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基于嵌入式ARM處理器的多媒體IP網絡語音控制系統

一、 項目概要
　  本項目“基于嵌入式ARM處理器的多媒體IP網絡語音控制系統”利用自主研發的網絡音頻編解碼、數據遠程存儲、無服務器自動運行等技術將音頻信號以標準IP包形式在局域網和廣域網上進行傳送，是一套純數字傳輸的雙向音頻擴聲系統，徹底解決了傳統廣播系統存在音質不佳，維護管理復雜，缺乏互動性等問題。TOG 網絡語音控制系統是基于互聯網和局域網的純數字化網絡音頻廣播系統，區別于傳統的模擬音頻、調頻、尋址和數控廣播的廣播系統。該系統克服了傳統音頻系統容易受到電壓、功率、阻抗等因素影響，具有傳輸距離長，頻率高，不易受到干擾，系統擴展性好等優點。能夠完全取代基于模擬或數字的傳統智能廣播系統，真正實現基于互聯網或局域網的IP 音頻廣播功能，支持廣播、直播、點播等方式，部分產品支持全雙工雙向對講、終端演講等功能，并且支持大范圍的普及應用。真正實現計算機網絡、數字視頻監控、公共廣播的多網合一。
　  二、 前言、實施背景
　  上海童格電子科技有限公司是美國童格（香港）國際有限公司在中國大陸投資成立的高新技術企業，公司坐落于中國大陸的經濟、金融、貿易中心上海，總部位于科研人才云集的國家級軟件產業基地復旦軟件園，公司是復旦軟件園企業聯盟副理事長單位。公司是一家集產品研發、生產、銷售、服務于一體的專業會議、中央控制及音視頻處理制造商。 
　  上海童格電子科技有限公司自成立以來，公司在研發模擬、智能、數字音頻系統上一直處于行業領先水平，平均每年都有新的科研產品推出，為業界的各大廠家們解決產品技術上的難題，更為工程公司在施工上解決了后顧之憂。
　  隨著當今時代的網絡技術的普及，數字化時代已對人類的發展產生了巨大的變化，我們親身經歷了數字技術的蓬勃發展，目睹了它以驚人的速度，滲透到社會與生活的方方面面。據《商務信息網》報道，數字化技術已全面的進入到廣播影視領域，正對我們的行業帶來實質性的變革，清楚地把握數字音頻技術的發展動向，對正確推進廣播影視領域的數字化進程將有極其重要的意義。
　  網絡廣播 （Broadcast on Network） 
　  網絡廣播是指一個節點同時向相同域中的其它所有節點傳輸數據包的WBR過程。組播是一種特殊的廣播，WBR其中一組請求收聽的選定用戶將收到廣播。廣播傳輸通常在局域網（WBR如以太網）中進行，但有時也發生在虛擬局域網（VLAN）中。WBRIPv6 支持單播（Unicast）、組播（Multicast）WBR以及任意播（Anycast）三種類型，IPv6 中沒有關于廣播（Broadcast）的具體劃分，WBR而是作為組播的一個典型。 
　  網絡廣播中涉及以下主要技術原理： 
　  廣播域（Broadcast Domain）：這是一個限定區域，WBR其中的所有設備都可以共享信息。換句話說，與網絡相連，WBR且負責接收廣播的所有設備都是同一廣播域的一部分。WBR在一個共享以太網中，WBR工作站通過共享媒體將幀廣播到其它所有節點。其它節點收聽廣播，WBR只接收尋址到它們的幀。因此，WBR共享以太網中的所有節點都屬于同一廣播域。WBR此外通過虛擬局域網技術可以創建一個虛擬廣播域。 
　  廣播地址（Broadcast Address）：這是一個特殊地址，WBR當數據包可以尋址到該地址時，可以幫助所有設備打開和處理信息。WBR例如，MAC 地址，格式為 1xFFFFFFFF 是一種廣播地址；IP 地址255.255.255.255是通用廣播地址。WBR任何設備都將打開尋址到廣播地址的信息，WBR并將它們傳送到下一個工作站。 
