音频信号的系统及发送设备和接收设备的制作方法

本实用新型涉及音频信号处理领域，具体而言，涉及一种音频信号的系统及发送设备和接收设备。

背景技术：

在演唱会等场景中经常需要将音频信号传到控制台进行处理，目前的传统的解决方案有两种：

第一种是通过模拟线进行音频信号传输，由于模拟线不容易获取，如果项目没有准备足够的线材需要临时购买，市场上比较难于购买到合适的线材，给施工带来困难。另外一方面，模拟线容易被干扰，而且一旦干扰引入，无法完全的滤除。

第二种是通过以太网进行音频信号传输，目前市面上有通过以太网传递音频信号的解决方案，但大多数方案延时比较大，配置复杂，无法做到即插即用。

针对现有技术中的音频信号的处理系统配置复杂，无法做到即插即用的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种音频信号的系统及发送设备和接收设备，以至少解决现有技术中的音频信号的处理系统配置复杂，无法做到即插即用的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种音频信号的处理系统，包括：音频源，用于采集待传输的第一音频信号；发送设备，与音频源连接，用于对第一音频信号进行处理，得到音频数据包，其中，音频数据包至少包括：第一音频信号和接收设备的物理地址；接收设备，通过网线与发送设备连接，用于接收音频数据包。

进一步地，发送设备包括：数模转换器，用于对第一音频信号进行模数转换，得到第二音频信号，其中，第一音频信号为从音频源采集到的待传输的音频信号，第一音频信号为模拟信号，第二音频信号为数字信号；处理器，与数模转换器连接，用于按照预设格式，对第一音频信号进行格式转换，得到音频数据；以太网控制器，与处理器连接，用于按照预设协议，对音频数据进行处理，得到音频数据包，并发送音频数据包。

进一步地，接收设备还用于对音频数据包进行处理，得到第一音频信号；系统还包括：音频输出单元，与接收设备连接，用于输出第一音频信号。

进一步地，接收设备包括：以太网控制器，用于按照预设协议，对音频数据包进行处理，得到音频数据；处理器，与以太网控制器连接，用于按照预设格式，对音频数据进行格式转换，得到第二音频信号；数模转换器，与处理器连接，用于对第二音频信号进行数模转换，得到第一音频信号。

进一步地，处理器包括：第一接口，第一接口的第一端与数模转换器连接；第一处理单元，与第一接口的第二端连接；两个第二接口，每个第二接口的第一端与处理单元连接，每个第二接口的第二端与以太网控制器连接。

进一步地，处理器还包括：第三接口，用于接收外部输入的按键状态信息，并驱动LED灯进行显示；两个第二接口还用于输出按键状态信息。

进一步地，处理器还包括：第四接口，与控制器连接，用于接收控制器输出的控制参数，其中，控制参数至少包括：物理地址的发送形式，发送形式为如下一种：单播形式和广播形式。

进一步地，处理器为FPGA。

进一步地，以太网控制器包括：第二处理单元，用于对音频数据进行处理，得到音频数据包，或对音频数据包进行处理，得到音频数据；第五接口，与第二处理单元连接，用于输出音频数据包或接收音频数据包。

进一步地，以太网控制器的型号为DM9000。

进一步地，第五接口为携带变压器的RJ45接口。

进一步地，数模转换器的型号为CS5368或CS4382。

根据本实用新型实施例的另一方面，还提供了一种音频信号的发送设备，包括：数模转换器，与音频源连接，用于对获取到的第一音频信号进行模数转换，得到第二音频信号，其中，第一音频信号为从音频源采集到的待传输的音频信号，第一音频信号为模拟信号，第二音频信号为数字信号；处理器，与数模转换器连接，用于按照预设格式，对第一音频信号进行格式转换，得到音频数据；以太网控制器，分别与处理器和接收设备连接，用于按照预设协议，对音频数据进行处理，得到音频数据包，并发送音频数据包。

根据本实用新型实施例的另一方面，还提供了一种音频信号的接收设备，包括：以太网控制器，与发送设备连接，用于按照预设协议，对接收到的音频数据包进行处理，得到音频数据；处理器，与以太网控制器连接，用于按照预设格式，对音频数据进行格式转换，得到第二音频信号；数模转换器，分别与处理器和音频输出单元连接，用于对第二音频信号进行数模转换，得到第一音频信号，并输出第一音频信号，其中，第一音频信号为模拟信号，第二音频信号为数字信号。

在本实用新型实施例中，发送设备获取第一音频信号，对第一音频信号进行处理，得到音频数据包，将音频数据包发送至接收设备，从而实现对音频信号的处理和传输的目的。容易注意到的是，音频数据包中包含有接收设备的物理地址，即发送设备和接收设备运行在MAC层，不需要IP地址，可以即插即用，从而解决了现有技术中的音频信号的处理系统配置复杂，无法做到即插即用的技术问题。因此，通过本实用新型上述实施例提供的方案，可以达到使用习惯上类似于模拟线，可以即插即用的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种音频信号的处理系统的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种可选的音频信号的处理系统的示意图；

