基于Wi-Fi私有协议的音频系统设计

1   背景

随着电视技术的发展和用户需求的提升，电视产品向着轻薄化的趋势发展，同时电视音响单元的设计空间也受到影响，越来越狭小的音响单元设计空间使得电视自身的音效受到了影响。并且，随着人们生活水平的提高和审美认知的提升，越来越多的用户开始追求更好的家庭观影视听体验，开始购买外置音箱来增强客厅观影音效。

过去的音箱多以有线音箱为主，电视通过HDMIARC、光纤等线路传输音频信号给音箱，但是有线极大影响美观程度，并且随着各类无线音频传输技术的发展，更多的厂商选择研发无线音箱。无线音响系统的出现彻底使音响系统摆脱了音频数据线的束缚，可以根据需要随时调整不同音箱的位置，特别是为了增加效果，还可以随时配备临时音箱，这些都是有线音响系统最头痛的问题^[1]。因此无线音箱必将是未来的产品设计和技术发展方向。

目前主流的无线音频传输技术有蓝牙、5.8G、WiSA 和Wi-Fi。蓝牙音箱是较为常见的无线音箱形态，适用性广，但是有着较为明显的缺陷：蓝牙音频编码绝大部分都是压缩传输的，在长距离传输中具有一定的延迟性，这也是它不适合用于建设多声道家庭影院系统的原因之一^[2]。

5.8G 和WiSA 都是比较成熟的技术，并广泛的应用在无线音箱产品上，但是它们都有一个共同的缺点，就是音箱系统的产品形态是固定的，例如2.0 声道音箱系统无法直接增加重低音音箱将原有系统变为2.1 声道系统，需整体更换，产品灵活性较差。

相较于蓝牙技术，Wi-Fi 的覆盖范围更广、数据传输速率更高、组网难度更小^[3]。而私有Wi-Fi 协议是在共有Wi-Fi 协议的基础上，针对音频信号传输的特性进行底层优化，辅以电视本地的优化方案，从而减少音频传输延时，实现电视与音箱系统，并且Wi-Fi 的带宽大，使用场景灵活，但是由于是最新的技术方向，目前还未广泛被各个厂家应用，但是得益于其优异的技术特性，一定是未来的技术发展趋势。

2   使用场景设计

Wi-Fi 私有协议的技术特点允许厂家设计一个使用方式灵活、可扩展性极强的音频系统，该系统由电视和至少1 只Wi-Fi 音箱组成，电视本身的音响单元可以与外置的Wi-Fi 音箱共同发声，组成多声道组合，例如，电视本身2.0 的音响单元与3 只外置Wi-Fi 音箱组成1个4.1 的多声道组合。当系统内多个设备同时播出音画时，为了使用户主观上没有音画不同步的观感，即系统内音画同步的要求，需参照ITU-R BT1359-1 标准^[4]，要求系统内音画延迟在（-100~20）ms 之间，当系统内音画延迟时间在此范围内时，则用户感受不到系统内音画的延迟，才能给用户带来更好的视听体验。

图1 ITU-R BT1359-1音画同步标准

并且用户可以根据自身需求去自由增加系统内Wi-Fi 音箱的数量和声道设置，Wi-Fi 音箱组合还可以当作蓝牙音箱去使用，使用场景更加自由，这些产品优势都是蓝牙或5.8G、WiSA 等技术无法实现的。

图2 4.1声道音频系统

3   硬件方案

音箱的硬件架构包括SoC 芯片、Wi-Fi 模块（包括Wi-Fi 及蓝牙）、功放模块、喇叭、电源、接口（USB）、按键、时钟模块、复位模块、FLASH。

一般蓝牙音箱或5.8G 无线音箱不需要复杂的控制系统，使用MCU 即可满足功能要求。由于Wi-Fi 音箱的产品功能更多，需要一个系统来进行总体的控制，以及解析接收到的基于私有Wi-Fi 协议打包的音频数据，因此本方案设计使用SoC 来负责较为复杂的控制解析功能。

图3 硬件方案

4   软件方案

基于Wi-Fi 私有协议的音频系统软件设计将基于以下几点，以达到系统中电视与外置音箱音画同步的效果：

1）低延时Wi-Fi 传输：使用Wi-Fi 私有协议传输音频信号，一是使用更小的数据包和更快的发送频率来发送音频数据，数据包封装的速度和传输速度相比于公有Wi-Fi 协议更加快速；二是使用P2P 的方式将音频信号发送给音箱端，电视端与音箱端直连，不经过路由设备的转发；三是优化软件处理层级，音频信号的发送不再经过应用程序层（APPs）和应用程序架构层（API Framework），直接通过运行库（Library）传输给Wi-Fi 芯片，从而降低低音频信号的传输延时。传输延时在33 ms 以下；并且根据Wi-Fi 数据包重传率来动态调整Wi-Fi 传输速率来说保证数据的传输品质，降低丢包率，实现音频传输不卡顿；

2）电视与音箱同步发声优化：由于电视平台处理图像和声音的路径不同，电视对于图像的优化会造成声音与图像之间有着一定的延时，一般来说，电视产品本地音画的延时在（-50~20）ms 之间；再根据图像帧率和音箱传输延时信息，动态调整电视本地声音延时和画面延时，实现进一步降低电视端与音箱端发声的延时，实现同步发声。

同时，在音箱端也可以实时调整延时，来匹配电视端的音画延迟。音箱根据声音延时值对PCM 数据包的输出时间进行延时控制，进而实现所述视频画面与所述PCM 数据包对应的音频数据同步^[4]。

图4 增加电视本地延时优化音画同步

3）音箱高精准同步：使用私有Wi-Fi 协议封装的数据流会将每个数据块打上时间戳，音箱端在播放接受到的数据时，会根据时间戳信息来动态调整播放时间，从而实现不同音箱之间的精准同步播放。

5   结束语

本文提出的方案是以Wi-Fi 私有协议为基础，根据Wi-Fi 私有协议的技术特点设计了该技术在音频传输领域可搭建的音频系统的广泛使用场景，并设计了该系统相应的软硬件方案，从而达到了该基于Wi-Fi 私有协议架构的音频系统内的音频传输延时满足行业内音画同步的标准，奠定了商业化的可行性。

参考文献:

[1] 崔强.影院无线音响系统研究[J].现代电影技术,2018(5):32-35.

[2] 编辑部.为高质量无线影院系统而来浅析WiSA无线传输技术的特点与优势[J].家庭影院技术,2022(8):20-29.

[3] 卜旭,程允丽.智能音箱关键技术及发展趋势研究[J].计算机产品与流通,2019(7):33-37.

[4] ITU-R BT.1359-1-1998,声音和视频广播的相对定时[S].国际组织:国际电信联盟,1998.

[5] 吴敏,韦泽垠.音频传输方法、装置、设备及可读存储介质:中国.201811631310.8[P].2021,10(1).

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年1月期）