　  廣播風暴（Broadcast Storm）：WBR當主機系統響應一個在網上不斷循環的廣播數據包或者試圖響應一個WBR沒有應答的系統時就會發生廣播風暴。隨著網絡數據包數量的增加，WBR廣播風暴可能會引起網絡擁塞問題。為防止廣播風暴的發生，WBR需要細心配置網絡以阻止非法廣播信息的進入。 
　  生成廣播信息的應用程序包括地址解析協議（ARP）。WBR通過該協議，WBR主機發送一個地址解析查詢到局域網中的所有計算機上，以實現網絡 IP 地址的分配。有些路由選擇協議，如RIP，WBR主要用于支持網絡設備“Advertise”網絡服務。WBR此外還存在很多相關技術，如組播技術（一種特殊廣播形式），WBR這部分內容細節請查看組播技術部分。
　  根據市場前景跟產業狀況，童格電子公司高層做出戰略性決定，在基于嵌入式ARM處理器的基礎上研發多媒體IP網絡語音控制系統，采用先進的音頻采編技術，占用帶寬極小，用于全雙工對講及實時語音的只128KBS。完成網絡音頻適配器管理、權限管理、課件管理、定時打鈴、文件播放、資源庫管理等功能，為分控端、中繼服務器提供數據接口服務，為各語音網絡音頻適配器提供定時播放和實時點播媒體服務，響應各播控手機的播放請求。全數字化傳輸，以局域網或具有獨立IP的互聯網為主要傳輸媒介，支持專用百兆網傳輸，傳輸距離不受限制，可提供多達幾十套甚至上百套節目源，并實現了多網合一。局域網內裝有本系統的任意工作站電腦可根據權限大小對系統進行廣播，向本系統添加或刪除節目。 我們公司用最快的速度研制出IP網絡語音控制產品，產品的人性化的圖形菜單界面、人性化的操作，輕松簡便，專一實用，提高了使用的效率。目前處于市場領先地位。
　  
　  三、 成果內涵
　  1、產品開發的技術路線
　  ⑴關鍵技術一： 遠程網絡控制
　  這套產品其中一個系列的遠程終端，我們植入了遠程網絡控制應用技術。比如大型展覽館內大量投影儀和PC服務器的應用，現在只是人工開關，工作人員每天都要到每臺投影儀的位置至少2 次，幾十臺就要上百次，還不包括誤操作帶來的麻煩。在引入了遠程網絡技術后，我們可以通過新研發的終端掛在網絡上，使傳統的投影儀和PC與終端相連。上百臺的投影儀和PC只需要用軟件就可以進行遠程的開啟、視頻切換、PC遠程喚醒，大大提高了工作效率。
　  ⑵關鍵技術二：基于ARM處理器的音頻編解碼技術
　  當前流行的語音編碼技術做深入了解的基礎上，選擇了基于ARM處理器的嵌入式系統作為實現編碼算法的硬件平臺，并給出整體軟件設計方案，對編碼技術的性能特點做了認真分析，在做出權衡之后選定LPC-10編碼器，根據嵌入式系統自身固有的特點，以適應硬件平臺的實現環境為目的，對編碼算法提出局部的優化方案，實現應用目標，再通過仿真實驗給出結果，并對測試數據進行分析評價。
　  ⑶關鍵技術三：物聯網概念的植入及應用
　  該系統中有一個系列的終端真正做到了把物與網相聯，植入了物聯的概念。比如：終端預留的接口有IR、IO、232串口、電源等接口。在遠距離的教室，我們可以放一個終端，通過紅外控制空調、DVD，用電源控制燈光、幕布、窗簾，用232控制投影儀、升降機、電控鎖。真正實現工程化的物聯網，便于使用方的日常檢修、維護工作。也優化了傳統的小型子系統。
　  2，產品的創新性
　  （1）技術創新
　  網絡音頻編解碼技術
