Dante技术要点及其应用

浅析Dante技术要点及其应用1引言Dante数字网络音频技术是基于千兆以太网网络传输的无压缩、专业级的数字音频传输技术（AoIP）。经过了十年的发展，Dante技术已被广泛应用在全球专业音频产品之中。Dante技术在音频系统中的运用满足了系统大规模、远距离的传输需求，支持数字音频信号网络传输的设备甚至可达数十台甚至上百台，实现设备之间的数字信号互联互通，并具有稳定可靠的信号同步等功能，网络操作部分的复杂性、自适应性、易用性不断优化。伴随各种网络技术的加入，对音频系统工程师的要求就不仅仅局限于掌握音频设备的合理选用、系统的联通调试、声音的调整，还要具备相应的网络基础知识和调试技术，才能为网络数字音频信号的稳定传输提供完善安全的保障。在网络的应用设定方面，简单的网络不再能满足大容量的系统需求。笔者综合以往在大型Dante网络应用的实践经验，结合相关的文献资料，分析并总结了Dante数字网络音频技术及其在应用中的设置方法。2Dante网络音频技术2.1Dante网络音频信号的传输及其时钟同步传统的数字音频信号基本是以TDM（TimeDivisionMultiplexing，时分复用）方式实现传输，如ADTA、MADI、AES/EBU3等。TDM传输的局限在于信号为点对点传输（即单播），一般用串联链路或环网实现系统同步。Dante技术是基于以太网物理链接架构的音频系统，星型拓扑结构十分常用，使用TDM方式较难实现整体同步，因此，Dante系统采用PTP（PrecisionTimeProtocol，精密时间协议）。PTP协议使用了IEEE1588（网络测量和控制系统的精密时钟同步标准）作为时钟同步，其精度可达微秒级，常用在对时间控制需求极为精准的系统内。2.1.1主、从时钟（Master/Slave）数字电路的启动运行，需要具备三个条件：供电、时钟、复位。数字电路的所有运算都是按着一定的频率运行的，时钟是量化频率的工具。如果时钟失效，数字电路将无法正常工作。数字电路中同步时钟源有且只有一个，称为主时钟源，其余设备的时钟都是跟随、服从主时钟源的信号进行同步工作。在整个Dante网络系统中，分配主、从时钟设备，基于以下顺序决定（见图1）：PreferredMaster——Dante设备是否允许做主时钟；EnableSyncToExternal——Dante设备是否强制外同步；Dante设备有更高的时钟优先级设置；Dante设备有更小的MAC地址。当系统内有多于一台设备具有相同的时钟选型设定，系统将按上述的顺序逐级遴选出一个主时钟设备。例如各设备①、②、③项的设定都一致，系统会对比两台设备MAC地址大小，用更小MAC地址的设备做主时钟。系统内一旦选定主时钟设备后，主时钟设备会用组播的方式将时钟信息传递到其余设备实现从时钟锁定。由于网络传输具有一定的延时，从时钟设备接收到主时钟信号会有一定的偏差值，所以从时钟设备会发出一个延时信息给主时钟设备，主时钟设备确认延时数据是合理准确后，会将延时量加嵌入时钟信息中，使所有从时钟设备都能获得稳定的同步。Dante系统每秒都会进行若干次延时校正。如主时钟设备丢失（设备失电或线路中断），系统会在从时钟设备中自动快速地按优先级重新确定新的主时钟源设备，此时系统所有的时钟关系将会重新建立。这种时钟源的切换和接管动作，仅是时钟关系的转变，转变过程中不会引起声音中断或同步时钟出错的现象。2.1.2Dante设备与外部时钟主时钟频率可以从Dante设备自身产生，也可以强制跟随外部时钟源，见图2。强制跟随外部时钟源时，Dante设备自身时钟与外部时钟源存在约0.1μs的锁定时间差。如果外部时钟源存在严重的漂移或不稳定，如48kHz频率呈现±1kHz抖动，Dante设备自身将会重新矫正时钟频率，并再次生成给整个系统从时钟设备的延时量信息，这个矫正时间需要数秒钟。所以在这种情况下，Dante系统将会出现声音中断现象。按照Dante协议标准，同步时钟偏差应小于±1μs。