專業音頻IP 化進程和相關技術標準

管海建

（湖北廣播電視臺，湖北 武漢 430022）

0 引言

頻率在20 Hz～20 kHz 的信號是人的耳朵可以感知到的信號，稱為音頻信號。聲波可通過傳聲器轉化為電信號，這個信號在時間和幅度上都是連續的，稱為模擬信號（Analog Signal）。模擬音頻信號在復制、存儲、傳輸過程中容易受到溫度、噪聲、電磁感應的影響而產生失真，技術指標和運算精度難以提高。隨著信息和通信技術的進步，信號的數字處理技術迅速發展，音頻技術逐漸由模擬系統過渡到數字系統，系統的失真、信噪比和動態范圍等指標都得到很大提升。數字音頻設備逐步取代了模擬音頻設備，成為音頻信號制作、存儲和傳輸的主流。

IP 化音頻（Audio over IP，AoIP）是指通過IP網絡傳輸數字音頻信號的技術。以IP 方式傳輸的數字音頻也包括通過互聯網傳播的流媒體直播和點播、IP 電話等等。但是高性能的流化音頻具有非壓縮、低延時的特點，需要嚴格時鐘同步，而互聯網的傳輸性能通常不能滿足這個要求，所以一般高性能流化音頻僅適用于局域網中傳輸，通常應用在演藝擴聲、錄音制作、公共廣播、會議系統、影視劇場以及廣播電視中心等專業音頻信號場合［1］。

AoIP 基于IP 協議通信技術，能夠完全兼容通用的計算機局域網設備，如交換機、路由器等，系統的傳輸設備可以獲得更高的性價比，而網絡管理和監控技術也相對十分成熟。因此，隨著IT 行業的快速發展，越來越多的專業音頻廠家研究、開發基于IP網絡的音頻傳輸技術［2］。相對于傳統的數字音頻傳輸技術，AoIP 系統的適用范圍更廣、擴展能力更強。而不同廠商開發的系統的融合互通和兼容性，也一直是相關行業協會和用戶十分關注的話題。

1 專業音頻相關標準化組織

音頻工程學會（Audio Engineering Society，AES）是專注于音頻技術的國際性組織，1948 年成立于美國。其成員主要包括科研學者、音頻工程師、藝術家、在校學生以及對專業音頻行業感興趣的個人等。AES 在數字和模擬音頻工程、通信技術、聲學、媒體保存和創造性實踐的領域參與國際標準的制定和維護。AES 通過技術委員會及其附屬工作組，位于成熟和新興的音頻技術和工藝研發和應用的前列。在很多專業影視、電子電工行業制定國際標準時，涉及的音頻部分都是直接參考AES 發布的標準內容。

電影電視工程師協會（Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）成立于1916 年，擁有世界上八十多個國家的大約七千多名會員。SMPTE 在通信、媒體、娛樂和運動成像等領域具有權威性，由其制定的已經生效的標準、建議和指南有八百多種。SMPTE 在2017 年發布的ST2110 系列標準，適用于節目錄制、播出和專業媒體應用，支持利用IT 協議和設備來創建各種應用，為廣播電視行業從數字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）轉向IP 架構起到了里程碑式的作用，根本上改變了專業媒體流的管理、處理和傳輸方式。

歐洲廣播聯盟（European Broadcasting Union，EBU）1950 年2 月12 日建立，是由歐洲和北非的廣播業者組成的公共廣播組織，擁有五十多個國家的一百多個會員，總部位于瑞士日內瓦。中國中央廣播電視臺也是EBU 的準會員。EBU 成立了一個小組N/ACIP，目的是實現IP 標準的音頻兼容性。N/ACIP 的相關產品主要是運行在IP 網絡上的音頻編解碼設備。歐洲廠商基本都宣布支持N/ACIP 的標準。但是該標準不涉及同步機制，延遲相對較大。這些產品也更多應用于現場連線、遠程采訪等廣域網服務。

