CN114499731A - 一种客舱广播音频的以太网同步方法及系统 - Google Patents

一种客舱广播音频的以太网同步方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种客舱广播音频的以太网同步方法及系统，接收数字音频源的以太网帧；从以太网帧中提取ARINC628P3数字音频帧，从所述数字音频帧中提取关键信号；根据关键信号提取秒脉冲信号；根据秒脉冲信号计算需要调整的电压值，将需要调整的电压值转换为实际电压值，根据实际电压值调整参考时钟的频率，根据参考时钟的频率调整以太网参考时钟的频率，根据以太网参考时钟的频率向音频播放设备发送数字音频，通过ARINC628P3‑2定义的音频帧中的自带时间戳字段，实现以太网同步并且同步精度更高，解决了客舱广播系统中收发端的时钟不同步问题。

Description

一种客舱广播音频的以太网同步方法及系统
技术领域
本发明属于音频信号同步传输技术领域，具体涉及一种客舱广播音频的以太网同步方法及系统。
背景技术
现有客舱音频广播系统中使用ARINC628P3-2定义方法通过以太网进行客舱广播音频传输，如附图1，该技术基于普通以太网，音频采样以4ms为单位封装到以太网帧中，由于两端设备使用各自本地参考时钟，并未进行严格时钟同步，因此长时间使用后会出现以下几种问题：
1)发送端时钟比接收端频率高，导致接收端数据包积累，造成音频延迟，丢包；
2)发送端时钟比接收端频率低，可能导致接收端播放音频不连续。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何实现客舱音频广播系统中以太网的音频同步传输，本发明的目的在于提供一种客舱广播音频的以太网同步方法及系统，通过ARINC628P3-2定义的音频帧中的自带时间戳字段，实现以太网同步并且同步精度更高，解决了客舱广播系统中收发端的时钟不同步问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一方面，本发明提供一种客舱广播音频的以太网同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、接收数字音频源的以太网帧；从以太网帧中提取ARINC628P3数字音频帧，从所述数字音频帧中提取关键信号；
S2、根据关键信号提取秒脉冲信号；
S3、根据秒脉冲信号计算需要调整的电压值；
S4、将需要调整的电压值转换为实际电压值，根据实际电压值调整参考时钟的频率，根据参考时钟的频率调整以太网参考时钟的频率；
S5、根据调整后的以太网参考时钟的频率向音频播放设备发送音频。
一般现有的以太网同步方法中，大多采用专用的以太网同步方法，需要增加额外的芯片，而本发明中的以太网同步采用客舱音频广播系统中传输的ARINC628P3格式的音频包中数字音频帧自带的时间戳字段，从数字音频帧中提取关键信号，根据关键信号提取秒脉冲信号，由秒脉冲信号触发计算调整的电压值，将电压值换算成同步时钟频率，从而实现以太网的时钟同步。由于在时钟同步过程中直接利用的是数据包中自带的时间戳，不仅可以在不增加额外芯片的同时实现以太网同步，还能提高同步精度。
进一步地，所述关键信号为数字音频帧中的SEQ_NUM、Timestamp及SSRC字段。
进一步地，所述秒脉冲信号为1pps秒脉冲信号，则提取秒脉冲信号的过程为：
S21、接收关键信号前，将计数器计时值重置；
S22、判断接收到的关键信号是否满足条件：SSRC＝1且SEQ_NUM＝SEQ_NUM+1；若满足，则将Timestamp累加进计数器计时值中；若不满足则返回步骤S21；
S23、判断当前计数器计时值是否达到1s计时；
S24、若达到则输出1pps秒脉冲信号，并将计数器计时值归零，等待下一个关键信号的到来；若未达到，则再次将Timestamp累加进计时值中，重复步骤S23-S24。
进一步地，根据秒脉冲信号计算需要调整的电压值的过程为：
