為接收下一幀做準備，也就是相鄰兩幀之間是有一個間隙的，IFG(Interframe Gap)幀間距。IFG的最小值是12Byte，如圖8所示。

圖8

我們假設這兩幀數據在千兆網(1Gbit/s)內傳輸，那么兩幀之間的時間間隔大于96ns就不會發生沖突。

隨著網絡帶寬的提升，千兆網在傳統以太網的基礎上對幀的數據量做出了一定的修改。采用了載波延伸(Gamier Extension)的方法，將最小字節擴展到512Byte，即凡是發送幀長不足512Byte時，就填充特殊字符(0F)補足。當許多短幀需要發送時，如果每一幀都擴展為512Byte，會造成資源的巨大浪費。因此又設定了幀突發(Frame Bursting)的方法，可以解決此問題，第一個短幀使用載波延伸，一旦發送成功，則隨后的短幀連續發送直到1500Byte為止。此期間由于線路始終處于“忙”的狀態，不會有其它站點搶占信道。