图3是根据本实用新型实施例的一种可选的处理器的示意图；

图4是根据本实用新型实施例的一种可选的以太网传输音频信号的处理系统的示意图；

图5是根据本实用新型实施例的一种可选的FPGA的外部接口的示意图；

图6是根据本实用新型实施例的一种可选的FPGA的时钟，复位，按键，显示接口的接口信号的示意图；

图7是根据本实用新型实施例的一种可选的FPGA的I2S接口的接口信号的示意图；

图8是根据本实用新型实施例的一种可选的FPGA的Eth0以太网接口的接口信号的示意图；

图9是根据本实用新型实施例的一种可选的FPGA的Eth1以太网接口的接口信号的示意图；

图10是根据本实用新型实施例的一种可选的FPGA的MCU_SPI接口的接口信号的示意图；

图11是根据本实用新型实施例的一种音频信号的发送设备的示意图；以及

图12是根据本实用新型实施例的一种音频信号的接收设备的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

实施例1

根据本实用新型实施例，提供了一种音频信号的处理系统的实施例。

图1是根据本实用新型实施例的一种音频信号的处理系统的示意图，如图1所示，该系统包括：

音频源11，用于采集待传输的第一音频信号。

具体的，上述的音频源可以是8路模拟音源，输出8路模拟音频信号；上述的第一音频信号可以是8路的模拟音频信号。

发送设备13，与音频源连接，用于对第一音频信号进行处理，得到音频数据包，其中，音频数据包至少包括：第一音频信号和接收设备的物理地址。

具体的，上述的发送设备可以是将音频信号通过以太网输出的设备AE8(Audio to Ethernet 8channels的缩写)，上述的物理地址可以是接收设备的MAC地址，即发送设备运行在MAC层。

接收设备15，通过网线与发送设备连接，用于接收音频数据包。

具体的，上述的接收设备可以是通过以太网接收AE8发送的音频数据包的设备EA8(Ethernet to Audio 8channels的简写)，AE8和EA8是以太网通信的两端，可以通过网线进行连接，接收设备也运行在MAC层。

在一种可选的方案中，以演唱会场景为例，可以通过麦克风采集到演唱者发出的语音，并输出8路的模拟音频信号至AE8，AE8负责将8路的模拟音频信号打包成以太网数据包(即上述的音频数据包)，通过网线将以太网数据包传送给远端的EA8，EA8可以从以太网上收取以太网数据包。具体的，AE8在获取到8路的模拟音频信号之后，可以根据EA8的MAC地址，对8路的模拟音频信号进行打包，实现发送设备的MAC层的数据处理，得到最终发送给接收设备的音频数据包。

通过本实用新型上述实施例，发送设备获取第一音频信号，对第一音频信号进行处理，得到音频数据包，将音频数据包发送至接收设备，从而实现对音频信号的处理和传输的目的。容易注意到的是，音频数据包中包含有接收设备的物理地址，即发送设备和接收设备运行在MAC层，不需要IP地址，可以即插即用，从而解决了现有技术中的音频信号的处理系统配置复杂，无法做到即插即用的技术问题。因此，通过本实用新型上述实施例提供的方案，可以达到使用习惯上类似于模拟线，可以即插即用的效果。

可选的，在本实用新型上述实施例中，如图2所述，发送设备13包括：

数模转换器131，用于对第一音频信号进行模数转换，得到第二音频信号，其中，第一音频信号为从音频源采集到的待传输的音频信号，第一音频信号为模拟信号，第二音频信号为数字信号。

可选的，在本实用新型上述实施例中，数模转换器的型号为CS5368。

处理器133，与数模转换器连接，用于按照预设格式，对第一音频信号进行格式转换，得到音频数据。

可选的，在本实用新型上述实施例中，处理器为FPGA。

具体的，上述的预设格式可以是I2S格式(Inter-IC Sound，集成电路内置音频)，是数字音频设备之间的音频数据传输而制定的传输标准，在本实用新型上述实施例中，以I2S参数为：48K的采样率和24bit的采样精度为例，进行说明。

以太网控制器135，与处理器连接，用于按照预设协议，对音频数据进行处理，得到音频数据包，并发送音频数据包。

可选的，在本实用新型上述实施例中，以太网控制器的型号为DM9000。

具体的，由于音频数据包中包含有接收设备的MAC地址，上述的预设协议可以是MAC层协议。

可选的，在本实用新型上述实施例中，发送设备以帧为单位，对音频数据进行处理。

此处需要说明的是，AE8和EA8是两块独立的单板，虽然他们都采用12.288M的晶振作为模数转换单元(AD/DA)的时钟源，但是，这两个晶振的频率不可能完全相同，他们之间必然有一定的差异，这个差异的大小取决于晶振的精度，其中，音频上使用的晶振精度一般为几十个PPM(百万分之一，Part Per Million的简写)。两个晶振频率的差异会导致通信上的“滑码”，解决这个“滑码”的方式一般有控制晶振振荡频率从而修复“滑码”，或者增加缓冲区以增加滑码导致溢出的时间，但每种方式都有其各自的优缺点，比如有的导致频率振荡波动加大，有的导致通信时延加大。由于本实用新型提供的处理系统对时延特别敏感，所以可以采用一帧音频数据打一个以太网数据包的方式，此时以太网数据包解封的延迟大约是2帧数据＝2*1/48000＝40us，其中，接收设备中没有设置音频数据的缓冲区。在没有缓冲区的情况下，滑码出现的概率会增大，但出现滑码时对音质的影响非常小，如果接收设备的晶振比发送端的快，接收设备等不及发送设备的音频信号，则接收设备重播上一次的音频信号；如果接收设备的时钟比发送设备慢，则滑码发生时接收设备从发送设备接收到的一个音频信号有可能还没有使用就已经被覆盖。

