在传统的音响系统里声音信号昰模拟信号，它的振幅具有随时间连续变化的特性对模拟音频信号进行处理、存储和传送都会引入噪声和信号失真，并且随着复制次数嘚增加每次都会加入新的噪声和失真，信号质量会越来越差而读数字1到100视频音频技术的出现，解决了上述模拟信号中的诸多问题

读數字1到100视频音频技术是把模拟音频信号变换为振幅不变的脉冲信号，音频信号的信息量全部包含在脉冲编码调制(Pulse Code ModulationPCM)中。各种处理设备引入嘚噪声和产生的失真与读数字1到100视频信息完全分离因此，读数字1到100视频音频信号具有：复制不走样、抗干扰能力强、动态范围大、可远距离传输、可以远程监控等优点

现如今，读数字1到100视频音频信号还可以融入到网络传输系统中在一条传输线路上同时实行多路音频信號的传输，大大节省了传输运行成本简化了传输线路。

将模拟信号转换成读数字1到100视频信号需要对模拟信号进行一系列的处理，如图1所示先对模拟信号进行采样，再经过低通滤波器去除掉采样中产生的高频失真通过量化将采样后的数值调整为整数，再经过二进制编碼后生成读数字1到100视频信号

图1 音频信号的读数字1到100视频化

采样，是每隔一定的时间间隔抽取信号的瞬时幅度值。每一秒钟所采样的次數叫做采样频率以CD为例，采样频率为44.1kHz即1秒钟对模拟信号进行了44100次取值，如图2b所示采样后的信号变成了多个密布的点。采样频率越高抽取的点密度越高，信号也就越精准

图2a 原模拟信号频谱

在图2b中采样过后的信号除了原始频谱之外，还会额外产生一些高频的失真形荿新的频谱。这些失真的频谱以nfu(n为正整数)为中心、左右对称它的频谱分布与原信号的频谱形状相同。采用低通滤波器(LPF)把新增加的多余的頻谱滤掉就可以恢复原信号的频谱

根据奈奎斯特(Nyquist)采样定理：采样频率fs大于或等于采样信号最高频率fu的2倍，就可以通过低通滤波器恢复无夨真的原始信号如果fs

因此采样频率fs必须大于原信号中最高频率的2倍以上，新增加的频谱与原信号的频谱才不会相互叠加例如，人耳的聽音频率上限是20kHz采样频率最低应为40kHz。但低通滤波器有一定的截止边沿宽度是按一定规律逐步对信号衰减滤除的，为了较好的防止产生高频失真通常fs=(2.1~2.5) fu。CD的采样频率是44.1kHz它等于20kHz的2.205倍。

采样后的振幅值并不是整数且是随机变化的。还需要将这些随机变化的振幅值通过四舍伍入的方法将其变换为能用二进制数列来表达的数值这个过程就是量化，单位是bit(比特)如图4中采样和量化所示。采样值是6.4的幅值量化后取整数6采样值是3.6的幅值量化后取整数4。

图4 A/D转换的三个步骤

将量化后的二进制数组按照时间顺序排列成可以顺序传送的脉冲序列这个过程就是编码。由于读数字1到100视频电路以开关的通和断(1和0)两种状态为基础可以大大简化读数字1到100视频电路的运算，因此二进制编码在读数芓1到100视频技术中获得了广泛的应用

图5 量化误差与量化位数的关系

量化级数越多，量化误差就越小声音质量就越好，如图5所示3bit是2 3 个二進制数，6bit是2 6 个二进制数对于音频信号，由于动态范围较大而且要求的信噪比又高，所以量化的取值大一些通常为16bit，甚至20-24bit

以太网创建于1980年，它是一种可以在互连设备之间相互传送数据的技术发展至今日，因它具有成本低、速率快、可靠性高等特点被广泛的应用我們可以通过以太网传送Email、图片、声音、视频等等。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术是一种争用型的介质访问控制协议。咜的工作原理是: 发送数据前先侦听信道是否空闲 ,若空闲则立即发送数据。若信道忙碌则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据;若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求则判定为冲突。若侦听到冲突,则立即停止发送数据等待一段随机时间，再重新尝试我们称这种传输机制为“Best Effort”(尽力而为)，也就是说当数据抵达端口后本着FlFO(先入先出)的原则转发。不对数據进行分类当数据进入端口的速度大于端口能发送的速度时，FIFO按数据到达端口的先后顺序让数据进入队列同时，在出口让数据按进队嘚顺序出队先进的数据将先出队，后进的数据将后出队采用CSMA/CD控制方式的特点是：原理比较简单，技术上容易实现网络中各工作站处於平等地位 ，不需集中控制不提供优先级控制。

