數(shù)字音頻傳輸

1趋距、數(shù)字音頻傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的模擬音頻傳輸存在信號(hào)損耗粒氧、電磁干擾和接地干擾等問(wèn)題；而數(shù)字音頻傳輸抗干擾能力強(qiáng)节腐，整個(gè)系統(tǒng)的信噪比及失真與傳輸距離無(wú)關(guān)外盯，保真度更高摘盆。

2、數(shù)字音頻傳輸?shù)陌l(fā)展

1.1 IEC 60958

IEC 60958標(biāo)準(zhǔn)包含AES3（IEC 60958 type I）與S/PDIF（IEC 60958 type II）饱苟。

1.1.1 AES3

AES3也稱(chēng)為AES/EBU孩擂，全稱(chēng)為Audio Engineering Society/European Broadcasting Union
(錄音師協(xié)會(huì)/歐洲廣播系統(tǒng)聯(lián)盟) ，是由AES和EBU一起開(kāi)發(fā)的數(shù)字音頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)箱熬，傳輸媒介有：

110歐姆屏蔽雙絞線+XLR 3線接口
75歐姆同軸電纜+BNC接口（稱(chēng)為AES-3id类垦，是AES3標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)子集）

1.1.2 S/PDIF

S/PDIF全稱(chēng)為Sony/Philips Digital Interconnect Format，Sony和Philips為主要設(shè)計(jì)者城须，是以AES3為基礎(chǔ)針對(duì)消費(fèi)級(jí)音頻設(shè)備短距離傳輸場(chǎng)景設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)蚤认，可以使用成本較低的硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸。傳輸媒介有：

75歐姆同軸電纜+RCA接口
光纖傳輸+TOSLINK光纖接口糕伐。

圖1 AES/EBU與S/PDIF

1.2 AES10（也稱(chēng)為MADI）

AES3只能傳輸兩通道數(shù)字音頻砰琢，為了解決此問(wèn)題，AES10被制訂良瞧。AES10使用了多路時(shí)分復(fù)用技術(shù)陪汽，可以傳輸56通道（48kHz）或32（96kHz）24bit的數(shù)字音頻信號(hào)。

1.3 AoIP（Audio over IP）

上述的格式都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸莺褒，存在以下缺點(diǎn)：

需要使用專(zhuān)用的接口和線纜掩缓，價(jià)格昂貴
只能傳輸音頻信號(hào)，并需要專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘源進(jìn)行同步
只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸遵岩，應(yīng)用間傳輸需要大量布線你辣，難以管理，檢修與操作都很麻煩

而AoIP成本低尘执，部署簡(jiǎn)單舍哄，易于管理。
目前音頻網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)主要集中在OSI網(wǎng)絡(luò)體系的第二層和第三層誊锭。

二層音頻標(biāo)準(zhǔn)	三層音頻標(biāo)準(zhǔn)
AES51	Ravenna
AVB	Dante
Cobranet	AES67
RAVE	Q-Lan
Ethersound	WheatNet-IP
REAC	Livewire

第二層音頻標(biāo)準(zhǔn)的弊端在于構(gòu)建音頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要專(zhuān)用的交換機(jī)表悬，無(wú)法利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致費(fèi)用增加丧靡，限制了這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍蟆沫。而第三層音頻標(biāo)準(zhǔn)能讓音頻數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)的路由器中傳輸，從而大大提高了經(jīng)濟(jì)性温治。目前主流的音頻網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)為Dante饭庞、Ravenna和AES67。

1.3.1 Dante

Dante是Audinate公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)利技術(shù)熬荆，是一個(gè)封閉式標(biāo)準(zhǔn)舟山。其相位同步基于IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，采用Zeroconf協(xié)議。它的優(yōu)勢(shì)在于硬件工作穩(wěn)定累盗，大部分主流音頻設(shè)備生產(chǎn)商都采用Dante寒矿。

1.3.2 Livewire

Livewire由Axia Audio公司開(kāi)發(fā)，與Dante類(lèi)似若债，Livewire是一個(gè)綜合性的音頻網(wǎng)絡(luò)符相，除了音頻，Livewire網(wǎng)絡(luò)中還傳輸Livewire網(wǎng)絡(luò)同步信號(hào)拆座、控制信號(hào)主巍、狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)等。