S31、实时判断是否接收到秒脉冲信号，当接收到秒脉冲信号时，使本地计时器开始计时；
S32、当本地计时器开始计时后，判断是否能继续接收到秒脉冲信号；
S33、若步骤S32的判断结果为能，则将本地计时器设置为1s，并根据压控振荡器产生的参考时钟计算本地时钟在1s内的频率偏差，得到需要调整的电压值后将本地计时器清零；
S34、若步骤S32的判断结果为否，则使本地计时器重新开始计时，并返回步骤S32。
具体地，步骤S33中得到需要调整的电压值的过程为：
将本地计时器的计时值折算为频率f，计算压控振荡器产生的参考时钟的频率f0与折算后的频率f的频率偏差Δf；
根据压控振荡器输出频率的频率偏差Δf，得到需要调整的电压值Vc：
Vc＝Δf/(k*f)+V0
V0＝Vdd/2
其中，Vdd表示压控振荡器的供电电压，k表示压控振荡器的调整系数。
另一方面，本发明提供一种客舱广播音频的以太网同步系统，包括：音频处理单元和同步时钟生成单元，
所述同步时钟生成单元用于生成同步时钟，包括：
FPGA处理模块，用于根据接收的以太网帧计算需要调整的电压值；
DAC转换模块，用于将所述需要调整的电压值转换为实际电压值；
频率调整模块，用于根据实际电压值调整参考时钟的频率；
时钟调整模块，用于根据参考时钟的频率调整以太网参考时钟的频率；
音频处理单元，用于根据调整后的以太网参考时钟的频率向音频播放设备发送音频。
进一步地，所述FPGA处理模块包括：
以太网MAC处理单元，用于从以太网帧中提取ARINC628P3数字音频帧；
关键信号提取单元，用于从所述数字音频帧中提取出SEQ_NUM、Timestamp及SSRC字段的三个关键信号；
计数器，根据三个关键信号提取秒脉冲信号；
VCO电压计算模块，根据秒脉冲信号计算出需要调整的电压值。
进一步地，VCO电压计算模块包括本地计时器、计算模块和判断模块；
判断模块用于实时判断是否接收到秒脉冲信号，并根据判断结果控制本地计时器开始计时和设置计时时间；
计算模块用于根据压控振荡器产生的参考时钟计算本地时钟在计时时间内的频率偏差，得到需要调整的电压值后将本地计时器清零。
进一步地，FPGA处理模块采用1片逻辑资源为45K的FPGA芯片，用于实现以太网MAC层处理、关键信号提取、计数器和VCO电压计算功能。
进一步地，DAC转换模块采用12位数模转换器，频率调整模块采用10MHz、频率调整范围为±0.7ppm～±1ppm的恒温压控振荡器，时钟调整模块采用125MHz的时钟芯片作为参考时钟源。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明将同步时钟生成单元替换现有的参考时钟，利用ARINC628P3-2定义的音频帧中的自带时间戳字段，根据关键信号提取秒脉冲信号，由秒脉冲信号触发计算调整的电压值，将电压值换算成同步时钟频率，从而实现以太网的时钟同步，以达到音频处理单元与数字音频源时钟同步的效果，且由于没有增加额外的硬件芯片，同步精度更高，使用高精度的恒温压控振荡器VCOCXO作为时钟芯片的参考输入，可提高时钟芯片输出精度并控制时钟芯片输出与发送端设备的时钟同步。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为现有技术中客舱广播音频系统的结构框图；
图2为本发明的客舱广播音频的以太网同步系统的结构框图；
图3为本发明同步时钟生成单元的具体连接结构示意图；
图4为本发明计数器提取秒脉冲的方法流程图；
图5为本发明得到调整电压的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1所示，现有的客舱音频广播系统在传输音频时，通常在发送端和接收端分别使用各自的本地参考时钟，并未进行严格时钟同步，这样在音频播放设备进行播放时可能存在音频不连续、音频源丢失的问题，因此，本发明通过将同步时钟生成单元替代接收端的参考时钟2，以达到音频处理单元与数字音频源时钟同步的效果，具体方案如以下实施例所示。
实施例1