在一种可选的方案中，AE8主要由音频的模数转换单元(即上述的数模转换器)，FPGA核心板(即上述的处理器)和以太网协议处理单元(即上述的以太网控制器)构成，音频信号从音频源Audio到以太网Ethernet。音频的模数转换单元的核心器件是CS5368，主要功能是把8路的输入音源(模拟信号)进行AD转换，拾取模拟的音频信号并转换为数字的音频信号给FPGA；FPGA核心板的主要功能是完成CS5368输出的数字音频信号到DM9000的以太网数据包之间的对接，管理配置CS5368/DM9000等，人机控制接口，显示接口等，是整个项目的核心单元；以太网协议处理单元的主要器件是DM9000，该部分将FPGA输出的音频数据承载到以太网上进行传输，最终通过以太网线将音频数据包传给EA8设备。

通过上述方案，发送设备可以对第一音频信号进行模数转换，得到第二音频信号，按照预设格式，对第一音频信号进行格式转换，得到音频数据，并按照预设协议，对音频数据进行处理，得到音频数据包，从而实现将模拟音频信号转换为数字音频信号，并通过MAC层进行处理，通过以太网网线进行传输，在传输过程中不易受干扰，使用习惯类似模拟线，配置方便，可以即插即用，并降低滑码对音频信号的影响。

可选的，在本实用新型上述实施例中，接收设备还用于对音频数据包进行处理，得到第一音频信号，如图2所示，上述系统还包括：音频输出单元21，与接收设备连接，用于输出第一音频信号。

在一种可选的方案中，EA8设备负责从以太网上收取以太网数据包，可以接收到AE8发送的以太网数据包，并将以太网数据包进行解包，得到原始的8路模拟音频信号，驱动音箱等音频输出单元播放音频信号，从而实现将音频信号通过网线传送到远端音频输出单元。

可选的，在本实用新型上述实施例中，如图2所示，接收设备15包括：

以太网控制器135，用于按照预设协议，对音频数据包进行处理，得到音频数据。

可选的，在本实用新型上述实施例中，以太网控制器的型号为DM9000。

处理器133，与以太网控制器连接，用于按照预设格式，对音频数据进行格式转换，得到第二音频信号。

可选的，在本实用新型上述实施例中，处理器为FPGA。

数模转换器131，与处理器连接，用于对第二音频信号进行数模转换，得到第一音频信号。

可选的，在本实用新型上述实施例中，数模转换器的型号为CS4382。

在一种可选的方案中，EA8主要由以太网协议处理单元(即上述的以太网控制器)，FPGA核心板(即上述的处理器)和音频的模数转换单元(即上述的数模转换器)构成，音频信号的流向和AE8刚好相反，从以太网Ethernet到音频源Audio。以太网协议处理单元的主要器件是DM9000，该部分从以太网接收语音数据包，传给FPGA进行处理；FPGA核心板的主要功能是完成DM9000的以太网数据包到CS4382之间的对接，管理配置CS4382/DM9000等，人机控制接口，显示接口等，是整个项目的核心单元；音频的数模转换单元的核心器件是CS4382，主要功能是把8路的数字音频信号通过DA转换为模拟信号，用以驱动发声单元输出音频。

此处需要说明的是，在音频信号的处理过程中，发送设备和接收设备为过程互逆的两个设备，两个设备都包含模数转换单元、FPGA和以太网协议处理单元，在发送设备AE8中，音频信号的流向为从音频源至以太网，而在接收设备EA8中，音频信号的流向为从以太网至音频输出单元。

在另一种可选的方案中，为了解决两个自由振荡晶振的滑码问题，本实用新型中还可以采用使用FIFO缓存的方法，EA8在将接收到的每个以太网数据包进行解包之后，可以存放在FIFO中，如果读FIFO的时钟周期比写的时钟周期慢，则FIFO中存放的音频数据会累积，当FIFO中存放的音频数据累积到一定深度时，EA8内部的FPGA可以进行判断，并采取丢包的措施。

通过上述方案，接收设备将第一音频信号存入缓存队列中，并从缓存队列中依次读取第一音频信号，从而大大减少滑码发生的概率。

可选的，在本实用新型上述实施例中，如图3所示，处理器133包括：

第一接口31，第一接口的第一端与数模转换器131连接。

具体的，上述的第一接口可以是FPGA的I2S接口(AE8/EA8)，I2S接口(AE8/EA8)支持8路的模数或者数模转换(支持的路数取决于AD/DA芯片的规格)。

第一处理单元33，与第一接口的第二端连接。

具体的，上述的第一处理单元可以是FPGA内部的处理单元。

两个第二接口35，每个第二接口的第一端与处理单元连接，每个第二接口的第二端与以太网控制器135连接。

具体的，上述的两个第二接口可以是以太网接口Eth_0和Eth_1。

在一种可选的方案中，对于AE8，该I2S接口接收CS5368传送过来的音频数据，通过内部总线从以太网接口Eth0和Eth1输出至以太网协议处理单元，实现将本地I2S音频数据向以太网发送的功能；对于EA8，可以通过该I2S接口将从以太网接口Eth0或者Eth1接收到的数据发送给板上的CS4382音频DA芯片，由CS4382完成数模转换从而驱动音频输出单元，从而实现从以太网接收音频数据的功能。