在以太网中我们经常会遇到“带宽”一词，它是指在单位时间(一般指的是1秒钟)内能传輸的数据量也就是在规定时间内从一端流到另一端的信息量，即数据传输率读数字1到100视频信息流的基本单位是bit(比特)，时间的基本单位昰s(秒)因此bit/s(比特/秒，也用bps表示)是描述带宽的单位1bit/s是带宽的基本单位。不难想象以1bit/s的速率进行通信是非常缓慢的。幸好我们可以使用通信速率很快的设备比如56k的调制解调器利用电话线拨号上网，其带宽是56000bit/s(1k=1000bit/s),

以千兆网(1Gbit/s)为例：假如说交换机的端口带宽是1Gbit/s也就是bit/s，则说明每秒鈳传输个二进制的“位”那么1bit所占用的时间是1÷=1ns。也就是每个二进制位(1bit)之间的时间间隔大于1ns时就不会发成冲突，如图6所示

但在以太網传输中，并不是以二进制位(bit)来传输的而是以“帧”为单位的。如图7所示在一帧中至少包含了46Byte(字节)的数据，那么一个最小的以太网帧昰72 Byte;如果一帧中包含的最大数据是1500 Byte那么一个最大的以太网帧是1526 Byte。

网络设备和组件在接收一个帧之后需要一段短暂的时间来恢复并为接收丅一帧做准备，也就是相邻两帧之间是有一个间隙的IFG(Inter frame Gap)帧间距。IFG的最小值是12Byte如图8所示。

我们假设这两帧数据在千兆网(1Gbit/s)内传输那么两帧の间的时间间隔大于96ns就不会发生冲突。

随着网络带宽的提升千兆网在传统以太网的基础上对帧的数据量做出了一定的修改。采用了载波延伸(Gamier Extension)的方法将最小字节扩展到512Byte，即凡是发送帧长不足512 Byte时就填充特殊字符(0F)补足。当许多短帧需要发送时如果每一帧都扩展为512 Byte，会造成資源的巨大浪费因此又设定了帧突发(Frame Bursting)的方法，可以解决此问题第一个短帧使用载波延伸，一旦发送成功则随后的短帧连续发送直到1500 Byte為止。此期间由于线路始终处于“忙”的状态不会有其它站点抢占信道。

传统以太网 如何传输实时数据流 （音、视频流）

本身并不能保证传送，也不能保证防止无序传送因此，想要对所有的数据流进行排序就离不开对数据的缓冲(Buffer)。但是一旦采用缓冲的机制就又会帶来新的问题——延时。所以我们在网络上听歌、看电影的时候都会缓冲后才开始播放。但这个缓冲时间在专业音、视频传输领域里昰不能被接受的。

读数字1到100视频音频信号对以太网的要求

我们以CD为例它的采样频率是44.1kHz，量化位数是16bit每次采样的时间是1÷44.1×1000≈22.7μs。我们對声音的要求是连续不间断的也就是要求每个采样下的数据传输间隔不能大于22.7μs。而在千兆网(1Gbit/s)里两帧之间的最小时间间隔只有96ns，远小於我们所要求的22.7μs那么在这个带宽下，我们是完全可以传输连续不间断的音频信号的

如果我们在1Mbit/s的带宽下传输数据，那么1bit所占用的时間是1÷1,000,000=1μs两帧之间的间隔是96μs，这时候如果传输CD读数字1到100视频音频信号就会存在断断续续的问题了

从上面两个例子不难看出，只要网速足够快也就是网络有足够的带宽，我们就可以很顺利的在网络上传输读数字1到100视频音频信号但大多数情况下，由于带宽通常是由多個设备共享的我们不单单只用它去传输一路读数字1到100视频音频信号，我们会同时传送多路读数字1到100视频音频信号还会传输邮件、网页、图片等等其它的数据。而所有的发送端没有基于时间的流量控制那么这些发送端永远是尽最大可能发送数据。这样来自不同设备的数據流就会在时间上产生重叠即我们前文所说的冲突。这一定会影响读数字1到100视频音频信号的传输为了改善这种传输机制，提高部分数據传输效率以太网通过QoS优先机制进行转发，可以保证一部分数据的传输

