1、CobraNet與EtherSound音頻傳輸技術比較 著作 兆翦 以太網上傳輸音頻信號是近幾年來專業音頻行業的一個技術焦點，也是日后專業工程項目中的一個重要的傳輸技術環節。因為它是不依賴于控制系統而獨立存在的一個產品，可以廣泛地應用到很多的不同項目中去，一方面解決了多線纜的布線困難問題，同時也解決了遠距離傳輸、數據備份、自動冗余等一系列在模擬傳輸時代所無法面對的問題。目前比較成熟的以太網音頻傳輸技術主要是CobraNet和EtherSound技術，前者已經開發和使用多年，用戶較多，交互性好，缺點是網絡延時長，后者解決了延時的問題，但是開發和使用普及程度稍差。兩者在技術上各有千秋，本文之目的就

2、是客觀地分析兩種網絡的應用區別，以求證一種相對適合的應用方案建議給廣大讀者。1、網絡特性綜述a、CobraNet網絡：是美國PeakAudio公司開發的一種在以太網上傳輸專業非壓縮音頻信號的技術，它可以在100M以太網下單向可以傳輸64個48kHz、20bit的音頻信號通道（48kHz、24bit信號為56路）；除音頻信號外，還可以傳輸RS485串口通信數據及其它非同步IP數據；開放的MIB文件，支持SNMP?？梢詮腜eakAudio公司獲得相關技術資料，使用模塊化的CM-1可以方便地將音頻信號轉換為CobraNet信號，具有成型的軟件工具包（SDK）和API。b、EtherSound網絡：由

3、法國Digigram公司開發的一種基于以太網傳輸音頻信號的技術。傳輸能力為單方向64個24bit、48kHz（或44.1kHz）采樣頻率的音頻通道。雖然它不能傳遞串口信號以及其它IP數據，但是它的技術最大的亮點就是極低的延時，因此EtherSound技術最適合應用到現場演出中去。2、硬件結構對比a、CobraNet硬件設備 CM-1 CM-2CobraNet硬件設備目前主要包括CM-1，CM-2兩種。其中CM-1為PeakAudio自己制造的成品通信卡，屬于第一代產品，但是網絡通信能力比較強，價格較高；CM-2可以定制生產，任何廠家只要從PeakAudio購買了主芯片，并獲得了生產許可后就可以

4、自行生產CM-2板卡，并且可以集成到其它產品的主板上去。CM-1和CM-2的主要區別如下：其中CM-1使用的是DSP56303+FPGA以及其它存儲器構成的芯片組。由于開發的比較早，所以DSP的速度受到了DSP56303的速度限制只能達到24bit/100MIPS。而CM-2則支持更快的32bit/100MIPS的數據流。對于CM-2來說16個單方向通道是最大的極限了，如果生產8通道的產品相對成本比較低，但是16通道的就還需要增加FPGA橋接才能構成1616的完整通道。至于CS1810XX和CS4961XX系列主要區別就是后者包含了一個基本的用戶DSP可以使用，這大大的方便了某些用戶，省去了開

5、發DSP和CobraNet的接口的費用。至于CM-1可以傳輸特殊的9bit串口通信數據完全是為了適應一些特殊的設備（如ControlMatrix）。還有一些CobraNet硬件設備所用之處不多，比如一些叫做CM-1-FW的模塊，其實是由使用廠家向PeakAudio定制的特殊的CobraNet板卡。他們的功能和CM-1相同，但是電路板上通常集成了使用方需要的其它DSP、ADC/DAC以及供電等功能。b、EtherSound的硬件設備 OnAir 3000 AVY16-ESEtherSound硬件的生產也和CobraNet類似，有些是版權公司生產的，比如上圖的OnAir 3000就是為瑞士Stud

6、er的數字化直播調音臺定制的；還有一些是OEM合作生產的，比如AuviTran出品的AVY16-ES就是為YAMAHA樂器公司生產的Mini-YGDAI格式的EtherSound接口卡，這種網卡除了可以安裝在YAMAHA PM1D、 PM5D、M7CL等系列數字調音臺上外，還可以安裝在YAMAHA出品的DME24N/64N數字DSP接口箱和NEXO網絡系統等。 經過幾代的發展，目前EtherSound硬件產品主要產品按照接口能力的發展順序分為EtherSound、EtherSound100和EtherSound Giga，主要的技術指標區別如下：ESES 100ES Giga最大音頻傳輸通道6