此处需要说明的是，在本实用新型上述实施例中设置了两个以太网接口Eth_0和Eth_1，对于AE8，两个以太网接口都将CS5368的音频数据输出，所以两个以太网输出的音频数据的内容是相同的，AE8保留两个以太网接口的好处是：首先，可以用一个以太网接口作为音频的主输出口去驱动音箱，而用另一个以太网接口可以将音频数据拷贝一份给监听室，这样监听室就可以实时的进行监听；另外，AE8将来具有承载多达256路音频的能力，而且只用一根网线串接音箱接口实现，在此时串接的任何一个节点断路都将导致后面的音箱收不到数据；为了解决这个问题，AE8保留的两个网口输出，这样在组网的时候可以组成双向备份环，两个端口互为备份，中间节点上只要不是两个环同时故障，声音数据就可以成功传输，从而为系统的稳健性提供了保障。在目前的AE8/EA8的测试中，AE8的两个以太网接口同时输出音频，EA8的两个以太网口同时接收音频数据，如果用两根网线将AE8/EA8链接，则在任何一条以太网线出现故障时或者拔出时，音频传输都不会受到影响，系统可以自动切换到另一个正常的网口上。因此，AE8通过两个网口输出双份的音频有两个作用：监听和备份；EA8 通过两个网口可以接收两个音源数据，可以达到冗余备份的目的，从而可以使整个系统鲁棒性更强，而且，可以通过控制命令控制EA8，使其选择一路音频输出给DA。

此处还需要说明的是，在本实用新型上述实施例中，以太网接口Eth0的优先级高于以太网接口Eth1，也就是说，如果以太网接口Eth0和Eth1都有正常的数据流，则EA8选择从以太网接口Eth0获取音频数据，只有当以太网接口Eth0故障没有正常音频流时，EA8才会切换到以太网接口Eth1，从以太网接口Eth1获取音频数据。

可选的，在本实用新型上述实施例中，如图3所示，处理器133还包括：

第三接口37，与第一处理单元33连接，用于接收外部输入的按键状态信息，并驱动LED灯进行显示。

具体的，上述的第三接口可以是时钟，复位，按键，LED显示等各种信号接口，该部分接口主要是给FPGA提供时钟和复位信号，按键和LED显示又为系统的状态测试提供了方便，比如在AE8和EA8的通信过程中，通过在AE8上按测试按键，观测EA8的LED0是否点亮可以迅速判断以太网通信是否正常；上述的按键状态信息可以是工作人员通过外接Key按键，输入的测试以太网通信是否正常的按键状态，Key按键被按下和未被按下对应两种状态信息，例如，Key按键按下对应的按键状态信息为1，Key按键未被按下对应的按键状态信息为0。

两个第二接口35还用于输出按键状态信息。

在一种可选的方案中，在AE8每次传输音频数据的同时，都会采样按键的状态并驱动AE8的LED灯进行显示(按下为亮，不按为灭)，并将当前的LED状态数据打包到以太网数据包里同音频信号一并通过以太网传输给EA8。EA8在接收以太网数据包的同时，也接收到的AE8的按键状态信息，EA8在进行解包得到按键状态信息之后，可以利用该案件状态信息驱动EA8的LED灯进行显示(按下为亮，不按为灭)。

此处需要说明的是，如果AE8/EA8以太网通信正常，则当按下Key按键的时候，AE8和EA8的LED灯同时点亮，当释放Key按键的时候，AE8和EA8的LED灯同时变灭，因此，可以通过按Key按键并观测EA8的LED灯的显示是否发生变化来判断AE8和EA8之间的以太网的通断情况。

通过上述方式，发送设备接收外部输入的按键状态信息，根据按键状态信息驱动发送设备的LED灯进行显示，同时对第一音频信号和按键状态信息进行处理，得到音频数据包；接收设备按照预设协议，对音频数据包进行处理，得到按键状态信息，并根据按键状态信息驱动接收设备的LED灯进行显示，从而实现测试发送设备和接收设备之间的以太网通信是否正常，提升音频信号处理的准确性和有效性。

可选的，在本实用新型上述实施例中，如图3所示，处理器133还包括：

第四接口39，第四接口的第一端与控制器311连接，第四接口的第二端与第一处理单元33连接，用于接收控制器输出的控制参数，其中，控制参数至少包括：物理地址的发送形式，发送形式为如下一种：单播形式和广播形式。

具体的，上述的控制器可以微控制器MCU(Micro Controller Unit的简写)，上述的第四接口可以是MCU_SPI接口，在FPGA的设计中，保留了一个和MCU通信的SPI口，目前，单片机可以通过该SPI口读取FPGA的版本号等信息，还可以通过该SPI口读取FPGA接收到的音频数据，并对数据解析从而驱动通道显示LED。另外单片机还通过该SPI控制FPGA的工作状态，目前可以控制的参数有，1：控制FPGA发送数据包时，目的MAC地址是以单播的形式发送还是以广播的形式发送。2：控制FPGA是否采用缓冲区切换算法(即接收设备是否采用FIFO缓存的方法)。进一步地，保留该SPI口可以实现FPGA的加密的功能。

此处需要说明的是，在AE8只与EA8对接的场景中，所有的AE8可以共用一个MAC地址，所有的EA8可以共用另一个MAC地址，只要AE8和EA8具有不同的MAC地址，就能够保证通信的双方MAC地址不相同，避免MAC冲突。因此，可以采用拨码开关设定是AE8还是EA8,从而选择各自的MAC地址，并且AE8和EA8都知道对方的MAC地址，避免了通信前通过复杂协议获取MAC的过程，实现即插即用的功能。

但是，为了兼容将来的音箱串接，在EA8串联EA8的场景中，即EA8不再只和AE8连接，EA8有可能连接EA8。此时如果所有EA8还是共用一个MAC地址，两个EA8串接时就会导致MAC冲突。如果给每个EA8都分配一个不同的MAC地址，串接的双方在通信之前就需要通过ARP协议等方式获取对方的MAC地址，这样做势必会导致整个系统的复杂化，使得通信的延迟大大增加，继而导致即插即用的体验变差。为了简化这个问题，EA8可以使用广播包传递音频数据，使用广播包就省去了获取对方MAC地址的步骤，使得数据通信能够立刻建立，达到即插即用的效果。

