CN115002127A - 一种分布式音频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分布式音频系统，包括多个音频处理器、多个音频接入端，多个音频处理器和多个音频接入端通过网络连接，从而建立虚拟运算网络；音频处理器实时在虚拟运算网络内汇报运算算力情况，同时接收音频接入端的音频运算；音频接入端负责模拟音频转成网络接口，同时通过算法实时上报运算需求，在运算仲裁机制下获取响应的音频处理器进行音频运算，并实现音频的输入输出。本发明的有益效果是：本发明将设备处理能力进行去中心化，降低每个音频节点的处理能力和处理成本，通过网络带宽和每个节点的处理能力来分散系统的处理运算，让更低成本的设备能够完成更高效的音频处理能力和处理效果，同时结合内部算力均衡评估实现多点运算同步处理。

Description

一种分布式音频系统
技术领域
本发明涉及音频处理技术领域，尤其涉及一种分布式音频系统。
背景技术
在专业音视频领域，高品质数字音频处理器，音频系统由传统的模拟音频系统向数字音频系统进行迭代更新，行业内出现了多种数字音频传输网络，例如:CobraNet(基本很少用)、Dante、Q-LAN，AES67等等，这些技术解决数字音频传输延时、高保真等有较强的技术基础，在一定时期内解决了音频的网络传输和应用功能。
现有的音频处理器和音频处理网络，需要较强的运算能力，对音频进行数字运算，然后在通过特定的网络包的格式将音频数据封包通知结合准确的时钟处理实现高品质低延时的音频传输，这个对每个音频处理器的要求较高，需要较强的算力才能接入到对应的音频网络之中。
现在的技术是音频网络都有专门的厂家提供芯片。成本和应用门槛较高，而实际应用中不需要每个节点都具备很强的算力，同时存在大量的运算资源浪费问题。系统较为复杂。
发明内容
本发明提供了一种分布式音频系统，包括多个音频处理器、多个音频接入端，多个所述音频处理器和多个所述音频接入端通过网络连接，从而建立虚拟运算网络；
所述音频处理器实时在虚拟运算网络内汇报运算算力情况，同时接收音频接入端的音频运算；
音频接入端负责模拟音频转成网络接口，同时通过算法实时上报运算需求，在运算仲裁机制下获取响应的音频处理器进行音频运算，并实现音频的输入输出。
作为本发明的进一步改进，所述音频处理器通过汇报算力和接收新的运算任务来更新当前算力，当前音频处理器的算力低于设定值时，通过运算仲裁机制进行算力分配，将当前音频运算分配给算力高于设定值的音频处理器，通过网络实现网络音频数据流的获取和发布。
作为本发明的进一步改进，所述音频处理器和所述音频接入端都具备一个算力仲裁电路，所述算力仲裁电路用于实时请求算力和获得算力以及算力汇报仲裁工作。
作为本发明的进一步改进，该分布式音频系统还包括控制计算机，控制计算机进行初步分配、以及音频运算的任务设置和调试工作。
作为本发明的进一步改进，在音频接入端中，采用MCU来进行算力请求和数据传输，音频接入端不参与音频运算。
作为本发明的进一步改进，所述音频运算包括音频的均衡、压缩、扩展、增益、混音、路由、相位运算。
作为本发明的进一步改进，所述运算仲裁机制包括执行如下步骤：
步骤1：音频处理器汇报算力，并将算力虚拟到虚拟运算网络中；
步骤2：等待算力请求和处理；
步骤3：判断网络中是否有算力请求和操作，如是，那么执行步骤4，否则返回执行步骤2；
步骤4：依据运算规则进行算力分配；
步骤5：实时分配算力，并实时配合PC软件进行音频运算，实时更新算力情况；
步骤6：判断当前音频处理器的算力是否足够，如是，那么执行步骤7，否则依据运算规则进行算力分配，寻找其他音频处理器，然后返回执行步骤2；
步骤7：当前音频处理器实时处理音频运算操作，汇报当前算力，等待新的运算请求。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，运算规则是指对DSP内部的运算能力进行实时的统计，对指定的一个应用需求进行评估，再对评估的结果与系统内所有的音频处理器运算能力进行对比匹配，然后将运算放到响应的音频处理器运算。
本发明的有益效果是：本发明将设备处理能力进行去中心化，降低每个音频节点的处理能力和处理成本，通过网络带宽和每个节点的处理能力来分散系统的处理运算，让更低成本的设备能够完成更高效的音频处理能力和处理效果，同时结合内部算力均衡评估实现多点运算同步处理。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明的音频处理器原理图；