1.3.3 AES67

由于上述的協(xié)議互不兼容挪凑，無(wú)法互通孕索，限制了AoIP的發(fā)展，因此AES67被制訂躏碳。AES67并不是要建立一種全新的標(biāo)準(zhǔn)搞旭，而是要在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上定義一個(gè)讓不同類(lèi)型協(xié)議互通的規(guī)范。目前Ravenna菇绵，Dante肄渗，Q-Lan，Liveware等協(xié)議均已實(shí)現(xiàn)對(duì)AES67的兼容咬最。

1.3.4 Ravenna

Ravenna是一種免費(fèi)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)翎嫡，無(wú)需專(zhuān)門(mén)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。其整體架構(gòu)與AES67類(lèi)似永乌，不過(guò)增加了更多選擇惑申。譬如采樣率方面，Ravenna除了可以選擇48kHz翅雏，還可以選擇192kHz與384kHz圈驼；AES67規(guī)定荷載為PCM，而Ravenna還可以傳輸DSD/DXD碼流望几。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)	Dante	Livewire+	AES67	Ravenna
研發(fā)公司	Audinate	Telos/Axia	AES	Ravenna
同步協(xié)議	PTPv1	PTPv2	PTPv2	PTPv2
授權(quán)方式	銷(xiāo)售統(tǒng)一的硬件和軟件產(chǎn)品	授權(quán)Telos聯(lián)盟旗下公司使用	技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)	由RAVENNA授權(quán)免費(fèi)使用
最小延時(shí)時(shí)間	小于150us	小于1ms	小于10ms	小于1ms
發(fā)現(xiàn)協(xié)議	Bonjour/SAP	Axial Discovery	無(wú)	SAP
Qos	DiffServ	DiffServ	DiffServ	DiffServ

3 AES67

AES67協(xié)議的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不同音頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的互通绩脆，它僅關(guān)注傳輸部分。

圖2 與Dante這類(lèi)解決方案相比橄抹，AES67只關(guān)注傳輸部分

AES67對(duì)同步靴迫、媒體時(shí)鐘、網(wǎng)絡(luò)傳輸楼誓、編碼矢劲、會(huì)話描述和連接管理方面做出了相應(yīng)的規(guī)定，它包含3個(gè)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)：PTP精確時(shí)鐘協(xié)議慌随、RTP協(xié)議和SDP協(xié)議。

3.1 同步

3.1.1 為什么需要嚴(yán)格的時(shí)鐘同步？

在AoIP中阁猜，時(shí)鐘頻率同步和相位同步是不同音頻信號(hào)在不同設(shè)備間協(xié)同工作的前提丸逸。
溫度（容易受cpu負(fù)載影響）、大氣壓與時(shí)鐘振蕩器的差異導(dǎo)致每個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)都會(huì)有一定量的偏差剃袍，這種偏差就會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)不精確黄刚，從而影響到音頻的質(zhì)量。
時(shí)鐘惡化通常來(lái)自抖動(dòng)與漂移民效。

3.1.1.1 抖動(dòng)

圖3 藍(lán)色是理想的時(shí)鐘信號(hào)憔维，紅色為發(fā)生抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)

抖動(dòng)會(huì)引起數(shù)字信號(hào)的失真，如下圖4所示：

圖4 抖動(dòng)導(dǎo)致波形發(fā)生形變

這種失真也被稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)的相位噪聲畏邢，它在高頻信號(hào)上更加明顯业扒。抖動(dòng)引起的失真會(huì)導(dǎo)致多聲道的空間感丟失。

3.1.1.2 漂移

當(dāng)設(shè)備間的時(shí)鐘頻率不一致（一個(gè)走得慢一個(gè)走得快）便會(huì)導(dǎo)致漂移舒萎。隨著時(shí)間的推移程储，漂移導(dǎo)致的差異會(huì)變得越發(fā)顯著，最終導(dǎo)致同步失敗臂寝。同時(shí)章鲤，播放與采集設(shè)備間的時(shí)鐘漂移也會(huì)導(dǎo)致AEC算法無(wú)法收斂。

3.1.2 如何實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步咆贬？

不同設(shè)備同步到一個(gè)公共時(shí)鐘能確保所有流以相同速率采樣和還原败徊，同一速率的多個(gè)流可以被接受端輕易合成。在AES67中掏缎，通過(guò)PTP（IEEE 1588-2008）實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率和相位的同步皱蹦。

相位同步（Phase synchronization）：信號(hào)之間的相位差恒為零
頻率同步（Frequency synchronization）：信號(hào)之間保持恒定相位差