如图2所示，本实施例1提供一种客舱广播音频的以太网同步系统，包括：音频处理单元和同步时钟生成单元，
如图3所示，所述同步时钟生成单元用于生成同步时钟，包括：
FPGA处理模块，用于根据接收的以太网帧计算需要调整的电压值；FPGA处理模块采用1片逻辑资源为45K的FPGA芯片，用于实现以太网MAC层处理、关键信号提取、计数器和VCO电压计算功能。
DAC转换模块，用于将所述需要调整的电压值转换为实际电压值；DAC转换模块采用12位数模转换器；
频率调整模块，用于根据实际电压值调整参考时钟的频率；频率调整模块采用10MHz、频率调整范围为±0.7ppm～±1ppm的恒温压控振荡器(以下简称压控振荡器)，如图3所示，压控振荡器用于产生参考时钟，时钟芯片根据参考时钟输出以太网参考时钟给FPGA处理模块，因此，在FPGA模块在对参考时钟进行处理时，实际是根据压控振荡器初步反馈的参考时钟进行调整，最终得到一个同步的时钟频率使得以太网实现时钟同步。
时钟调整模块，用于根据调整后的以太网参考时钟的频率向音频播放设备发送音频；时钟调整模块采用低抖动、低相位噪声的125MHz的时钟芯片作为参考时钟源。
音频处理单元，用于根据调整后的以太网参考时钟的频率向音频播放设备发送音频。
具体地，所述FPGA处理模块包括：
以太网MAC处理单元，用于从以太网帧中提取ARINC628P3数字音频帧；ARINC628P3数字音频帧的格式为：
Figure BDA0003487943280000041
关键信号提取单元，用于从所述数字音频帧中提取出SEQ_NUM(SequenceNumber)、Timestamp及SSRC(Synchronization Source Number)字段的三个关键信号；
计数器，用于根据三个关键信号提取秒脉冲信号；
VCO电压计算模块，用于根据秒脉冲信号计算出需要调整的电压值。
具体地，VCO电压计算模块包括本地计时器、计算模块和判断模块；
判断模块用于实时判断是否接收到秒脉冲信号，并根据判断结果控制本地计时器开始计时和设置计时时间；
计算模块用于根据压控振荡器产生的参考时钟计算本地时钟在计时时间内的频率偏差，得到需要调整的电压值后将本地计时器清零。
具体地，如图5所示，计算需要调整的电压值的过程为：
将本地计时器的计时值折算为频率f，计算压控振荡器产生的参考时钟的频率f0与折算后的频率f的频率偏差Δf；
根据压控振荡器输出频率的频率偏差Δf，得到需要调整的电压值Vc：
Vc＝Δf/(k*f)+V0
V0＝Vdd/2
其中，Vdd表示压控振荡器的供电电压，k表示压控振荡器的调整系数。
本实施中的同步时钟生成单元与基于IEEE1588的以太网同步方案不同，基于IEEE1588的以太网同步方案是以支持IEEE1588的PHY芯片为基础，实现以太网时钟同步，需要采用专用的以太网同步方法，而本实施在FPGA实现时钟同步的方法，直接使用来自数字音频源中的以太网帧，首先通过以太网MAC层处理，提取数字音频包，数字音频包通过关键信号提取模块，提取出Sequence Number(SEQ_NUM)、Timestamp及Synchronization SourceNumber(SSRC)字段三个关键信号，通过如图4所示的步骤，利用计数器提取1pps秒脉冲信号，经过VCO电压计算模块计算出需要调整的电压值，发送给数字模拟转换器(DAC)转换为实际电压值，调整恒温压控振荡器(VCOCXO)输出的参考时钟频率，进而调整时钟芯片输出的以太网参考时钟频率，最终达到时钟同步的目的。
利用本实施例的系统，其一无需PHY芯片支持，关键处理基于FPGA实现，其二使用FPGA利用音频包中自带的时间戳，提取ARINC628P3-2定义的音频帧中的Sequence Number、Timestamp及Synchronization Source Number字段实现以太网同步，可提高同步精度，且本发明使用高精度的恒温压控振荡器(VCOCXO)作为时钟芯片的参考输入，可提高时钟芯片输出精度并控制时钟芯片输出与对端设备的时钟同步。