國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）于1906 年6 月在倫敦正式成立。IEC 的宗旨及目的是促進電子、電工以及相關技術領域有關標準化等問題（如標準的合格評定）的國際合作。IEC 已經是世界上最具權威性的國際標準化機構之一，每年要在世界各地召開一百多次國際標準會議。世界各國近10 萬名專家在參與IEC 的標準制定、修訂工作。

高級媒體工作流程協會（Advanced Media Workflow Association，AMWA）是一個推動網絡媒體工作流程解決方案發展的組織，其成員遍布全球各地。AMWA 為廣播電視行業制定了很多重要的技術標準和應用規范。其開發的網絡媒體開放規范（NMOS），推動整個行業向基于IP架構的領域發展，是廣電行業IP 化標準及規范的重要組成部分［1］。

2 數字音頻和IP 音頻的編碼和技術標準

2.1 數字音頻傳輸

AES3 是由音頻工程協會和歐洲廣播聯盟聯合開發的。該標準于1985 年首次發布，最早稱為AES/EBU，并于1992 年和2003 年進行了修訂，目前最新版本是AES3-2009。AES3 已被納入國際電工委員會（IEC）的標準IEC 60958。AES3 是用于在專業音頻設備之間交換數字音頻信號的標準協議。制定AES3 標準的其中一個目的是，允許將為模擬音頻信號傳輸而建立的電纜網絡重新用于數字信號傳輸。

AES3 對應的國內標準為《演播室音頻信號接口》（GY/T 158—2000）。一幀數據為64 位，包括兩個子幀（各32 位），每個子幀按順序包括4 位前置碼（又稱為前置同步字）、24 位采樣數據（含4 位輔助數據）、有效標志、用戶數據、聲道狀態和奇偶校驗各一位。按48 kHz 采樣率計算，AES3 數據流碼率大約為3.072 Mb·s-1［3］。

在AES3 的基礎上，1991 年，AES 又制定了面向多通道傳輸的標準AES10，多聲道數字音頻接口的數據格式（serial Multichannel Audio Digital Interface，MADI）。AES10 的最新版本是AES10-2008，對應的國內標準是《多通路音頻數字串行接口》（GY/T 187—2002）。AES10 每幀數據包含了32，56 或64 個通道，每通道包含32 位數據。其中頭四位表示MADI 標識，后面28 位與AES3 格式相同。量化位數最高可以達到每通道24 比特，使用單根75 Ω 的同軸電纜點對點互連，也可以使用光纖傳輸。MADI 傳輸速率最高可達到100 Mb·s-1。

2.2 IP 音頻傳輸

根據AES 的定義，非壓縮、低延時的音頻稱為高性能的流化音頻。其音頻質量高于44 kHz、16 bit，并且采用原始采樣數據無編碼，網絡延時一般低于10 ms。高性能流化音頻需要時鐘同步，同步特性是音頻低延時無損傳輸的基礎。

由于IT 行業的迅速發展，很多專業音頻廠家開始研發基于IP 網絡的音頻傳輸方式來代替繁雜的音頻線纜。早期成功案例包括CoraNet 和EtherSound。這些網絡協議主要工作在OSI 網絡模型的第二層，目前基本已經在市場上淡出了。目前市場上的主流AoIP 技術包括Ravenna，Dante，Livewire/Livewire+，WheatNet-IP 以 及Q-LAN 等。這些技術各有特點。