圖5 相位同步與頻率同步

3.1.2.1 PTP基本概念

1、PTP域

我們將應(yīng)用了PTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為PTP域御毅。PTP域內(nèi)有且只有一個(gè)同步時(shí)鐘根欧，域內(nèi)的所有設(shè)備都與該時(shí)鐘保持同步。

2端蛆、PTP端口

我們將設(shè)備上運(yùn)行了PTP協(xié)議的端口稱(chēng)為PTP端口凤粗。如下面圖6所示，PTP端口的角色可分為以下三種：

主端口（Master Port）：發(fā)布同步時(shí)間的端口今豆，可存在于BC或OC上嫌拣。
從端口（Slave Port）：接收同步時(shí)間的端口，可存在于BC或OC上呆躲。
被動(dòng)端口（Passive Port）：既不接收同步時(shí)間异逐、也不對(duì)外發(fā)布同步時(shí)間的端口，只存在于BC上插掂。

3灰瞻、時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)

PTP域中的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)腥例，PTP協(xié)議定義了以下三種類(lèi)型的基本時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)：

OC（Ordinary Clock，普通時(shí)鐘）：該時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)PTP域內(nèi)只有一個(gè)PTP端口參與相位同步酝润，并通過(guò)該端口從上游時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)同步時(shí)間燎竖。此外，當(dāng)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)作為時(shí)鐘源時(shí)要销，可以只通過(guò)一個(gè)PTP端口向下游時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)布時(shí)間构回，我們也稱(chēng)其為OC。
BC（Boundary Clock疏咐，邊界時(shí)鐘）：該時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)PTP域內(nèi)擁有多個(gè)PTP端口參與相位同步纤掸。它通過(guò)其中一個(gè)端口從上游時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)同步時(shí)間，并通過(guò)其余端口向下游時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)布時(shí)間浑塞。此外借跪，當(dāng)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)作為時(shí)鐘源時(shí)，可以通過(guò)多個(gè)PTP端口向下游時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)布時(shí)間的缩举，我們也稱(chēng)其為BC垦梆，如圖6中的BC 1。
TC（Transparent clock仅孩，透明時(shí)鐘）：與BC/OC相比托猩，BC/OC需要與其它時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)保持相位同步，而TC則不與其它時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)保持相位同步辽慕。TC有多個(gè)PTP端口京腥，但它只在這些端口間轉(zhuǎn)發(fā)PTP協(xié)議報(bào)文并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)校正，而不會(huì)通過(guò)任何一個(gè)端口同步時(shí)間溅蛉。TC包括以下兩種類(lèi)型：
- E2ETC（End-to-End Transparent Clock公浪，端到端透明時(shí)鐘）：直接轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中非P2P（Peer-to-Peer，點(diǎn)到點(diǎn)）類(lèi)型的協(xié)議報(bào)文船侧，并參與計(jì)算整條鏈路的延時(shí)欠气。
- P2PTC（Peer-to-Peer Transparent Clock，點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘）：只直接轉(zhuǎn)發(fā)Sync報(bào)文镜撩、Follow_Up報(bào)文和Announce報(bào)文预柒，而終結(jié)其它PTP協(xié)議報(bào)文，并參與計(jì)算整條鏈路上每一段鏈路的延時(shí)袁梗。
  
  圖6 時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)示意圖

4宜鸯、PTP域網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h5>
PTP域有邊界時(shí)鐘和透?jìng)鲿r(shí)鐘兩種組網(wǎng)模式。
邊界時(shí)鐘模式下的網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)設(shè)備有多個(gè)1588端口遮怜，其中一個(gè)端口作為從時(shí)鐘和上級(jí)時(shí)鐘保持同步淋袖，其他端口則作為下一級(jí)網(wǎng)元的主時(shí)鐘。設(shè)備收到1588v2報(bào)文之后進(jìn)行終結(jié)锯梁，然后生成新的報(bào)文再向下游傳遞即碗。

圖7 邊界時(shí)鐘模式

透?jìng)鲿r(shí)鐘下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收到來(lái)自時(shí)鐘源的1588v2報(bào)文之后不進(jìn)行終結(jié)焰情，而是根據(jù)報(bào)文的駐留時(shí)間和鏈路時(shí)延，修正報(bào)文的時(shí)間戳信息剥懒，并將其傳送給下游設(shè)備烙样。