实施例2
本实施例2提供一种客舱广播音频的以太网同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、接收数字音频源的以太网帧；从以太网帧中提取ARINC628P3数字音频帧，从所述数字音频帧中提取关键信号；所述关键信号为数字音频帧中的SEQ_NUM、Timestamp及SSRC字段；
S2、根据关键信号提取秒脉冲信号；所述秒脉冲信号为1pps秒脉冲信号，
具体地，如图4所示，则提取秒脉冲信号的过程为：
S21、接收关键信号前，将计数器计时值CNT_TIME重置为0；
S22、判断接收到的关键信号是否满足条件：SSRC＝1且SEQ_NUM＝SEQ_NUM+1(表明该数字音频包来源一致且为连续的数字音频包)；若满足，则将Timestamp累加进计数器计时值CNT_TIME中；若不满足则返回步骤S21；
S23、判断当前计数器计时值CNT_TIME是否达到1s计时；
S24、若达到则输出1pps秒脉冲信号，并将计数器计时值归零，等待下一个关键信号的到来；若未达到，则再次将Timestamp累加进计时值中，重复步骤S23-S24。
S3、根据秒脉冲信号计算需要调整的电压值；
具体地，如图5所示，步骤S3的具体过程包括：
S31、实时判断是否接收到秒脉冲信号，当接收到秒脉冲信号时，使本地计时器开始计时；
S32、当本地计时器开始计时后，判断是否能继续接收到秒脉冲信号；
S33、若步骤S32的判断结果为能，则将本地计时器设置为1s，并根据压控振荡器产生的参考时钟计算本地时钟在1s内的频率偏差，得到需要调整的电压值后将本地计时器清零；
具体地，步骤S33中得到需要调整的电压值的过程为：
将本地计时器的计时值记为cnt_local，折算为频率f，计算压控振荡器产生的参考时钟的频率f0与折算后的频率f的频率偏差Δf；Δf＝f-f0；
由于压控振荡器输出频率偏差(Δf/f)通常与控制电压(Vc)成正比，关系如下：Δf/f＝k*(Vc-V0)，其中，Vc范围为0～Vdd，Vdd表示压控振荡器的供电电压，V0通常为Vdd/2，则反向计算出需要调整的电压值Vc：
Vc＝Δf/(k*f)+V0
V0＝Vdd/2
其中，k表示压控振荡器的调整系数，根据上述公式，针对所选择的压控振荡器，可以计算Δf与Vc查找表关系。
S34、若步骤S32的判断结果为否，则使本地计时器重新开始计时，并返回步骤S32。
S4、将需要调整的电压值转换为实际电压值，根据实际电压值调整参考时钟的频率，根据参考时钟的频率调整以太网参考时钟的频率；
S5、根据调整后的以太网参考时钟的频率向音频播放设备发送音频，具体地，调整后的以太网参考时钟的频率即为同步频率，根据同步频率将数字音频转换为模拟音频发送给音频播放设备。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述事实和方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，涉及的程序或者所述的程序可以存储于一计算机所可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：此时引出相应的方法步骤，所述的存储介质可以是ROM/RAM、磁碟、光盘等等。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种客舱广播音频的以太网同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、接收数字音频源的以太网帧；从以太网帧中提取ARINC628P3数字音频帧，从所述数字音频帧中提取关键信号；
S2、根据关键信号提取秒脉冲信号；
S3、根据秒脉冲信号计算需要调整的电压值；
S4、将需要调整的电压值转换为实际电压值，根据实际电压值调整参考时钟的频率，根据参考时钟的频率调整以太网参考时钟的频率；
