CobraNet技术及其芯片应用设计指南

　　目前，随着宽带网络技术的发展，音频系统的集成出现了朝着数字化和网络化方向发展的趋势。CobraNet是一种基于以太网的综合硬件、软件和通信协议为一体的网络音频实时传输技术，它通过标准以太网硬件和媒介为未经压缩的数字音频提供可靠传输。

　　CobraNet允许设计者创建大型结构来实现数以千路计的数字音频信号在以太网上传输。例如，通过CobraNet网络音频拓扑，可以把大楼中每层的会议室音频进行集中处理，再通过以太网与各楼层主机相连，实现整个大楼会议室多功能室甚至广播系统的集中处理。因此，了解CobraNet技术及其芯片的应用，对于对讲系统集成商有着重要的意义。

　　CobraNet的基本概念

　　CobraNet网络协议利用成熟的以太网技术来传输和分配实时、非压缩的数字音频信号。目前，已经成为被广泛采用的音频网络技术标准，超过40多家世界知名的音频产品制造商基于CobraNet技术生产的CobraNet产品包括：标准的输入输出设备、功率放大器、有源扬声器系统以及各类网络化的信号处理设备。

　　凡是能接入CobraNet网络，通过这种网络接收和发送音频信号的设备，均被称为即CobraNet设备。所有CobraNet设备均由遵循CobraNet协议的设备制造商制造，它们之间可以互相传递信息，具有很好的互操作性。因此，系统设计人员可以自由地选择各个厂家生产的CobraNet设备，组成一个完整的系统，这对于根据不同需求和预算搭建不同的系统具有很好的优势。

　　每个CobraNet设备至少具有一个以太网接口，通过这个接口就可以与网络相连接。在一个以太网上，数据传输的速度可以达到每秒100Mbps。在这样的带宽条件下，CobraNet网络可以支持64路音频信号。由于大部分CobraNet设备具有全双工发送和接收网络数据的能力，所以每个CobraNet设备能享受双向100Mbps的带宽(即接收100Mbps、发送100Mbps)。这也就是说，在一根5类双绞线或1对光缆上可以传输128路音频信号。由于很多以太网交换机具有千兆上行接口或扩展接口，在这些速度更高的端口上传输的音频信号可以达到1280路。

　　有些CobraNet设备具有2个以太网接口。尽管这些接口不能同时工作来增加有效带宽，但却是提高系统冗余度和容错性的好方法。如果主用的以太网接口出现问题，比如网线断裂，或者是交换机上的相应端口出了故障，备用的以太网口就能自动启用，保证网络传输不会中断。

 　　CobraNet设备上的模拟接口可以是话筒电平或者线路电平的接口。作为输出甚至可以有扬声器的接口，在具有CobraNet接口的功放上，这是非常常见的。有些CobraNet设备也提供数字音频接口(AES/EBU)，甚至有些产品可以提供从CobraNet网络到其它音频网络的转换接口。CobraNet协议的一个独到的优势在于协议本身并不限制输入输出信号的类型，比如说，你可以用模拟线路电平向CobraNet网络输入一个信号，然后，再从连在网络上的另一个CobraNet设备中以数字方式将该信号取出。这一优点使CobraNet设备可用于旧场馆的改造，使得模拟与数字设备的无缝连接变得非常容易。目前CobraNet协议支持的标准采样频率是48KHz，量化可选比特16、20和24比特。96KHz的高采样频率正在进行测试，有望在新版的CobraNet协议中提供。

　　CobraNet协议同样支持各种控制信号的传输，比如常见的RS232、RS422和RS485信号。这使得不同制造商所采用的不同控制协议可以同时在网络上传输，彼此互不干扰。在以太网带宽中除了传输音频信号，余下的带宽都可以用来传输控制信号。

　　目前，以太网是最为稳定可靠和广泛使用的协议，因此，美国Cirrus Logic下属的Peak Audio尖峰音频公司在开发CobraNet协议的时候就选择了以太网。现在基于以太网的新技术不断涌现，以太网本身的功能也在不断增强和完善，依靠着以太网技术的不断前进，音频行业也可以不断与时俱进。因为整个CobraNet协议是建立在标准以太网硬件和底层协议基础上的，设计工程师不需要特别的或有技术专利的产品来构建网络基础。

　　CobraNet网络可以围绕以太网交换机或者以太网集线器来构建。交换机和集线器都是多个端口的网络交换设备，可以用来连接电脑、网络打印机以及CobraNet设备。如果网络中的交换设备全部由交换机组成，则这样的网络被称为交换机网络，而全部由集线器组成的网络相应就被称为集线器网络。

　　尽管CobraNet网络可以支持集线器，但交换机可以提供更强大的路由交换能力和更多的附加功能，比如支持闭合环路的拓扑结构、智能化路由分配、网络流量监控、与普通办公电脑共享网络硬件设施，或者把网络上连接的设备人为分区形成所谓的虚拟局域网VLAN。所有这些功能都只有在使用交换机时才能享受。正因为集线器和交换机具有如此显著的功能差别，所以，在构建CobraNet网络时要注意。

　　CobraNet网络拓扑结构

　　在CobraNet网络中，最为常见的网络拓扑结构是星型连接。在这样的网络结构中，所有的网络节点都连接到中央的交换机上。如图1所示，标有CobraNet字样的方框代表CobraNet设备。CobraNet设备与交换机之间用5类双绞线连接，最远传输距离为100米。在这样的网络结构下，如果把CobraNet设备换成交换机，再向外连接CobraNet设备，就能够形成更大的星型结构，也可以叫做星云结构，如图2所示。