圖8 透?jìng)鲿r(shí)鐘模式

精度對(duì)比：邊界時(shí)鐘模式下，由于分組網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性蕊肥，中間節(jié)點(diǎn)不可能百分之百地恢復(fù)原始時(shí)鐘，而是存在或多或少的誤差蛤肌，這樣傳遞給下游的時(shí)鐘就產(chǎn)生了漂移壁却，并且這樣的漂移還會(huì)隨著跳數(shù)的增加而不斷累積。而透?jìng)鲿r(shí)鐘模式下裸准，中間節(jié)點(diǎn)只修正時(shí)延展东，對(duì)跳數(shù)并不敏感，故其理論上的精度高于邊界時(shí)鐘炒俱。然而在實(shí)際使用中盐肃，由于邊界時(shí)鐘模式下的漂移是不定向的，可能不斷累積增大权悟，也可能多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生的漂移可能相互抵消砸王，所以實(shí)際上兩種模式的精度相當(dāng)。

性能對(duì)比：邊界時(shí)鐘模式下峦阁，BC交換機(jī)收到PTP信號(hào)后就作為時(shí)鐘的邊界以主鐘Master方式將同步信號(hào)分散到下面鏈路上的終端設(shè)備中去谦铃，交換機(jī)完全承擔(dān)了同步負(fù)載壓力，頂層同步機(jī)的壓力就會(huì)很小榔昔。在大規(guī)模系統(tǒng)中為確保上百個(gè)鎖相終端的同步安全驹闰，BC交換機(jī)是首選。而透?jìng)鲿r(shí)鐘模式下撒会，透?jìng)鲿r(shí)鐘交換機(jī)鏈接的所有終端都得透過(guò)交換機(jī)去和同步機(jī)鎖相握手嘹朗，當(dāng)同步終端眾多時(shí)同步機(jī)的負(fù)載壓力加大會(huì)導(dǎo)致崩潰。

5诵肛、主從關(guān)系

主從關(guān)系（Master-Slave）是相對(duì)而言的屹培，對(duì)于相互同步的一對(duì)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，存在如下主從關(guān)系：

發(fā)布同步時(shí)間的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為主節(jié)點(diǎn)曾掂，而接收同步時(shí)間的節(jié)點(diǎn)則稱(chēng)為從節(jié)點(diǎn)惫谤。
主節(jié)點(diǎn)上的時(shí)鐘稱(chēng)為主時(shí)鐘，而從節(jié)點(diǎn)上的時(shí)鐘則稱(chēng)為從時(shí)鐘珠洗。
發(fā)布同步時(shí)間的端口稱(chēng)為主端口溜歪，而接收同步時(shí)間的端口則稱(chēng)為從端口。

6许蓖、最優(yōu)時(shí)鐘

如圖6所示蝴猪，PTP域中所有的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)都按一定層次組織在一起调衰，整個(gè)域的參考時(shí)間就是最優(yōu)時(shí)鐘（Grandmaster Clock，GM）自阱，即最高層次的時(shí)鐘嚎莉。通過(guò)各時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間PTP協(xié)議報(bào)文的交互，最優(yōu)時(shí)鐘的時(shí)間最終將被同步到整個(gè)PTP域中沛豌，因此也稱(chēng)其為時(shí)鐘源趋箩。
最優(yōu)時(shí)鐘可以通過(guò)手工配置靜態(tài)指定，也可以通過(guò)BMC（Best Master Clock加派，最佳主時(shí)鐘）協(xié)議動(dòng)態(tài)選舉叫确。

手工配置指手動(dòng)將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的priority1值設(shè)置成最小，BMC算法首先比對(duì)信號(hào)發(fā)生器的priority1參數(shù)芍锦，誰(shuí)的數(shù)值最小誰(shuí)的PTP優(yōu)先級(jí)就最高誰(shuí)就是BMC最佳主時(shí)鐘竹勉。

如果系統(tǒng)中存在多個(gè)priority1數(shù)值相同的GM時(shí)鐘，那么交換機(jī)就進(jìn)行動(dòng)態(tài)BMC推舉算法娄琉。
動(dòng)態(tài)選舉的過(guò)程：
1次乓、各時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)交互的Announce報(bào)文中所攜帶的最優(yōu)時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)、時(shí)間等級(jí)孽水、時(shí)間精度等信息票腰，最終選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為PTP域的最優(yōu)時(shí)鐘，與此同時(shí)匈棘，各節(jié)點(diǎn)之間的主從關(guān)系以及各節(jié)點(diǎn)上的主從端口也確定了下來(lái)丧慈。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，整個(gè)PTP域中建立起了一棵無(wú)環(huán)路主卫、全連通逃默，并以最優(yōu)時(shí)鐘為根的生成樹(shù)。
2簇搅、此后完域，主節(jié)點(diǎn)會(huì)定期發(fā)送Announce報(bào)文給從節(jié)點(diǎn)，如果在一段時(shí)間內(nèi)瘩将，從節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的Announce報(bào)文吟税，便認(rèn)為該主節(jié)點(diǎn)失效，于是重新進(jìn)行最優(yōu)時(shí)鐘的選擇姿现。