7、4646464512512100M ES音頻端口1000M ES音頻端口100M控制端口ES的模擬端口能力只有8通道和2通道兩種3、網絡結構對比a 、CobraNet設備的網絡結構CobraNet必須使用星型（或連星型）網絡結構，所有的CobraNet設備都必須通過以太網交換機互相連接在一起。這樣的結構與標準的以太網設備是一致的。由于CobraNet采用了同步通信技術，所以其同步數據報必須在有限的時間誤差內廣播到所有節點，這主要取決于交換機的交換原理和通過數量，一般來說最遠節點CobraNet設備之間的交換機數量不能超過6個（若存在Spanning Tree，則按照樹型結構的最遠點計算）。一般

8、來說使用Cut-Through類型交換機會減少同步延時。b、EtherSound設備的網絡結構EtherSound設備系統可以采用菊花鏈結構或以太網星型結構或者這兩種結構的混合形式。當采用菊花鏈結構時，音頻的傳輸可以單方向或者雙方向，這取決于每個節點的硬件屬性是否支持雙向傳輸。唯一的問題是當EtherSound數據流通過以太網交換機的時候只能是沿著一個方向（Downstream）傳遞音頻數據，也就是說無論這臺交換機上連接了多少個EtherSound設備，同時只能有一臺經過配置的設備可以向網絡中發送音頻數據，其它節點只能用來接收。這種數據包是廣播類型的，但是由于每個端口是等帶寬數據傳輸，所以只能

9、使用全雙工的交換機而不能使用HUB。對于數據量比較小的非同步控制信號，則可以進行雙向傳輸的。4、網絡協議結構對比a、CobraNet數據報協議特征CobraNet傳輸協議的構建依靠3種基本數據包來完成：一是同步數據包（Beat Packet），它是由網絡中的Conductor發出的同步指令數據，每秒種750個，作為每個同步周期的起始數據包與網絡中的全部CM-1設備保持精準同步；二是同步音頻數據包（Isochronous Data Packet），也是CobraNet需要傳送的真正數據內容，可以單播（Unicast）也可以多播（Broadcast）出去；三是預約請求數據包（Reservation

10、 Packet），它是由除了Conductor以外的所有CM-1發出的廣播數據包，包含了發送請求數據和優先級等重要信息。除了以上三種必須的數據包類型外，還有兩種可選的數據傳送包：串口包橋（Serial Bridge）和IP數據包橋（Packet Bridge）。這兩種數據包和CobraNet的音頻數據傳送本身沒有任何關系，是一種附加的功能。也就是說我們可以通過CobraNet網絡傳送和音頻無關的串口或IP格式的控制數據，這種數據橋功能在工程應用中起著非常重要的作用。CobraNet數據量僅與傳輸的有效通道數有關。b、EtherSound數據報協議特征和CobraNet協議不同，EtherSou

11、nd數據包只有一種格式。同步和音頻數據在一個數據包中存在了，換句話說就是一種自同步技術。EtherSound同步方式借鑒了總線式同步數據傳送方式，如火線IEEE1394接口協議，數據包發送的頻率就是同步頻率。IEEE1394協議是一個點對點協議，所以同步數據是發送端確認，這一特征也被EtherSound所繼承，同步發送的數據是從第一個設備中產生?？墒菍τ谝粋€菊花鏈/星型結構的網絡系統，哪一個設備算是“第一個”呢？這個第一就是由用戶在搭建系統的時候根據系統的配置自己設定的，并將其命名為“Primary Master”，也就是說一個完整的EtherSound系統只能有一個“Primary Mast

12、er”，它的作用與CobraNet的Conductor作用類似，只是工作原理不同。如果系統同步時鐘定義在44.1kHz的話，那么“Primary Master”就按照44.1kHz的速度向外發送固定長度為236字節的以太網結構數據包，如上圖。總數據開銷可以計算出=441002368=83.3Mbit/s；同理可以計算出48kHz采樣下的數據開銷為90.6Mbit/s，顯然這已經到達了100M以太網的實際傳輸數據上限。上圖中左側的ES設備就是“Primary Master”，它被控制電腦配置后開始向網絡中發送標準的EtherSound幀，發送頻率就是音頻采樣頻率，后面的設備與它進行同步。需要注意

13、的第一個問題是這個幀的數據量永遠是恒定的，與其中是否傳輸音頻信號或者傳輸多少通道音頻信號無關；第二是由于沒有同步延時矯正，所以EtherSound數據流每經過一個設備就要增加一點延時，同步具有相對性；第三就是這個數據流可以比做是增加了以太網報頭的“IEEE1394”結構，所以所有設備都不具備識別以太網MAC地址的能力，也就是說它們不是通過以太網的MAC地址尋址方式通信的（CobraNet是通過MAC尋址），這樣來的好處是避開了以太網封裝/去封裝過程，使得網絡延時大大縮短，不利之處就是網絡中不能包含有任何其它數據格式的數據，當然也包括普通IP數據，因為所有的EtherSound設備無法識別這些“