但在实际的应用中，如果具备良好网络设备及其合适的设定，时钟的抖动一般小于±0.2μs。按照48kHz采样频率一个周期的时间是20.8μs，因此，只要1/100周期的时间就可以实现Dante设备与外部设备间的时钟精确锁定同步。2.2延时（Latency）Dante协议是基于以太网网络（以交换机为主）进行数据的传输，相比较于点对点的传输方式，必然会存在更长的数据传递延时。每台交换机内部会对数据包进行一系列的处理，包括而不仅限于错误校验、MAC地址学习、存储转发、碎片隔离过滤、消除回路、广播控制、子网划分等。如果在一个传输链路上存在多台交换机的级联，则延时时间将会更大。Dante接口的音频设备一般会有以下两种接口方式。唯一接口:这种设备接口具有固定的延时值，理解为一个网络终端设备。两个或以上接口（并非指Main/Redundancy主备网络接口）:这种设备内部集成了交换机模块，容许用户在不使用外部交换机设备情况下，实现“菊花串链”的网络拓扑结构。通常情况下，每台交换机的延时量可以采用100μs估算。从音频用户角度来说，传输延时量越小越好，甚至“零延时”的理想状态。但这个延时是无法避免的，所以用户只能根据实际系统的拓扑结构，选择最合理的延时值。DanteController管理软件内有对设备延时量选择设定的选项。在设备延时设定选项中（见图3），是根据音频系统中交换机数量而选择一个延时值。这个交换机并非单指网络交换机，还包括音频设备终端的网络模块。如图4所示，音频系统中有三个网络交换节点，因此可以选择0.25ms（或更大）的延时设定。如图5所示，音频系统中有四个网络交换节点，因此可以选择0.5ms（或更大）的延时设定。在大型扩声系统中，返送系统一般都力求最小的延时量，最小的延时量可以使演员有更佳的听音感觉。对于图5中的系统，可以单独设定不同设备的延时量：无线传声器、交换机A、返送调音台通过了三个网络交换节点，可以选择0.25ms的延时设定；交换机B、扩声调音台可以选择0.5ms的延时设定。在同一个系统中，不同设备可以拥有不同的延时量。如果音频发送端和音频接收端的延时设定不一致，系统会自动选择较高延时值进行传输。在设定项里面，1ms是默认值，可以满足数据安全通过十个网络交换节点，系统内部也预留了足够的冗余纠错时间；5ms的设定值一般只在故障分析等特殊状态下使用，一般不会采用。虽然在网络系统基础极佳的测试系统中，0.25ms延时值设定也可以通过十个网络交换节点，但在一般的网络情况下，如果设定了过低的延时值，音频数据包可能会丢失，造成音频信号中断的现象。如果音频数据发送采用了Multicast（组播）的传输方式，交换机需要时间分析并控制Multicast数据包的路由方向，在这种情况下，音频传输会产生出由交换机引起的1ms延时。这个1ms的延时量，并不在延时设定控制范围内。但用户可以通过对交换机进行合适的QoS（QualityofService，服务质量）和IGMPSnooping（InternetGroupManagementProtocolSnooping，互联网组管理协议窥探）设定来降低该延时值（下文介绍）。2.3采样频率（SampleRate）同一个网络的音频系统内，不同采样频率的Dante设备可以共存，但设备并不具备采样率转换能力，因此不同采样频率的设备之间不能相互传输音频数据，如图6所示。在DanteConrtoller上能显示网络上所有不同采样率的Dante设备，但不能进行相互间的路由配置。2.4量化深度（BitDepth）在同一音频系统内，不同的Dante设备容许以不同的量化深度工作，如图7所示，在采样率相同的前提下可以相互传输音频数据包。当一个Dante设备发送24bit量化深度的音频数据，被一个设定为32bit的Dante设备接收，接收端自动补偿8bit的“0”数据补偿；一个Dante设备发送32bit量化深度的音频数据，被一个设定为24bit的Dante设备接收，接收端自动舍弃最后8bit的数据。