7肠仪、PTP報(bào)文

PTP通過(guò)主從節(jié)點(diǎn)間交互報(bào)文，實(shí)現(xiàn)主從關(guān)系的建立备典、相位和頻率同步异旧。根據(jù)報(bào)文是否攜帶時(shí)間戳，可以將PTP報(bào)文分為兩類(lèi)提佣，事件報(bào)文和通用報(bào)文吮蛹。

事件報(bào)文：時(shí)間概念報(bào)文荤崇，進(jìn)出設(shè)備端口時(shí)打上精確的時(shí)間戳，PTP根據(jù)事件報(bào)文攜帶的時(shí)間戳潮针，計(jì)算鏈路延遲术荤。事件報(bào)文包含以下4種：Sync、Delay_Req每篷、Pdelay_Req和Pdelay_Resp瓣戚。
通用報(bào)文：非時(shí)間概念報(bào)文，進(jìn)出設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生時(shí)間戳焦读，用于主從關(guān)系的建立带兜、時(shí)間信息的請(qǐng)求和通告。通用報(bào)文包含以下6種：Announce吨灭、Follow_Up刑巧、Delay_Resp喧兄、Pdelay_Resp_Follow_Up、Management和Signaling啊楚，目前設(shè)備不支持Management吠冤、Signaling報(bào)文。

3.1.2.2 PTP同步原理

PTP通過(guò)記錄主從設(shè)備之間事件報(bào)文交換時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間戳恭理，計(jì)算出主從設(shè)備之間的路徑延遲和時(shí)間偏移拯辙，實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的時(shí)間和頻率同步，設(shè)備支持兩種攜帶時(shí)間戳的模式颜价，分別為：

單步時(shí)鐘模式(One step)涯保，指事件報(bào)文Sync和Pdelay_Resp帶有本報(bào)文發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間戳，報(bào)文發(fā)送和接收的同時(shí)也完成了時(shí)間信息的通告周伦。
兩步時(shí)鐘模式(Two step)夕春，指事件報(bào)文Sync和Pdelay_Resp不帶有本報(bào)文發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間戳，而分別由后續(xù)的通用報(bào)文Follow_Up和Pdelay_Resp_Follow_Up帶上該Sync和PDelay_Resp報(bào)文的發(fā)送時(shí)間信息专挪。兩步時(shí)鐘模式中及志，時(shí)間信息的產(chǎn)生和通告分兩步完成，這樣可以兼容一些不支持給事件報(bào)文打時(shí)間戳的設(shè)備寨腔。

1速侈、頻率同步

假設(shè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)A要同步到時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)B。不考慮路徑延時(shí)和駐留時(shí)間的變化迫卢，如果A和B的時(shí)鐘頻率相等倚搬，則在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，A和B的時(shí)間累積的偏差應(yīng)該是一樣的靖避，也就是說(shuō) $t_{2n}-t_{20}=t_{1n}-t_{10}$ 潭枣。如果 $t_{2n}-t_{20}$ 大于 $t_{1n}-t_{10}$ 比默，說(shuō)明A的時(shí)鐘頻率比B快侵状，要調(diào)慢A的時(shí)鐘頻率汤求；如果 $t_{2n}-t_{20}$ 小于 $t_{1n}-t_{10}$ 此虑，說(shuō)明A的時(shí)鐘頻率比B慢跷跪，則要調(diào)快A的時(shí)鐘頻率抗碰。（ $t_{1n}$ 為B點(diǎn)的第n個(gè)Sync報(bào)文發(fā)送的時(shí)間澡屡， $t_{2n}$ 為A點(diǎn)接收第n個(gè)Sync報(bào)文的時(shí)間點(diǎn)贱纠。）

圖9 Follow_Up報(bào)文為兩步時(shí)鐘模式發(fā)送的通用報(bào)文耳峦，攜帶Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)間戳