可选的，在本实用新型上述实施例中，如图2所示，以太网控制器135包括：

第二处理单元1351，用于对音频数据进行处理，得到音频数据包。

具体的，上述的第二处理单元可以是以太网协议处理单元中的处理单元，或对音频数据包进行处理，得到音频数据。

第五接口1353，与第二处理单元连接，用于输出音频数据包或接收音频数据包。

可选的，在本实用新型上述实施例中，第五接口为携带变压器的RJ45接口。

在一种可选的方案中，以太网协议处理单元可以由DM9000和带变压器的RJ45接口构成，可以通过以太网协议处理单元中的处理单元将FPGA输出的音频数据承载到以太网上进行传输，最终从RJ45接口，通过以太网线将音频数据包传给EA8设备，EA8设备可以通过RJ45接口接收到音频数据包，并通过以太网协议处理单元中的处理单元将音频数据包解包成音频数据传输给PFGA。

下面结合图4至图10，对本实用新型一种优选的实施例进行详细说明。

如图4所示，音频信号的处理系统可以包括8路模拟音源，AE8，EA8和8路喇叭构成，AE8和EA8是以太网通信的两端，其中AE8负责把8路的模拟的音频信号转换成数字信号，并打包成以太网数据包，通过以太网接口RJ45和网线传给远端的EA8，EA8负责从以太网上收取以太网包，解包后发给数模转换模块CS4382转换成模拟信号，还原成原来的音频信号。AE8主要由：音频的模数转换单元，FPGA核心板，以太网协议处理单元构成，AE8的音频数据是从Audio到以太网Ethernet，音频的模数转换单元的核心器件是CS5368，主要功能是把8路的输入音源(模拟信号)进行AD转换，拾取模拟的音频信号并转换为数字的音频信号给FPGA，目前数字信号采用I2S格式的接口标准，目前的I2S参数为：48K采样率，24bit的采样精度；FPGA核心板的主要功能是完成CS5368输出的数字音频信号到DM9000的以太网数据包之间的对接，管理配置CS5368/DM9000等，人机控制接口，显示接口等，是整个项目的核心单元；以太网协议处理单元的主要器件是DM9000，以及带变压器的RJ45接口，该部分将FPGA输出的语音数据包承载到以太网上进行传输，最终从RJ45接口，通过以太网线将音频信号传给EA8设备。EA8主要有由：以太网协议处理单元，FPGA核心板，音频的数模转换单元构成，这里需要注意的是EA8的音频数据流向和AE8刚好相反，AE8是从Audio流向Ethernet，而EA8是从Ethernet流向Audio，以太网协议处理单元的主要器件是DM9000，以及带变压器的RJ45接口。该部分从以太网接收语音数据包，传给FPGA进行处理；FPGA核心板的主要功能是完成DM9000的以太网数据包到CS4382之间的对接，管理配置CS4382/DM9000等，人机控制接口，显示接口等，是整个项目的核心单元；音频的数模转换单元的核心器件是CS4382，主要功能是把8路的数字音频信号通过DA转换为模拟信号，用以驱动发声单元输出音频。

如图5所示，FPGA的对外接口主要由以下5个部分构成：时钟，复位，按键，LED显示等各种信号接口，该部分接口主要是给FPGA提供时钟和复位信号，按键和LED显示又为系统的状态测试提供了方便，比如在AE8和EA8的通信过程中，通过在AE8上按测试按键，观测EA8的LED灯是否点亮可以迅速判断以太网通信是否正常；I2S接口(AE8/EA8)，对于AE8，该I2S接口接收CS5368(CS5368是AD转换芯片)过来的音频数据，通过内部总线从以太网Eth0和Eth1输出，实现将本地I2S音频数据向以太网发送的功能；对于EA8，通过该I2S接口将从Eth0或者Eth1接收到的数据发送给板上的CS4382音频DA芯片，由CS4382完成数模转换从而驱动发生单元，从而实现从以太网接收音频数据的功能。I2S接口(AE8/EA8)支持8路的模数或者数模转换(支持的路数取决于AD/DA芯片的规格)；Eth_0以太网接口；Eth_1以太网接口，对于AE8，Eth1输出和Eth0的相同的音频数据，从而提供监听或者备份功能。对于EA8，当Eth0以太网传输中断时，EA8自动切换到Eth1，从Eth1接收音频数据，从而实现以太网的冗余备份，提高了整个系统的鲁棒性；MCU_SPI接口，在FPGA的设计中，保留了一个和MCU通信的SPI口，目前，单片机可以通过该SPI口读取FPGA的版本号等信息，还可以通过该SPI口读取FPGA接收到的音频数据，并对数据解析从而驱动通道显示LED。另外单片机还通过该SPI控制FPGA的工作状态，目前可以控制的参数有，1：控制FPGA发送数据包时，目的MAC地址是以单播的形式发送还是以广播的形式发送。2：控制FPGA是否采用缓冲区切换算法，进一步还可以实现FPGA的加密的功能。

如图6所示，时钟，复位，按键，LED显示等各种信号接口包括如下接口信号：OSC_50m“外部晶振的50M时钟；emclk：FPGA输出给DM9000的时钟，目前DM9000使用单独的25M晶振，没有使用该信号；cpu_rstn：外部输入的复位信号，用于复位整个逻辑；keys：按键输入信号，目前，key[0]用于demo板的复位，Key[1]用于测试以太网通信是否正常；LED：led灯，配合Key按键，用于测试以太网通信是否正常；Seg：七段数码管的驱动脚，目前没有使用。