2.5数据流/数据包（Flows）如果在网络系统中，每个独立的音频通道都使用各自的收发地址的包头信息，那么对于具有相同路由及设备信息的数据流，无形中产生了一定数据的冗余，增加了网络的压力。Dante协议会将若干音频通道的Flows（数据流）封装为一组，共用包头信息，提高网络的利用效率。Dante协议设定，如果具有多个相同的发送和接收端的音频通道，系统自动将以每4个音频通道封装成一个Flows进行传输，因此如果两设备之间需要单向传输32通道音频信号，则需要8个Flows。由于每个Dante设备只有有限的网络带宽，以BrooklynII模块为例，在Transmit信息里面可以清楚看到设备正在使用的Flows数量（见图8），并且在网络状态内能看到实时的数据发送量以及是否出现传输错误信息。BrooklynII模块容许最大传输32个Flows，因此可以实现的传输可能：发送传输4通道音频到32个不同的接收设备；发送传输8通道音频到16个不同的接收设备；发送传输16通道音频到8个不同的接收设备；发送传输32通道音频到4个不同的接收设备。所以，具有BrooklynII模块的Dante设备，可以做到32×4的音频分配功能。例如可以将多轨播放机信号分配给扩声、返送、播出、录制四个系统，见图9。3Dante网络的应用设定3.1单播（Unicast）/组播（Multicast）在默认情况下，Dante的Flows都是以单播的方式传输数据，所以能够有效地控制网络带宽资源。如果将装有BrooklynII模块的Dante设备64路音频通道分配给超过2台的接收设备，则需要选用组播的方式进行数据传输。组播的传输方式是通过交换机硬件复制及转发，将数据以广播方式发送到网络内所有Dante接收设备。通过组播的方式，可以实现的传输可能：2路音频通道分配给40台功放设备；32路音频通道分配给6台的接收设备。DanteVirtualSoundcard仅有16个Flows（16Flows×4通道=64通道），如果需要将64通道分别传输给两个调音台（共128通道），则只能使用组播方式进行。Dante设备采用组播方式传输的设置方式如图10，DeviceView--Transmittab，点选创建新组播按钮，勾选所需要进行组播的通道。在组播的Flows里面，最多可以有8路音频通道进行一组封装。在Events页面，能看到目前网络系统内组播占用的带宽。在非必要情况下，尽量避免采用组播方式传输，组播会增加交换机及网络的带宽压力，在通常情况下，组播会将数据发送到网络内所有Dante接收设备。如果选用具备IGMPSnooping或Multicast过滤管理能力的交换机，就可以有效地控制数据转发到指定的接收设备。3.2QoSQoS是网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。当网络过载或拥塞时，所有的数据流都有可能被丢弃。QoS能根据用户的要求分配和调度资源，确保重要数据不受延迟或丢弃，对不同的级别数据流提供不同的服务质量：对实时性强且重要的数据报文优先处理；对于实时性不强的普通数据报文，提供较低的处理优先级，网络拥塞时甚至丢弃。Dante协议采用的是DiffServ（DifferentiatedService，区分服务）、DSCP（DifferentiatedServicesCodePoint，差分服务代码点），是基于分类的QoS技术，不需要信令支持。在网络入口处，网络设备检查数据包内容，并为数据包进行分类和标记，所有后续的QoS策略都依据数据包中的标记做出。DSCP在网络中部署了64种不同的数据优先级，Dante协议应用了其中4种数据（见表1）并需要进行优先级设定。图11是思科交换机SG-300/500的DSCP设定界面。QoS仅在以下网络传输较拥挤或繁忙的情况下使用：系统有大量的Multicast应用；与其他网络设备共用交换机系统，如互联网、安防监控、设备监控等；使用百兆网络硬件；在超小