S5、根据调整后的以太网参考时钟的频率向音频播放设备发送音频。
2.根据权利要求1所述的一种客舱广播音频的以太网同步方法，其特征在于，所述关键信号为数字音频帧中的SEQ_NUM、Timestamp及SSRC字段。
3.根据权利要求2所述的一种客舱广播音频的以太网同步方法，其特征在于，所述秒脉冲信号为1pps秒脉冲信号，则提取秒脉冲信号的过程为：
S21、接收关键信号前，将计数器计时值重置；
S22、判断接收到的关键信号是否满足条件：SSRC＝1且SEQ_NUM＝SEQ_NUM+1；若满足，则将Timestamp累加进计数器计时值中；若不满足则返回步骤S21；
S23、判断当前计数器计时值是否达到1s计时；
S24、若达到则输出1pps秒脉冲信号，并将计数器计时值归零，等待下一个关键信号的到来；若未达到，则再次将Timestamp累加进计时值中，重复步骤S23-S24。
4.根据权利要求1所述的一种客舱广播音频的以太网同步方法，其特征在于，根据秒脉冲信号计算需要调整的电压值的过程为：
S31、实时判断是否接收到秒脉冲信号，当接收到秒脉冲信号时，使本地计时器开始计时；
S32、当本地计时器开始计时后，判断是否能继续接收到秒脉冲信号；
S33、若步骤S32的判断结果为能，则将本地计时器设置为1s，并根据压控振荡器产生的参考时钟计算本地时钟在1s内的频率偏差，得到需要调整的电压值后将本地计时器清零；
S34、若步骤S32的判断结果为否，则使本地计时器重新开始计时，并返回步骤S32。
5.根据权利要求4所述的一种客舱广播音频的以太网同步方法，其特征在于，步骤S33中得到需要调整的电压值的过程为：
将本地计时器的计时值折算为频率f，计算压控振荡器产生的参考时钟的频率f0与折算后的频率f的频率偏差Δf；
根据压控振荡器输出频率的频率偏差Δf，得到需要调整的电压值Vc：
Vc＝Δf/(k*f)+V0
V0＝Vdd/2
其中，Vdd表示压控振荡器的供电电压，k表示压控振荡器的调整系数。
6.一种客舱广播音频的以太网同步系统，其特征在于，包括：音频处理单元和同步时钟生成单元，所述同步时钟生成单元用于生成同步时钟，包括：
FPGA处理模块，用于根据接收的以太网帧计算需要调整的电压值；
DAC转换模块，用于将所述需要调整的电压值转换为实际电压值；
频率调整模块，用于根据实际电压值调整参考时钟的频率；
时钟调整模块，用于根据参考时钟的频率调整以太网参考时钟的频率；
音频处理单元，用于根据调整后的以太网参考时钟的频率向音频播放设备发送音频。
7.根据权利要求6所述的一种客舱广播音频的以太网同步系统，其特征在于，所述FPGA处理模块包括：
以太网MAC处理单元，用于从以太网帧中提取ARINC628P3数字音频帧；
关键信号提取单元，用于从所述数字音频帧中提取出SEQ_NUM、Timestamp及SSRC字段的三个关键信号；
计数器，根据三个关键信号提取秒脉冲信号；
VCO电压计算模块，根据秒脉冲信号计算出需要调整的电压值。
8.根据权利要求7所述的一种客舱广播音频的以太网同步系统，其特征在于，VCO电压计算模块包括本地计时器、计算模块和判断模块；
判断模块用于实时判断是否接收到秒脉冲信号，并根据判断结果控制本地计时器开始计时和设置计时时间；
计算模块用于根据压控振荡器产生的参考时钟计算本地时钟在计时时间内的频率偏差，得到需要调整的电压值后将本地计时器清零。
9.根据权利要求6所述的一种客舱广播音频的以太网同步系统，其特征在于，FPGA处理模块采用1片逻辑资源为45K的FPGA芯片，用于实现以太网MAC层处理、关键信号提取、计数器和VCO电压计算功能。
10.根据权利要求6所述的一种客舱广播音频的以太网同步系统，其特征在于，DAC转换模块采用12位数模转换器，频率调整模块采用10MHz、频率调整范围为±0.7ppm～±1ppm的恒温压控振荡器，时钟调整模块采用125MHz的时钟芯片作为参考时钟源。
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