如图7所示，I2S接口(AE8/EA8)包括如下接口信号：ctl_cs1、ctl_clk、ctl_mosi、ctl_miso：这四个信号是CS5368/4382的CPU配置的SPI口，也可以当作CPU配置的I2C口，目前CS5368/4382使用硬配的模式工作；osc_12m288：外部12.288M晶振的时钟输入，本实用新型实施例中的AE8/EA8工作在48K采用率的普通模式下(非USB模式)，所以需要的晶振为：48K*256＝12.288M；i2s_sclk：I2S的位时钟，为了支持多通道，所有的AD/DA工作在从模式下，即AD/DA从外部取位时钟，所以需要FPGA输出位时钟，由FPGA输出位时钟可以保证多个模块时钟的同步；i2s_lrck：I2S左右声道选择时钟，在本实用新型上述实施例中，任何一个I2S数据线都是传送的2个通道的数据(或者说一个立体声数据)，通过i2s_lrck的电平表示左声道还是右声道；i2s_lrck和i2s_sclk一样，由FPGA输出，从而保证多个AD/DA可以同步；i2s_inout1：这个是I2S的数据信号，如果是AE8，该信号为输入，如果为EA8，该信号为输出，每个i2s_inout都传递2个声道的音频数据，因此8通道的音频数据只需要4个i2s_inout，即i2s_inout1、i2s_inout2、i2s_inout3和i2s_inout4。

如图8所示，以太网接口Eth_0可以包括如下接口信号：Eth_0是主以太网接口，在AE8上，FPGA通过该接口向DM9000发送音频数据，最终通过RJ45发出数据包；对于EA8，FPGA从该接口接收音频数据，最终发给DA芯片。dm9000_int：DM9000 的中断信号，对于EA8，每当接收到新的数据包时，就会通过拉高该信号通知FPGA有新的数据包到达，FPGA取走数据包后，通过寄存器清除该信号。对于AE8，该信号不会被拉高(因为AE8没有数据包可接收)所以不需要处理；dm9000_rst_n：DM9000的复位信号，通过拉底该信号对DM9000进行复位；dm9000_cs_n：DM9000的片选信号，通过拉底该信号选中DM9000；dm9000_cmd_n：由于DM9000没有地址信号，实际上是地址和数据是复用的，因此，需要一个信号标识一下究竟是数据还是地址。DM9000通过该信号进行标识；dm9000_rd_n：DM9000的读使能信号；dm9000_wr_n：DM9000的写使能信号；dm9000_data：DM9000的数据信号，该信号是一个复用信号，首先的一个复用是地址和数据的复用，并通过dm9000_cmd_n进行标识究竟是地址还是数据；另外一个复用是输入和输出的复用，DM9000的写入数据和读出数据都是通过该信号进行传递。

如图9所示，以太网接口Eth_1可以包括如下接口信号：Eth_1是以太网备份接口，在AE8上，FPGA向eth0发送音频数据的同时，会抄送一份到该接口，因此可以实现音频的监听或者冗余备份；对于EA8，当eth0断路的时候，FPGA自动切换到该接口接收音频数据，从而实现了音频输入的备份功能。eth1的接口信号和eth0功能上相同，具体如下：enetc_int：DM9000的中断信号，对于EA8，每当接收到新的数据包时，就会通过拉高该信号通知FPGA有新的数据包到达，FPGA取走数据包后，通过寄存器清除该信号。对于AE8，该信号不会被拉高(因为AE8没有数据包可接收)所以不需要处理。enetc_rst_n：DM9000的复位信号，通过拉底该信号对DM9000进行复位；enetc_cs_n：DM9000的片选信号，通过拉底该信号选中DM9000；enetc_cmd_n：由于DM9000没有地址信号，实际上是地址和数据是复用的，因此，需要一个信号标识一下究竟是数据还是地址。DM9000通过该信号进行标识；enetc_rd_n：DM9000的读使能信号；enetc_wr_n：DM9000的写使能信号；enetc_data：DM9000的数据信号，该信号是一个复用信号，首先的一个复用是地址和数据的复用。并通过dm9000_cmd_n进行标识究竟是地址还是数据；另外一个复用是输入和输出的复用，DM9000的写入数据和读出数据都是通过该信号进行传递。

如图10所示，mcu_spi接口可以包括如下接口信号：该接口是FPGA和单片机mcu之间的通信接口。目前的通信方式是MCU为主设备，FPGA为从设备。另外，MCU通过该接口可以读取到各通道当前的音频数据，从而可以判断信号电平的幅值继而驱动各通道的LED电平指示灯进行显示。spi3_cs：SPI的片选信号，由主设备MCU进行驱动；spi3_sclk：SPI的时钟信号，由主设备MCU进行驱动；spi3_mosi：SPI的master output slave input信号，由主设备MCU进行驱动；spi3_miso：SPI的master input slave output信号，由主设备FPGA进行驱动。

此处还需要说明的是，8路模拟音频信号经过发送设备，通过以太网传输给接收设备，并还原为8路模拟音频信号，整个处理过程中，总共有0.57ms左右的延时，主要由以下三个方面产生：

1、8路模拟音频信号经过AE8的模数转换单元转换为8路数字音频信号，如下表1所示，在本实用新型上述实施例中，采样频率FS选用48KHz，总延时Total Delay＝12÷(48×1000)s＝0.25ms。