14、雜質”，這使得EtherSound網絡的擴展功能變的復雜化。5、內核原理對比a、CobraNet內核結構上圖中的左側四個接點為輸入內容，除了基準時鐘信號外可以傳送同步音頻數據和非同步的串口和IP數據。通過DSP將同步數據與基準時鐘同步，以確定如何將同步音頻數據流“切割”成以太網數據包分發出去，并且利用同步周期內的空余時間將非同步串口和IP類型數據分發出去。“Ethernet MAC”負責把全部的數據包按照MAC地址包裝成符合以太網要求的格式，在定時器（ OP Timer）的控制下有節奏的通過以太網線圈（Ethernet PHY）發送到網絡中去。 隨著技術的發展，很多復雜的功能可以編程到IC模塊

15、中，而且遠程控制和升級非常容易，最關鍵的是制造成本大幅度下降了。這些技術在CM-2標準模塊中都得以實現，見下圖。CS1810/CS4961系列芯片集成了大部分CobraNet合成功能，其它廠家只需要添加進來幾個通用的以太網芯片（類似于制造網卡）就可以生產CM-2了。b、EtherSound內核結構上圖是標準的ES/ES100/ESGiga設備，右側紅線標注的100M以太網接口在ES設備上沒有，其它兩種設備上有。這是因為我們先前討論的那個問題，因為EtherSound數據流為了降低延時，采用了類似IEEE1394總線結構的數據包，并改換了報頭去適應以太網，但是由于它終究不是MAC類型的以太網分發

16、協議類型，所以不能在以太網絡中和其它類型的數據混合傳輸，為了克服 EtherSound的控制信號傳遞缺陷，廠家從模塊的FPGA打開了另外一個以太網端口（其功能和RS232端口非常類似，只是輸出格式不同而已）。但是要注意的是這個端口不能和音頻EtherSound網絡共用一個VLAN，需要另外建立網絡系統，這樣做的好處還有配置電腦無須連接到“Primary Master”上也可以工作了。 EtherSound的FPGA內核是存放程序和數據的地方，所以寄存器的大小直接決定了音頻的傳輸能力。ES系列寄存器有兩種，一個是MSx 88 EepROM 200k DR可以提供8路輸入/8路輸出的能力，另外一種

17、是S2 PROM 100k DR的小容量存儲器FPGA，只能提供2通道音頻輸出的能力。6、延時對比a、CobraNet延時特性b、EtherSound延時特性EtherSound是采用DownStream方式傳輸音頻數據流，由于不依賴于以太網的MAC尋址方式，而且具有固定的報文長度，并依靠以太網前導字符串做自同步，這些條件促使了EtherSound無須花費更多的時間去處理復雜的以太網數據傳輸關系，類似于IEEE1394這樣的總線傳遞時間就可以完成。EtherSound的網絡延時最主要就是建構DownStream數據流需要花費6個采樣時間（若音頻采樣頻率為48kHz時，一個采樣時間就是1/480

18、00s，那么6個采樣就是125s，這個時間長度是固定的）。按這樣計算，若一個音頻輸入信號通過了3個ES設備和一個存儲-轉發型交換機并輸出的話，那么它的總傳輸延時見下圖的計算分析：若采用菊花鏈型網絡結構，那么每增加一個ES節點，一個網絡DownStream只增加了2s，即使增加了10個ES設備才相當于一個采樣時間的寬度（1/48000s）?？梢娺@么短的延時量用在現場演出系統中是無法察覺的。由于EtherSound技術是基于總線傳輸方式發展起來的，它的自同步方式決定了其接力傳輸距離理論上可以無限制的遠，只是從輸入到輸出端，每增加一個ES節點就增加了2s而已。另外一個引入的問題就是采用共享帶寬的結構

19、以后，一個EtherSound系統的單向最大傳輸能力被“Primary Master”限定在64個通道。若要增加傳輸能力只能依靠擴展總帶寬來實現，如 EtherSound Giga系統采用了1000M網絡結構，可以單方向傳輸512個音頻通道。7、傳輸安全與網絡管理對比aCobraNet傳輸安全與網絡管理方式CobraNet網絡可以并存在通用的以太網系統中，所以網絡中的其它類型數據包（如IP數據包）可能會和CobraNet數據相互影響。當未知的CM-1/CM-2設定在一些廣播數據包接收或高優先級單播數據包接收狀態下，可能會出現信息泄露問題，此時可以采用私用（Private）高Bundle號碼（6528065535）方式進行傳遞。采用Private方式傳遞信號必須要求發送和接收設備之間以固定的，MAC地址互相綁定，這就可以完全避免信息泄露問題了。 CobraNet目前全面支持SNMP v1版本，使用任何標準的SNMP管理程序和MIB文件可以訪