Dante 是澳大利亞Audinate 公司開發的最高可以傳輸192 kHz、32 bit 的無壓縮音頻。1 Gb·s-1的網絡中，每兩個節點之間最多可以傳送512×512個Dante 音頻通道，最低延時為150 μs。Dante 提供了豐富的開發工具和系列產品，為所有需要應用AoIP 技術的專業音視頻設備提供解決方案，包括可以集成到現有設備內部的小尺寸芯片、PCIe 網卡、虛擬聲卡、應用軟件以及大容量接口箱等，使這些產品在市場上得到廣泛應用。特別是傳統專業音頻設備廠商，通過集成Dante 相關解決方案，可以使原有音頻設備迅速集成AoIP 功能。Ravenna 是由ALC NetworkX 公司發布的基于IP 網絡的專業音頻實時傳輸協議，在歐洲專業設備生產商中獲得廣泛支持，在廣電行業應用較多，主要用于演播室信號分配、現場擴音及信號傳輸等。Livewire 協議是美國Telos Alliance 推出的AoIP 解決方案，協議主要應用于該公司開發的產品中，產品主要面向廣播電視領域。WheatNet-IP 系統由美國Wheartstone公司研發。該公司也是主要從事音響專業設備生產，產品主要應用于廣播電視行業。Q-LAN 是美國QSC 公司開發的私有協議，主要應用在自己公司的系列產品中。

AES 在2013 年9 月正式發布了AES67 標準。AES67 標準主要從會話描述、連接管理、發現服務、傳輸、編碼成流、同步及媒體時鐘等方面對AoIP 的工作原理進行了說明和規范［4-5］，對于基于實時傳輸協議（Real-time Transport Protocol，RTP）的流傳輸和IEEE 1588v2 同步機制作了明確規定，使不同廠家的AoIP 設備互聯互通成為可能。AES67 標準正式發布不久，各大廠家紛紛宣布支持這一標準，與AES67 保持一致性或者兼容該標準。Ravanne和Livewire+在AES67 框架內擴展了自己的內容，被稱為原生AES67 標準。而Dante 使用了兼容模式，其同步時鐘與AES67 標準并不一致，需要通過橋接的方式轉接AES67 網絡和Dante 網絡。參考AES67-2015 標準，國內由中央廣播電臺牽頭，國家新聞出版廣電總局廣播電視規劃院、國家新聞出版廣電總局廣播科學研究院以及部分國內廠家共同參與推出了《高性能流化音頻在IP 網絡上的互操作規范》（GY/T 304—2016）。

2017 年，SMPTE 推出了ST2110 系列標準，其中包括ST2110-10/20/30/31/40。標準對音視頻在IP 網絡上的實時傳輸做出了規范?；赟MPTE 的權威性，這一系列標準也獲得音視頻專業設備制造商的廣泛支持和推廣，是廣播電視領域轉向IP 化的里程碑。其中，ST2110-30 部分主要描述非壓縮PCM 數字音頻，實際是采用了AES67 的方案，但是二者還是有一些區別的。AES67 中的一些可選建議，在ST2110 中被列為強制規范，必須嚴格遵循。AIMS（IP 媒體解決方案聯盟）在2018 年發布白皮書《AES67 與SMPTE2110 的共性與約束》來說明二者之間的關系。另外，ST2110-31 也是與音頻傳輸相關的標準，主要描述如何實現AES3 幀信息在IP 網絡中的透傳［1］。

AES67 標準定義了AoIP 系統的互操作規范，適用于不同系統的IP 音頻信號對接，但對于設備管理及控制并沒有做出定義，然而網絡中這些不同系統互聯的音頻設備如何連接管理和控制也非常重要。2016 年，AES 又發布了《面向網絡的音頻應用-開放式控制架構》（AES70-2015）。AES70由框架、類結構及TCP/IP 網絡協議三個部分組成，主要作用是通過IP 網絡來完成對不同生產商專業設備的控制，如音量、路由切換、電平顯示、參數設置等設備控制信息［6］。AES70 不提供信號傳輸的規范，需要通過與AES67 等標準聯合使用來完成媒體的傳輸、控制和連接管理等功能。AES70 標準也是專業IP化進程中的一個重要標志。參照AES70標準，2019 年，國家廣播電視總局推出了《網絡音頻應用的開放式控制架構》（GY/T 322—2019）行業規范。