2、EA8从以太网上收取以太网数据包，并经过模数转换单元，将8路数字音频信号转换为8路模拟音频信号，如下表2所示，在本实用新型上述实施例中，采样频率FS选用48KHz，总延时Total Delay＝10.4÷(48×1000)s＝0.22ms。

3、AE8对数字音频信号进行打包、EA8对以太网数据包进行解包，以及EA8将模数转换后的模拟音频信号存入FIFO缓存，产生0.1ms左右的时延。

表1

表2

由上可知，与现有的通过以太网传递音频的解决方案相比，采用本申请上述实施例提供的方案，可以降低音频信号的处理时延。

实施例2

根据本实用新型实施例，提供了一种音频信号的发送设备的实施例。

图11是根据本实用新型实施例的一种音频信号的发送设备的示意图，如图11所示，该发送设备包括：

数模转换器111，与音频源连接，用于对获取到的第一音频信号进行模数转换，得到第二音频信号，其中，第一音频信号为从音频源采集到的待传输的音频信号，第一音频信号为模拟信号，第二音频信号为数字信号。

可选的，在本实用新型上述实施例中，数模转换器的型号为CS5368。

处理器113，与数模转换器连接，用于按照预设格式，对第一音频信号进行格式转换，得到音频数据。

可选的，在本实用新型上述实施例中，处理器为FPGA。

具体的，上述的预设格式可以是I2S格式(Inter-IC Sound，集成电路内置音频)，是数字音频设备之间的音频数据传输而制定的传输标准，在本实用新型上述实施例中，以I2S参数为：48K的采样率和24bit的采样精度为例，进行说明。

以太网控制器115，分别与处理器和接收设备连接，用于按照预设协议，对音频数据进行处理，得到音频数据包，并发送音频数据包。

可选的，在本实用新型上述实施例中，以太网控制器的型号为DM9000。

具体的，由于音频数据包中包含有接收设备的MAC地址，上述的预设协议可以是MAC层协议。

可选的，在本实用新型上述实施例中，发送设备以帧为单位，对音频数据进行处理。

此处需要说明的是，AE8和EA8是两块独立的单板，虽然他们都采用12.288M的晶振作为模数转换单元(AD/DA)的时钟源，但是，这两个晶振的频率不可能完全相同，他们之间必然有一定的差异，这个差异的大小取决于晶振的精度，其中，音频上使用的晶振精度一般为几十个PPM(百万分之一，Part Per Million的简写)。两个晶振频率的差异会导致通信上的“滑码”，解决这个“滑码”的方式一般有控制晶振振荡频率从而修复“滑码”，或者增加缓冲区以增加滑码导致溢出的时间，但每种方式都有其各自的优缺点，比如有的导致频率振荡波动加大，有的导致通信时延加大。由于本实用新型提供的处理系统对时延特别敏感，所以可以采用一帧音频数据打一个以太网数据包的方式，此时以太网数据包解封的延迟大约是2帧数据＝2*1/48000＝40us，其中，接收设备中没有设置音频数据的缓冲区。在没有缓冲区的情况下，滑码出现的概率会增大，但出现滑码时对音质的影响非常小，如果接收设备的晶振比发送端的快，接收设备等不及发送设备的音频信号，则接收设备重播上一次的音频信号；如果接收设备的时钟比发送设备慢，则滑码发生时接收设备从发送设备接收到的一个音频信号有可能还没有使用就已经被覆盖。

在一种可选的方案中，AE8主要由音频的模数转换单元(即上述的数模转换器)，FPGA核心板(即上述的处理器)和以太网协议处理单元(即上述的以太网控制器)构成，音频信号从音频源Audio到以太网Ethernet。音频的模数转换单元的核心器件是CS5368，主要功能是把8路的输入音源(模拟信号)进行AD转换，拾取模拟的音频信号并转换为数字的音频信号给FPGA；FPGA核心板的主要功能是完成CS5368输出的数字音频信号到DM9000的以太网数据包之间的对接，管理配置CS5368/DM9000等，人机控制接口，显示接口等，是整个项目的核心单元；以太网协议处理单元的主要器件是DM9000，该部分将FPGA输出的音频数据承载到以太网上进行传输，最终通过以太网线将音频数据包传给EA8设备。

通过本实用新型上述实施例，数模转换器对获取到的第一音频信号进行模数转换，得到第二音频信号，处理器按照预设格式，对第一音频信号进行格式转换，得到音频数据，以太网控制器按照预设协议，对音频数据进行处理，得到音频数据包，并发送音频数据包，从而实现对音频信号的处理和传输的目的。容易注意到的是，模数转换器将第一音频信号转换为第二音频信号，实现将模拟音频信号转换为数字音频信号，在传输过程中不易受干扰，音频数据包中包含有接收设备的物理地址，即发送设备和接收设备运行在MAC层，不需要IP地址，可以即插即用，从而解决了现有技术中的音频信号的处理系统配置复杂，无法做到即插即用的技术问题。因此，通过本实用新型上述实施例提供的方案，可以达到使用习惯上类似于模拟线，配置方便，可以即插即用，并降低滑码对音频信号的影响的效果。