2伊佃、相位同步

PTP相位同步有兩種延時(shí)測(cè)量機(jī)制：請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制和端延時(shí)機(jī)制窜司，且這兩種機(jī)制都以網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱(chēng)為前提。

請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制(End to End)

圖10 請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制

主設(shè)備在時(shí)刻 $t_{1}$ 發(fā)送Sync報(bào)文航揉。如果主設(shè)備為one-step模式塞祈， $t_{1}$ 隨Sync報(bào)文傳送到從設(shè)備；如果主設(shè)備為two-step模式帅涂，則 $t_{1}$ 在隨后的Follow_Up報(bào)文中傳送到從設(shè)備议薪；
從設(shè)備在時(shí)刻 $t_{2}$ 接收到Sync報(bào)文，并從Sync報(bào)文（one-step）或者Follow_Up報(bào)文（two-step）中獲取 $t_{1}$ 媳友。
從設(shè)備在時(shí)刻 $t_{3}$ 發(fā)送延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文Delay_Req給主設(shè)備斯议。
主設(shè)備在時(shí)刻 $t_{4}$ 接收到Delay_Req報(bào)文。
主設(shè)備隨后通過(guò)延時(shí)回答報(bào)文Delay_Resp將 $t_{4}$ 發(fā)送給從設(shè)備醇锚。

此時(shí)哼御，從時(shí)鐘便擁有了 $t_{1}$ ～ $t_{4}$ 這四個(gè)時(shí)間戳，由此可計(jì)算出主焊唬、從時(shí)鐘間的往返總延時(shí)為 $(t_{4}-t_{1})-(t_{3} - t_{2})$ 恋昼，由于網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱(chēng)的，所以主赶促、從時(shí)鐘間的單向延時(shí)為 $Delay=\frac{(t_{4}-t_{1})-(t_{3} - t_{2})}{2}$ 焰雕， $t_{2}=t_{1}+Delay+Offset=t_{1}+\frac{(t_{4}-t_{1})-(t_{3} - t_{2})}{2}+Offset$ 。因此芳杏，從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差為： $Offset = \frac{(t_{2}-t_{1})+(t_{3} - t_{4})}{2}$ 矩屁。

圖11 通過(guò)PTP協(xié)議計(jì)算出本地時(shí)鐘和主時(shí)鐘源的時(shí)間偏移，再修正本地時(shí)鐘

端延時(shí)機(jī)制(Peer to Peer)

在端延時(shí)機(jī)制中爵赵，主設(shè)備依然會(huì)發(fā)送Sync和Follow_Up報(bào)文給從設(shè)備吝秕，從設(shè)備通過(guò)以下公式和主設(shè)備保持同步：
$slave\, time=master\, time+network \, delay$

從設(shè)備能通過(guò)Sync或Follow_Up報(bào)文獲取 $master\, time$ ，但它是如何得知網(wǎng)絡(luò)延遲( $network \, delay$ )的呢空幻？

請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制是在主從設(shè)備之間交換測(cè)量消息烁峭，從而計(jì)算出主從設(shè)備之間整體的路徑延時(shí)時(shí)間，這些操作是在主從設(shè)備上完成，即使鏈路中的交換機(jī)不支持ptp也能正常運(yùn)行约郁，因此叫End to End缩挑。
而端延時(shí)機(jī)制是根據(jù)主從時(shí)鐘之間的每一條鏈路延時(shí)時(shí)間計(jì)算時(shí)間差，要求鏈路中的交換機(jī)支持ptp（邊界時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)或透明時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)）鬓梅，網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)設(shè)備都會(huì)定期交換peer-delay測(cè)量信息供置，因此每臺(tái)設(shè)備都知道到相鄰設(shè)備的延遲，如下圖12所示绽快。