3 IP 音頻網絡的運維與管理

相對于傳統的數字音頻傳輸網絡，IP 網絡的帶寬利用率要高得多，由于減少了冗余線路，系統變得簡單。IP 數據傳輸包含路由信息和各種控制信息，因此系統運維和管理相對都發生了很大的變化。隨著IT 行業的發展，IP 網絡的規劃和管理也有了比較成熟的機制。與傳統的指標測試不同，IP 音頻網絡更注重用協議分析來判斷媒體流的同步、控制和路由信息是否正確。技術人員通常會采用的手段包括抓包分析工具、網管軟件及IP 示波器等。

IP 示波器是廣電行業的專業檢查工具，主要用來監測核心的廣電行業網絡中的視音頻和同步問題。IP 示波器相對于傳統設備增加了網絡接口和協議分析功能，可以讀取系統IP 流的狀態（如音視頻數據、NMOS 控制等信息）、時鐘信息（PTP delay、offset、抖動及相位等信息）等進行分析，同時顯示解析出的媒體信息。IP 示波器通過編解碼器將IP 數據還原成音視頻實時監測信息，可以直觀地看到圖像或聽見聲音，便于判斷。IP 示波器支持基本的網絡協議和主流的音視頻傳輸協議，側重于對音視頻和同步的局部深度分析，但無法解析IP數據的深層次內容。

在專業媒體系統中，交換機已經成為架構中的核心。交換機的作用類似于傳統音頻網絡中的大型矩陣。通過檢查交換機的狀態顯示，可以輔助查看網絡狀態，檢查IP 信號傳輸是否正常。交換機的狀態信息主要包括配置、溫度、固件版本、CPU占用率以及診斷日志等。IP 信號的狀態、網絡流量、丟包信息、組播狀態以及同步狀態等信息對系統運行狀態檢測十分關鍵。通過交換機廠家提供的配置和監測軟件、第三方網管軟件對交換機數據流和上述指標進行監測，可以實時了解媒體流的傳輸狀況。

Wireshark 軟件是一個開源的網絡數據包分析器，可以詳細地展示截獲的數據包內容，在網絡管理、軟件開發等工作中獲得廣泛應用。網絡包分析器可以當作是一個測量儀器，用于檢查網絡媒體數據包的傳送情況，就像用測試儀檢測技術指標、用示波器檢查信號波形一樣。Wireshark 可以非常詳細地顯示網絡數據流的狀況?？梢岳盟鼇矸治霭^信息，了解端口對接的過程，讀取報文數據內容。Wireshark 是IT 行業通用的專業數據報文監測工具，能夠適應各種不同的網絡環境，不僅能夠對廣電行業的數據進行分析，還能對其他IT 網絡中的協議對接、數據傳輸及帶寬占用進行分析。Wireshark 沒有編解碼器，只能將數據包以報文的形式展現出來。包頭信息可以直觀地看到，但是音視頻數據需要借助其他軟件或者插件才能夠查看到內容。例如，想要查看ST2110 系列協議集數據包的內容，還需要分別安裝相關插件，ST2110 標準集的部分插件在GitHub 網站上開源，可以下載。抓包分析工作需要技術人員對網絡通信協議和專業音頻技術標準非常熟悉，這樣才有利于對結果的研判和分析。

4 結語

隨著專業音頻IP 化進程加快和相關技術標準的推廣，AoIP 在專業音頻領域的公共廣播、演藝系統、影院系統、會議系統以及廣播電視行業制播系統、總控系統、監測系統中的應用也越來越廣泛。這對于從事專業音頻系統設計和運維的技術人員、音頻工程師等提出了更高的要求。其需要掌握的學科范圍也變得更廣，除了聲學基礎理論、專業音頻知識，還需要擴展到網絡技術，掌握網絡通信原理和AoIP 的工作原理。