实施例3

根据本实用新型实施例，提供了一种音频信号的接收设备的实施例。

图12是根据本实用新型实施例的一种音频信号的接收设备的示意图，如图12所示，该接收设备包括：

以太网控制器121，与发送设备连接，用于按照预设协议，对接收到的音频数据包进行处理，得到音频数据。

可选的，在本实用新型上述实施例中，以太网控制器的型号为DM9000。

具体的，由于音频数据包中包含有接收设备的MAC地址，上述的预设协议可以是MAC层协议。

可选的，在本实用新型上述实施例中，发送设备以帧为单位，对音频数据进行处理。

此处需要说明的是，AE8和EA8是两块独立的单板，虽然他们都采用12.288M的晶振作为模数转换单元(AD/DA)的时钟源，但是，这两个晶振的频率不可能完全相同，他们之间必然有一定的差异，这个差异的大小取决于晶振的精度，其中，音频上使用的晶振精度一般为几十个PPM(百万分之一，Part Per Million的简写)。两个晶振频率的差异会导致通信上的“滑码”，解决这个“滑码”的方式一般有控制晶振振荡频率从而修复“滑码”，或者增加缓冲区以增加滑码导致溢出的时间，但每种方式都有其各自的优缺点，比如有的导致频率振荡波动加大，有的导致通信时延加大。由于本实用新型提供的处理系统对时延特别敏感，所以可以采用一帧音频数据打一个以太网数据包的方式，此时以太网数据包解封的延迟大约是2帧数据＝2*1/48000＝40us，其中，接收设备中没有设置音频数据的缓冲区。在没有缓冲区的情况下，滑码出现的概率会增大，但出现滑码时对音质的影响非常小，如果接收设备的晶振比发送端的快，接收设备等不及发送设备的音频信号，则接收设备重播上一次的音频信号；如果接收设备的时钟比发送设备慢，则滑码发生时接收设备从发送设备接收到的一个音频信号有可能还没有使用就已经被覆盖。

处理器123，与以太网控制器连接，用于按照预设格式，对音频数据进行格式转换，得到第二音频信号。

可选的，在本实用新型上述实施例中，处理器为FPGA。

具体的，上述的预设格式可以是I2S格式(Inter-IC Sound，集成电路内置音频)，是数字音频设备之间的音频数据传输而制定的传输标准，在本实用新型上述实施例中，以I2S参数为：48K的采样率和24bit的采样精度为例，进行说明。

数模转换器125，分别与处理器和音频输出单元连接，用于对第二音频信号进行数模转换，得到第一音频信号，并输出第一音频信号，其中，第一音频信号为模拟信号，第二音频信号为数字信号。

可选的，在本实用新型上述实施例中，数模转换器的型号为CS4382。

在一种可选的方案中，EA8主要由以太网协议处理单元(即上述的以太网控制器)，FPGA核心板(即上述的处理器)和音频的模数转换单元(即上述的数模转换器)构成，音频信号的流向和AE8刚好相反，从以太网Ethernet到音频源Audio。以太网协议处理单元的主要器件是DM9000，该部分从以太网接收语音数据包，传给FPGA进行处理；FPGA核心板的主要功能是完成DM9000的以太网数据包到CS4382之间的对接，管理配置CS4382/DM9000等，人机控制接口，显示接口等，是整个项目的核心单元；音频的数模转换单元的核心器件是CS4382，主要功能是把8路的数字音频信号通过DA转换为模拟信号，用以驱动发声单元输出音频。

此处需要说明的是，在音频信号的处理过程中，发送设备和接收设备为过程互逆的两个设备，两个设备都包含模数转换单元、FPGA和以太网协议处理单元，在发送设备AE8中，音频信号的流向为从音频源至以太网，而在接收设备EA8中，音频信号的流向为从以太网至音频输出单元。

在另一种可选的方案中，为了解决两个自由振荡晶振的滑码问题，本实用新型中还可以采用使用FIFO缓存的方法，EA8在将接收到的每个以太网数据包进行解包之后，可以存放在FIFO中，如果读FIFO的时钟周期比写的时钟周期慢，则FIFO中存放的音频数据会累积，当FIFO中存放的音频数据累积到一定深度时，EA8内部的FPGA可以进行判断，并采取丢包的措施。

通过本实用新型上述实施例，发送设备获取第一音频信号，对第一音频信号进行处理，得到音频数据包，将音频数据包发送至接收设备，从而实现对音频信号的处理和传输的目的。容易注意到的是，模数转换器将第一音频信号转换为第二音频信号，实现将模拟音频信号转换为数字音频信号，在传输过程中不易受干扰，音频数据包中包含有接收设备的物理地址，即发送设备和接收设备运行在MAC层，不需要IP地址，可以即插即用，从而解决了现有技术中的音频信号的处理系统配置复杂，无法做到即插即用的技术问题。因此，通过本实用新型上述实施例提供的方案，可以达到使用习惯上类似于模拟线，配置方便，可以即插即用，并降低滑码对音频信号的影响的效果。

通过本实用新型上述实施例，以太网控制器按照预设协议，对接收到的音频数据包进行处理，得到音频数据，处理器按照预设格式，对音频数据进行格式转换，得到第二音频信号，数模转换器对第二音频信号进行数模转换，得到第一音频信号，并输出第一音频信号，从而实现对音频信号的处理和传输的目的。容易注意到的是，模数转换器将第一音频信号转换为第二音频信号，实现将模拟音频信号转换为数字音频信号，在传输过程中不易受干扰，音频数据包中包含有接收设备的物理地址，即发送设备和接收设备运行在MAC层，不需要IP地址，可以即插即用，从而解决了现有技术中的音频信号的处理系统配置复杂，无法做到即插即用的技术问题。因此，通过本实用新型上述实施例提供的方案，可以达到使用习惯上类似于模拟线，配置方便，可以即插即用，并降低滑码对音频信号的影响的效果。上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。