圖12 每臺(tái)設(shè)備都定期測(cè)量到相鄰設(shè)備的延遲

通過(guò)peer-delay測(cè)量相鄰設(shè)備間延遲的步驟如圖13所示芥丧。

圖13 peer-delay測(cè)量步驟

t_{1}

是A節(jié)點(diǎn)發(fā)送Pdelay_Req消息的時(shí)間戳，

t_{2}

是B節(jié)點(diǎn)接收的時(shí)間戳坊罢，

t_{3}

是B節(jié)點(diǎn)發(fā)送Pdelay_Resp消息的時(shí)間戳续担，

t_{4}

是A節(jié)點(diǎn)接收的時(shí)間戳。計(jì)算單段鏈路延時(shí)的公式如下所示：

單段鏈路延時(shí)= \frac{(t_{2}-t_{1})+(t_{4} - t_{3})}{2}

通過(guò)上述步驟活孩，A知道到B的鏈路延遲物遇。B執(zhí)行一次同樣的步驟就能知道到A的延遲。
注意雖然peer-delay測(cè)量步驟和請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制的測(cè)量步驟一樣憾儒，但往往peer-delay結(jié)果的精度更高挎挖。因?yàn)閮煞N方法都基于往返時(shí)間相同這一假設(shè)，peer-delay只測(cè)量一條鏈路的延遲航夺，而且不存在隊(duì)列，這個(gè)假設(shè)是成立的崔涂，而后者要測(cè)量主從設(shè)備之間整體的路徑延時(shí)時(shí)間阳掐，往返時(shí)間則不一定相同，導(dǎo)致偏差較大冷蚂。

PTP網(wǎng)絡(luò)中鏈路延遲的非對(duì)稱(chēng)會(huì)導(dǎo)致同步誤差缭保，在用來(lái)補(bǔ)償延遲非對(duì)稱(chēng)的方法中，最值得一提的是IEEE Std 1588的擴(kuò)展版本蝙茶，這種方法被稱(chēng)為白兔法（White Rabbit）艺骂，由歐洲核子研究委員會(huì)（CERN）開(kāi)發(fā)而成。
White Rabbit使用一根單模光纖連接主從節(jié)點(diǎn)隆夯，采用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)全雙工通信钳恕，主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的光的波長(zhǎng)為1490 nm，從節(jié)點(diǎn)發(fā)出的光的波長(zhǎng)為1310 nm蹄衷。由于單根光纖里的往返鏈路長(zhǎng)度完全一致忧额，延時(shí)不對(duì)稱(chēng)性完全由不同波長(zhǎng)的光在光纖中的折射率決定。因此利用光纖的非對(duì)稱(chēng)性系數(shù)愧口，可以從往返光纖鏈路的延時(shí)精確計(jì)算出主從鏈路的單向延時(shí)

主從節(jié)點(diǎn)間每段鏈路的鏈路延時(shí)和TC駐留時(shí)間累計(jì)在Sync和Follow_Up報(bào)文的correction filed中睦番，向下游傳遞。通過(guò)這種方式，從設(shè)備就可以得知網(wǎng)絡(luò)延遲( $network \, delay$ )托嚣，并通過(guò) $slave\, time=master\, time+network \, delay$ 和主設(shè)備保持同步巩检。

圖14 P2P透明時(shí)鐘在correction filed中累加報(bào)文的駐留時(shí)間和傳輸路徑的時(shí)延

3、時(shí)間戳精度

在網(wǎng)絡(luò)通訊過(guò)程中示启，被傳遞的信息要在發(fā)送端的本地協(xié)議棧中進(jìn)行封裝兢哭，從協(xié)議棧的頂層開(kāi)始，每下降一層就將原有數(shù)據(jù)打包丑搔，增加包頭厦瓢、包尾信息，運(yùn)算處理時(shí)間的不確定性導(dǎo)致棧內(nèi)的滯留時(shí)間也有不確定性啤月。要降低不確定性煮仇，需要盡可能的將時(shí)間戳獲取點(diǎn)向協(xié)議棧的底層移動(dòng)，時(shí)間戳的獲取點(diǎn)越靠近傳輸介質(zhì)谎仲，獲取的發(fā)送和接收時(shí)間戳的精度就越高浙垫。

圖15 可加蓋時(shí)間戳的位置

系統(tǒng)各時(shí)鐘對(duì)時(shí)時(shí)，如果沒(méi)有硬件支持郑诺，只能達(dá)到亞毫秒級(jí)的同步精度夹姥；如果有專(zhuān)用硬件（如美國(guó)NS的DP83640 PHY芯片）支持時(shí)，可以達(dá)到亞微妙級(jí)的同步精度辙诞。

3.2 媒體時(shí)鐘

AES67中發(fā)送端使用媒體時(shí)鐘進(jìn)行采樣辙售，接收端用它來(lái)播放媒體流。媒體時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘有固定關(guān)系飞涂。媒體時(shí)鐘的速率應(yīng)該和音頻采樣頻率一致旦部，媒體時(shí)鐘在IEEE 1588 epoch時(shí)間點(diǎn)為0，每經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣周期较店，媒體時(shí)鐘的值加1士八。
AES67支持三種采樣率，44.1kHz梁呈、48kHz和96kHz婚度。