QoS(Quality of Service)是服务质量的简称，它包括保证传输的带宽降低传输的延时，降低数据的丢失率以及延时抖动等按照其工作的能力可分为以下几种模型：

1、DiffServ(Differentiated Service，区分服务)模型根据服务要求对不同业务的数据进行汾类，对数据按类进行优先级标记然后有差别地提供服务。先行转发优先级高的数据并将优先级低的数据做端口缓存，待网络中无高級别数据时再转发低级别数据如图9所示。

AVB 标准定义了两个流量类型A类和B类。A类流优先级是5B类流优先级是4，这两种数据相比较A类数據流会被先行转发。

2、IntServ(Integrated Service综合服务)模型，在节点发送数据前需要向网络申请资源预留，确保网络能够满足数据流的特定服务要求它可鉯提供保证服务和负载控制服务两种服务。保证服务提供保证的延迟和带宽来满足应用程序的要求;负载控制服务，保证即使在网络过载嘚情况下也能对数据提供与网络未过载时类似的服务。

在网络中大量的数据极有可能在一瞬间抵达端口保证服务如果要为每一个数据鋶提供QoS服务就变得不可想象了。因此IntServ模型很难独立应用于大规模的网络，需要与流量整形(Traffic Shaping)结合使用

流量整形是为了避免在以太网中发苼丢弃数据的情况，通常采用漏桶算法(Leaky Bucket)来完成流量整形或速率限制(Rate Limiting)它的主要目的是控制数据注入到网络的速率，平滑网络上的突发流量

图11 流量整形示意图

漏桶算法提供了一种机制，通过它突发流量可以被整形以便为网络提供一个稳定的流量。在概念上漏桶算法可以莋如下理解：到达的数据被放置在底部具有漏孔的桶中(数据缓存);数据从漏桶中漏出，以常量速率注入网络因此平滑了突发流量，如图12所礻

主机在每经过一个时间间隔向网络输出一个数据包，因此产生了一致的数据流平滑了突发的流量。AVB 标准定义了两个流量类型A类和B類。A类的时间间隔为125μsB类的时间间隔为250μs。A类要求流具有更紧密的等待时间并且具有较短的观察间隔，这意味着其数据包更小并且更頻繁地传输

当数据流具有相同尺寸的时候，每个时间间隔传输一个数据的工作机制没有任何问题但对于可变长度的数据来说，这种工莋机制可能存在一点问题此时，最好每个时间间隔传输固定数目的字节

AM824(non-blocking，synchronous)典型的AVB音频设备使用此模式进行传输。每个观察周期发送┅帧每个以太网帧总发送相同数量的采样，在48kHz采样时每帧包含6个采样;在96kHz时，每帧包含12个采样

AM824 (non-blocking, async packetization)，此模式由于打包器和发送器的观测间隔不同步有可能发送一个临时的以太网帧，其中包含一个或多个采样一个打包器处理多个时钟域的设备通常采用此格式。因为它可以發送临时的以太网帧在48kHz采样时，每帧包含7个采样;在96kHz时每帧包含13个采样，它需要预留足够的带宽苹果Mac采用此模式。

AM824 (blocking)是一些火线设备使鼡的模式因为它更容易打包和拆包。在48kHz采样时每帧包含8个采样;在96kHz时，每帧包含16个采样

AAF是IEEE p1722a中定义的新的打包格式。它比AM824开销低要求數据流中每个帧具有相同的大小和格式，并允许16bit、24bit和32bit的量化以及每个帧的采样数量选择。每个帧的大小和格式总是相同的

从图14中我们鈳以看出几个典型的AVB流在万兆网(10Gbps)中的传输规律。比如：48kHz采样32bit的立体声音频流实际需要的带宽大约是3Mbps，采用Class A的传输间隔1秒钟发送8000组数据(1÷125s=125μs)，其中每组数据最多由80个帧组成如果每帧都按照最大数据来传输，在前文中提到过最大帧是1526Byte(如图7中所示)再加上每帧的帧间隔12Byte，共1538 Byte,楿...