图3是本发明的音频接入端原理图；
图4是本发明的算力仲裁流程；
图5是本发明的算力分配示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种分布式音频系统，将分布式音频系统做成一个虚拟运算网络，虚拟运算网络中实时同步算力和运算情况，虚拟运算网络中包括较强运算的音频处理器也包括简单的音频接入端。
所述音频处理器实时在虚拟运算网络内汇报运算算力情况，同时接收音频接入端的音频运算，音频运算包括各种音频的均衡、压缩、扩展、增益、混音、路由、相位等相关运算。
音频接入端和音频处理器通过网络连接，网络包括高速宽带以及5G等基础网络，实现设备与设备之间互联，建立虚拟运算网络，该虚拟运算网络基于简单的网络架构，不需要服务器和专业的核心节点，通过运算仲裁机制进行算力分配。
音频处理器具备数字音频运算能力，可以处理一定通道的数字音频处理运算，在实际应用中数字音频每个音频通道需要做的运算是不同的，通常会有大量运算能力浪费。
音频处理器通过网络对外发布运算算力情况，例如当前算力：35％，50％等等。
如图2所示，音频处理器包含了音频的模拟与数字的A/D，D/A转换电路，数字运算电路以及网络传输接口等等，这部分沿用原有的架构，通过汇报算力和接收新的运算任务来更新当前算力，当前音频处理器的算力低于设定值时，通过运算仲裁机制进行算力分配，将当前音频运算分配给算力高于设定值的音频处理器，通过网络实现网络音频数据流的获取和发布。
网络音频数据流来源包括其他音频处理器、各种音频接入端等等。
如图3所示，音频接入端去掉了算法单元，只保留A/D，D/A转换电路和网络接口电路，直接实现从模拟音频到数字网络音频的转换，通过简单的单片机实现音频的网络转换。
在音频接入端中，采用MCU来进行算力请求和数据传输，并不参与实际的音频运算，MCU可采用内置I2S接口电路，这样既可以做音频数据转换也可以完成算力请求。
在音频处理器中，由于原有的处理器都具备MCU电路，以及运算能力很强的DSP，或者是DSP+ARM内核，不仅可以进行音频运算，可以进行算力仲裁和计算。
音频处理器和音频接入端都具备一个简单的算力仲裁电路，用于实时请求算力和获得算力以及算力汇报仲裁工作。音频处理器一般都具备MCU和DSP的能力，直接用原有的MCU，或者DSP内部的MCU核进行算力匹配和计算。
控制计算机进行初步分配，以及音频运算的任务设置和调试工作，计算机软件实现音频的传输配置和声音的调试，通过一台音频处理器实现音频的初步配置和算力分配。计算机软件无需参与音频算法的运算，PC软件只负责初始的任务设置和调试，实际执行均在音频处理器上面进行。
如图4所示，运算仲裁机制包含算力实时汇报、算力实时更新、算力分配、算力请求以及带宽优先等原则，包括如下步骤：
步骤1：音频处理器汇报算力，并将算力虚拟到虚拟运算网络中；
步骤2：等待算力请求和处理；
步骤3：判断网络中是否有算力请求和操作，如是，那么执行步骤4，否则返回执行步骤2；
步骤4：依据运算规则进行算力分配；运算规则的说明如下：就是跟进DSP内部的运算能力进行试试的统计，统计信息是按照百分比显示的，而处理器的每一个算法的应用都会占用运算资源，所以我们需要对指定的一个应用需求，例如反馈抑制+降噪运算需求进行评估，再对评估的结果与系统内所有的音频处理器运算能力进行对比匹配，然后将运算放到响应的音频处理器运算。
步骤5：实时分配算力，并实时配合PC软件进行音频运算，实时更新算力情况；在步骤5中，音频处理器所有的运算功能是通过一个PC软件的人机界面进行设置，可以理解为音频处理器是一个可以通过设置来实现对应的功能需求，这种配置需要PC软件认为操作的，PC软件通常是安装在PC电脑上，通过网线及交换机连接到处理器上面。
步骤6：判断当前音频处理器的算力是否足够，如是，那么执行步骤7，否则依据运算规则进行算力分配，寻找其他音频处理器，然后返回执行步骤2；
在步骤6中，“判断当前音频处理器的算力是否足够”的说明如下：每个音频处理器的运算能力是只当前的音频处理任务能否满足，例如一个接入端可能无法实现反馈、降噪等算法，所以如果这个接入端需要运算的时候，则需要将这部分音频通过网络送给音频处理器，音频处理器来做运算。再例如当前设备是音频处理器，运算能力强，而当前分配给该音频处理器的运算任务不多，则这个时候会汇报算力情况，让系统分配更多运算过来。
步骤7：当前音频处理器实时处理音频运算操作，汇报当前算力，等待新的运算请求。