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸

AES67規(guī)定用RTP傳輸音頻數(shù)據(jù)信息，用RTCP傳輸控制信息官卡，用UDP傳輸RTP包蝗茁。AES67不支持IP包分片，因此要控制包的大小不要超過(guò)MTU寻咒。

AES67要求支持通過(guò)多播傳輸音頻流评甜，為了避免多播引起的網(wǎng)絡(luò)洪泛，所有AES67節(jié)點(diǎn)都需要支持IGMPv2仔涩。接收端通過(guò)IGMP請(qǐng)求接收多播數(shù)據(jù)忍坷，支持IGMP嗅探的交換機(jī)只會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)被請(qǐng)求的多播包到指定端口。發(fā)送端發(fā)送多播數(shù)據(jù)前需要通過(guò)IGMP請(qǐng)求接收自己要發(fā)送的多播數(shù)據(jù)，這樣做并不會(huì)導(dǎo)致發(fā)送端收到自己發(fā)送的多播數(shù)據(jù)佩研，這樣做的原因是某些支持IGMP嗅探的交換機(jī)會(huì)將未被訂閱的多播包轉(zhuǎn)發(fā)到所有端口柑肴，引起網(wǎng)絡(luò)洪泛。

3.4 Qos

AES67中的Qos指按優(yōu)先級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理旬薯。本標(biāo)準(zhǔn)中晰骑，設(shè)備需要支持DiffServ，DiffServ用DSCP field在每個(gè)IP包的頭部加上類(lèi)型標(biāo)記绊序，因此IP包能按指定的優(yōu)先級(jí)被處理硕舆。設(shè)備至少要支持三種通信類(lèi)型，即時(shí)鐘（Clock）骤公、媒體（Media）抚官、盡力而為（Best effort）。

圖16 Qos類(lèi)型和DiffServ類(lèi)型的映射

3.5 編碼

AES67支持的載荷格式包括L16和L24阶捆。L16是一種非壓縮音頻數(shù)據(jù)的編碼格式凌节。L24是L16的一種擴(kuò)展。16位或24位非壓縮音頻數(shù)據(jù)采樣值是以整形的二進(jìn)制補(bǔ)碼來(lái)表示的洒试。
包時(shí)間指媒體包中的媒體數(shù)據(jù)實(shí)際持續(xù)時(shí)間倍奢。短的包時(shí)間雖然可以使延遲更低，但會(huì)引入開(kāi)銷(xiāo)垒棋。發(fā)送端和接受端應(yīng)該支持一個(gè)或多個(gè)以下包時(shí)間卒煞，如125μs、250μs叼架、333μs畔裕、1ms、4ms等碉碉。其中，1ms的包時(shí)間提供了最廣泛的音頻和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的互操作性以及兼容性淮韭。

3.6 會(huì)話描述

為了正確建立連接和處理音頻數(shù)據(jù)垢粮，AES67節(jié)點(diǎn)需要一種方法獲取流的信息，這種描述流的方法就是SDP靠粪，它包含流的多播地址蜡吧、編碼格式和音頻數(shù)據(jù)包的描述（位寬、采樣率占键、通道數(shù)昔善、每個(gè)包的采樣點(diǎn)數(shù)、參考時(shí)鐘）畔乙。
雖然AES67清晰地規(guī)定了SDP的屬性和支持的參數(shù)范圍君仆，但是標(biāo)準(zhǔn)有意排除了會(huì)話發(fā)現(xiàn)的規(guī)定（為了讓更多廠商接受AES67，標(biāo)準(zhǔn)只聚焦于傳輸）。實(shí)際應(yīng)用中設(shè)備可以通過(guò)Bonjour返咱、SAP等方法實(shí)現(xiàn)會(huì)話發(fā)現(xiàn)钥庇。

參考文章
DRAFT REVISED AES67
Why is IEEE 1588 so accurate?
無(wú)壓縮4K超高清EFP系統(tǒng)中PTP精確時(shí)鐘同步技術(shù)解析
 PTP簡(jiǎn)介
 數(shù)字音頻時(shí)鐘、同步咖摹、抖動(dòng)评姨，以及他們對(duì)聲音的影響
 數(shù)字定時(shí)：時(shí)鐘信號(hào)、抖動(dòng)萤晴、遲滯和眼圖
 PTP技術(shù)介紹
 1588v2吐句，是怎樣實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的？

最后編輯于：2022.04.20 11:53:14

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