基于Wi-Fi私有協(xié)議的音頻系統(tǒng)設(shè)計

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發(fā)展，同時電視音響單元的設(shè)計空間也受到影響，越來越狹小的音響單元設(shè)計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知的提升，越來越多的用戶開始追求更好的家庭觀影視聽體驗，開始購買外置音箱來增強客廳觀影音效。

過去的音箱多以有線音箱為主，電視通過HDMIARC、光纖等線路傳輸音頻信號給音箱，但是有線極大影響美觀程度，并且隨著各類無線音頻傳輸技術(shù)的發(fā)展，更多的廠商選擇研發(fā)無線音箱。無線音響系統(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)需要隨時調(diào)整不同音箱的位置，特別是為了增加效果，還可以隨時配備臨時音箱，這些都是有線音響系統(tǒng)最頭痛的問題^[1]。因此無線音箱必將是未來的產(chǎn)品設(shè)計和技術(shù)發(fā)展方向。

目前主流的無線音頻傳輸技術(shù)有藍牙、5.8G、WiSA 和Wi-Fi。藍牙音箱是較為常見的無線音箱形態(tài)，適用性廣，但是有著較為明顯的缺陷：藍牙音頻編碼絕大部分都是壓縮傳輸?shù)?，在長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)用在無線音箱產(chǎn)品上，但是它們都有一個共同的缺點，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，針對音頻信號傳輸?shù)奶匦赃M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，實現(xiàn)電視與音箱系統(tǒng)，并且Wi-Fi 的帶寬大，使用場景靈活，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，一定是未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。

2   使用場景設(shè)計

Wi-Fi 私有協(xié)議的技術(shù)特點允許廠家設(shè)計一個使用方式靈活、可擴展性極強的音頻系統(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4.1 的多聲道組合。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)多個設(shè)備同時播出音畫時，為了使用戶主觀上沒有音畫不同步的觀感，即系統(tǒng)內(nèi)音畫同步的要求，需參照ITU-R BT1359-1 標準^[4]，要求系統(tǒng)內(nèi)音畫延遲在（-100~20）ms 之間，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)音畫延遲時間在此范圍內(nèi)時，則用戶感受不到系統(tǒng)內(nèi)音畫的延遲，才能給用戶帶來更好的視聽體驗。

圖1 ITU-R BT1359-1音畫同步標準

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)作藍牙音箱去使用，使用場景更加自由，這些產(chǎn)品優(yōu)勢都是藍牙或5.8G、WiSA 等技術(shù)無法實現(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 及藍牙）、功放模塊、喇叭、電源、接口（USB）、按鍵、時鐘模塊、復(fù)位模塊、FLASH。

一般藍牙音箱或5.8G 無線音箱不需要復(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，需要一個系統(tǒng)來進行總體的控制，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)計使用SoC 來負責(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)計將基于以下幾點，以達到系統(tǒng)中電視與外置音箱音畫同步的效果：

1）低延時Wi-Fi 傳輸：使用Wi-Fi 私有協(xié)議傳輸音頻信號，一是使用更小的數(shù)據(jù)包和更快的發(fā)送頻率來發(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 的方式將音頻信號發(fā)送給音箱端，電視端與音箱端直連，不經(jīng)過路由設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)；三是優(yōu)化軟件處理層級，音頻信號的發(fā)送不再經(jīng)過應(yīng)用程序?qū)樱ˋPPs）和應(yīng)用程序架構(gòu)層（API Framework），直接通過運行庫（Library）傳輸給Wi-Fi 芯片，從而降低低音頻信號的傳輸延時。傳輸延時在33 ms 以下；并且根據(jù)Wi-Fi 數(shù)據(jù)包重傳率來動態(tài)調(diào)整Wi-Fi 傳輸速率來說保證數(shù)據(jù)的傳輸品質(zhì)，降低丟包率，實現(xiàn)音頻傳輸不卡頓；

2）電視與音箱同步發(fā)聲優(yōu)化：由于電視平臺處理圖像和聲音的路徑不同，電視對于圖像的優(yōu)化會造成聲音與圖像之間有著一定的延時，一般來說，電視產(chǎn)品本地音畫的延時在（-50~20）ms 之間；再根據(jù)圖像幀率和音箱傳輸延時信息，動態(tài)調(diào)整電視本地聲音延時和畫面延時，實現(xiàn)進一步降低電視端與音箱端發(fā)聲的延時，實現(xiàn)同步發(fā)聲。

同時，在音箱端也可以實時調(diào)整延時，來匹配電視端的音畫延遲。音箱根據(jù)聲音延時值對PCM 數(shù)據(jù)包的輸出時間進行延時控制，進而實現(xiàn)所述視頻畫面與所述PCM 數(shù)據(jù)包對應(yīng)的音頻數(shù)據(jù)同步^[4]。

圖4 增加電視本地延時優(yōu)化音畫同步

3）音箱高精準同步：使用私有Wi-Fi 協(xié)議封裝的數(shù)據(jù)流會將每個數(shù)據(jù)塊打上時間戳，音箱端在播放接受到的數(shù)據(jù)時，會根據(jù)時間戳信息來動態(tài)調(diào)整播放時間，從而實現(xiàn)不同音箱之間的精準同步播放。

5   結(jié)束語

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)特點設(shè)計了該技術(shù)在音頻傳輸領(lǐng)域可搭建的音頻系統(tǒng)的廣泛使用場景，并設(shè)計了該系統(tǒng)相應(yīng)的軟硬件方案，從而達到了該基于Wi-Fi 私有協(xié)議架構(gòu)的音頻系統(tǒng)內(nèi)的音頻傳輸延時滿足行業(yè)內(nèi)音畫同步的標準，奠定了商業(yè)化的可行性。

參考文獻:

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

[2] 編輯部.為高質(zhì)量無線影院系統(tǒng)而來淺析WiSA無線傳輸技術(shù)的特點與優(yōu)勢[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)展趨勢研究[J].計算機產(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定時[S].國際組織:國際電信聯(lián)盟,1998.

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

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）