　  網絡語音編碼包括波形編碼、參數編碼和混合編碼。語音信號的波形編碼力圖使重建的語音波形保持原有語音信號的波形狀態，音質不錯，但是所需要的編碼速率一般是比較高，如PCM\ADPCM。參數編碼對信號的提取和編碼速率比較低，合成的音質比較差。混合編碼是采用了合成-分析的方法，在中低編碼速率的情況下可以獲得高質量的語音編碼。我們公司研發的產品就是采用了軟硬件結合的方法，該語音編解碼的實現利用了軟件無線電的思想，將不同的編碼器用DSP軟硬件來實現，根據碼格式進行組幀、調制、然后送入信道傳輸。
　  （2）應用創新
　  物聯網概念的植入
　  該套系統初期的研發把物聯網的概念植入其中，通過遠程終端實現對電器的一些控制。使工業的產品有了更廣一些的市場前景。我們是通過DSP芯片處理加上外部接口模塊的有機結合，把外圍著產品的一些控制數據通過終端實時發送，以期給使用方帶來更快捷更方便的服務。以下是外部接口原理圖。
　  3，產品的性能
　  （1）功能方面
　  純數字廣播系統，涵蓋了傳統廣播系統的所有功能。并充分利用了廣域網資源，可隨時隨地獲取網絡上的音頻資源。由于每個終端有獨立的IP地址，因而可以控制任意一個終端播放不同的節目。
　  （2）音質方面，
　  由于采用了網絡傳輸技術，使音頻信號無傳輸干擾及失真。采用了MP3壓縮算法占用網絡帶寬低(8k-128k)又能保證音質保真度，經測試采用44.1khz 16bit采樣128kbps速率壓縮 通頻帶(線路輸出) 20-16khz ，失真度 ≤ 3% 。
　  （3）安裝方面
　  施工簡單便捷，只要各廠房具備以下2個條件：1）有ADSL撥號上網; （2)有交流220V插座和標準以太網絡接入RJ45插座。
　  
　  四、 成果效益
　  隨著本解決方案的推出，產品面世的時間大幅縮短。伴隨網絡的快速普及，采用基于嵌入式ARM處理器的多媒體IP網絡語音控制系統將對整廣播個行業有著極大的推動作用。這是一套純數字傳輸的雙向音頻擴聲系統，徹底解決了傳統廣播系統存在的音質不佳，維護管理復雜，缺乏互動性等問題。該系統設備使用簡單，安裝擴展方便，只需將音頻終端接入計算機網絡即可構成功能強大的數字化廣播系統，每個接入點無需單獨布線，真正實現計算機網絡、數字視頻監控、公共廣播的多網合一。同時本解決方案提供更低的功效，節省人力、物力，安裝方便快捷，可更大程度上解決工程維護。
　  自2006年起，公共廣播行業進入快速增長期，即便到了金融危機時期，仍然保持了15%以上的增長勢頭。由于中國處于高速發展階段，公共廣播工程量每年達300億以上，并且平均每年以30％上升。
　  今年是“十二五”規劃實施第一年，新的產業發展政策和扶植措施都陸續出臺，各地在未來五年的規劃中，都不同程度的提到了建設數字化城市、智能化城市的愿景，尤其是智能化建筑、智能化工程是十二五的重點。公共廣播行業有義務配合全國的智能化建設發展，貢獻一份力量。在國家始終強調建設“和諧”“文明”城市的大背景下，突發應急公共廣播的發展商機無限，對公共廣播產業來說是一個巨大的發展契機。
　  
　  五、持續改進
　  該產品于2011年6月獲得計算機軟件著作權登記書，2012年7月通過四川省電子產品監督檢驗所對該產品的性能檢測。并經過中國科學院上海科技查新咨詢中心對該產品進行查新調查，認為該項目具有新穎性和良好的市場應用價值，達到國內領先、國際先進水平。
　  核心技術已申請發明專利1項，實用新型專利1項，計算機軟件著作權登記1件，還獲得了CE、FCC、CCC等證書形成自主知識產權。
　  該成果會根據社會需求進行升級改造，對核心技術會繼續申請國家發明專利、實用新型和外觀設計專利等。