用户登录后，在计算机软件中看到的是一个强大虚拟DSP，看到的是所有的音频输入输出接口，以及系统总的运算能力，总的运算能力是通过系统中的音频处理器的算力上报汇总后得出，再实际应用中，这些输入输出接口会接入到不同的音频源和音频输出设备中，音源包括：话筒、会议系统各种播放器、电脑、视频设备等的音频输出。
而输出会接入到扩声设备、包括功放、其他会议及音频输入设备当中。
用于跟进实际的音频处理需求进行处理，在软件上调节音频的增益、均衡、压缩、扩展、延时、混音路由等算法。
用户设置和配置这些算法，系统会跟进算力仲裁机制完成运算分配，用户无需关心当前在那个设备上运算，在用户看来就是有输入输出音频，并经过该系统进行了相关的运算。
当系统中有一个运算的音频处理器离线，则系统将实时将算力已交到其他算力未满的音频处理器上面运算。不影响系统的整体可靠性。
本发明通过简化的音频处理器及网络芯片传输架构，实现简单网络的音频算力仲裁和申请和分派。
本发明通过算力评估让用户可以看到当前的总的算力情况。
本发明简化了现有的音频接口盒的方案架构，去掉接口盒的运算能力，降低成本，只需要做数模转换和网路传输。
本发明的每个音频处理器或者音频接入端都具备一个算力仲裁电路，通过简单的系统协议实现算力的汇总和实施计算。
随着5G传输和超高速网络传输技术的应用，网络传输不再是音频传输的瓶颈，针对这一发展趋势，本发明将设备处理能力进行去中心化，降低每个音频节点的处理能力和处理成本，通过网络带宽和每个节点的处理能力来分散系统的处理运算，让更低成本的设备能够完成更高效的音频处理能力和处理效果，同时结合内部算力均衡评估实现多点运算同步处理。
与现有的处理器和数字传输系统相比，本发明更加简单，音频接口端成本更低；本发明不依赖某个核心的音频处理器，通过一个仲裁架构实现对算力的配置；本发明操作简单，用户接入系统无需确认具体算法在哪个设备里面进行计算，实时实现运算与分配。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种分布式音频系统，其特征在于：包括多个音频处理器、多个音频接入端，多个所述音频处理器和多个所述音频接入端通过网络连接，从而建立虚拟运算网络；
所述音频处理器实时在虚拟运算网络内汇报运算算力情况，同时接收音频接入端的音频运算；
音频接入端负责模拟音频转成网络接口，同时通过算法实时上报运算需求，在运算仲裁机制下获取响应的音频处理器进行音频运算，并实现音频的输入输出。
2.根据权利要求1所述的分布式音频系统，其特征在于：所述音频处理器通过汇报算力和接收新的运算任务来更新当前算力，当前音频处理器的算力低于设定值时，通过运算仲裁机制进行算力分配，将当前音频运算分配给算力高于设定值的音频处理器，通过网络实现网络音频数据流的获取和发布。
3.根据权利要求1所述的分布式音频系统，其特征在于：所述音频处理器和所述音频接入端都具备一个算力仲裁电路，所述算力仲裁电路用于实时请求算力和获得算力以及算力汇报仲裁工作。
4.根据权利要求1所述的分布式音频系统，其特征在于：该分布式音频系统还包括控制计算机，控制计算机进行初步分配、以及音频运算的任务设置和调试工作。
5.根据权利要求1所述的分布式音频系统，其特征在于：在音频接入端中，采用MCU来进行算力请求和数据传输，音频接入端不参与音频运算。
6.根据权利要求1所述的分布式音频系统，其特征在于：所述音频运算包括音频的均衡、压缩、扩展、增益、混音、路由、相位运算。
7.根据权利要求1至6任一项所述的分布式音频系统，其特征在于，所述运算仲裁机制包括执行如下步骤：
步骤1：音频处理器汇报算力，并将算力虚拟到虚拟运算网络中；
步骤2：等待算力请求和处理；
步骤3：判断网络中是否有算力请求和操作，如是，那么执行步骤4，否则返回执行步骤2；
步骤4：依据运算规则进行算力分配；
步骤5：实时分配算力，并实时配合PC软件进行音频运算，实时更新算力情况；
步骤6：判断当前音频处理器的算力是否足够，如是，那么执行步骤7，否则依据运算规则进行算力分配，寻找其他音频处理器，然后返回执行步骤2；
步骤7：当前音频处理器实时处理音频运算操作，汇报当前算力，等待新的运算请求。
8.根据权利要求7所述的分布式音频系统，其特征在于：在所述步骤4中，运算规则是指对DSP内部的运算能力进行实时的统计，对指定的一个应用需求进行评估，再对评估的结果与系统内所有的音频处理器运算能力进行对比匹配，然后将运算放到响应的音频处理器运算。
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