图1  星型拓扑结构




图2  星云拓扑结构

 

 　　在星云结构中，交换机之间的5类双绞线长度也必须控制在100米以内。如果超出这个范围，则应该选用光缆传输。用于快速以太网的多模光缆最远可以传输2公里。如果使用单模光缆，传输距离可以进一步增加，这时影响传输距离的主要是光发射接收装置的功率和灵敏度，这一数值根据各个厂商的技术标准有很大出入。通过不断向外层连接以太网交换机，可以建成更大的星云结构网络。如果设计合理的话，CobraNet网络的大小是没有局限的。

　　CobraNet协议把音频信号打成数据包，以便在以太网上传输，这种数据包被称为Bundle。一个Bundle的数据量可以包含8路20比特的音频信号。采用这种最大尺寸的Bundle数据包是最值得推荐的做法，因为这样可以最有效地利用网络带宽。在数据包中也可以装入16比特或24比特的音频信号，但这种做法非常少见。采用16比特的信号，一个数据包能容纳8个音频通道；采用24比特的信号，一个数据包只能容纳7个音频通道。

　　在CobraNet网络中，音频信号的路由分配是通过数据包号Bundle编号来实现的。具体来说，有所谓多点传输和单点传输的区别。多点传输可以支持1点到多点的信号分配，这样的数据包将占用整个网络的带宽。这意味着如果用多点传输数据包向网络上某个设备定向传送信号，网络上其它本不用接受这一信号的设备也都能看到这个数据包。因此，多点传输数据包应该只在需要时使用，以免浪费网络带宽。多点传输数据包的包号在1-255之间。
 

图3  多点传输数据包——占用整个网络的带宽资源

　　在图3中，CobraNet设备A将连接在其上的话筒信号打包到8号数据包，并向外发送(Tx)，网络中只有设备H被设定为接受(Rx)8号数据包的信息。由于8号数据包属于多点传输数据包，所以，这个数据包被发往网络上所有的CobraNet设备。设备H由于被设定接受该数据包，所以，连接在其上的喇叭就能够重播话筒的信号，而其它设备则忽略了这一信号。

 　　无论网络上是否有接受设备，多点传输数据包都将发往所有的网络设备。如果CobraNet设备H改为接受其它数据包，或者完全关断(数据包号为0)，图3中红色箭头所代表的数据流动将依然存在，这样宝贵的带宽资源就被浪费了。

　　单点传输数据包，顾名思义，支持点对点的数据传输。单点数据包实际上利用了以太网交换机的一个基本功能，即读取数据包的目的地址，并把该数据包定向发送到该地址。这可以有效防止带宽的浪费，从而增加网络上所能使用的音频通道数。因此，在使用交换机网络构建CobraNet网络时没有确定的数据包极限，网络所能容纳的音频通道数很大程度取决于网络的拓扑结构。单点传输数据包的包号在256-65279之间。

图4  单点传输数据包——能有效利用网络带宽资源

　　在图4中，CobraNet设备A改用310号数据包传送话筒信号，而设备H也改为接受310号数据包。由于310号数据包属于单点传输数据包，所以，该数据包被定向发往设备H。红色箭头显示只有在直接连接2设备的网络端口，带宽才被消耗，这样网络资源就得到更合理的利用。

 　　与多点传输数据包不同，单点传输数据包只有在接受端提出要求时才被发送。这样就可以由接收端来控制信号的路由切换，接收端可以在几个发送设备间选择，只有被选中的发送端才真正发送数据包。

　　建立了关于星型网络、网线长度、单点传输和多点传输的基本概念，就可以着手进行简单的CobraNet网络设计了。

　　博世公司认为，通过光纤网络，可以实现多种形式的音频耦合，包括将多个具有几种语言的小型系统耦合在一起，形成多达31种语言的大型系统。另外，它还可以提取和插入数字(AES/EBU 或SPDIF)和模拟音频。

　　在先进的音频耦合技术当中，就包括CobraNet。如图5所示为新一代基于CobraNet的数字会议网络(DCN)的架构。博世新一代DCN产品系列可根据具体需求由外部设备加以补充，如PC、监视器、功率放大器、扬声器和打印机等设备都可以轻松方便地集成到新一代的DCN系统之中。

 

图5  博世新一代基于CobraNet的数字会议网络（DCN）

 　　CobraNet芯片应用设计指南

　　上述关于CobraNet的基本概念有助于系统集成商开发新的应用，下面让我们看看如何利用具有CobraNet功能的芯片实现CobraNet网络。

　　在Cirrus Logic公司的“CobraNet Developer Tips for CS1810xx/ CS4961xx Devices”一文中，概要介绍了基于CS1810xx和CS4961xx芯片开发的CobraNet设备的有用信息。它可以作为硬件和软件工程师的初级设计指南。而产品开发所需要的信息则包含在Cirrus Logic公司和CobraMC网站提供的各种应用指南、数据表以及手册之中。CobraMC网站需要帐号和密码登录，它对CobraNet OEM厂家提供支持，用户登录之前要跟Cirrus Logic公司签订标准的保密协议(NDA)。

　　在开发CobraNet设备之前，设计工程师必须研究和学习下列参考文献：

　　1、CobraNet程序员参考手册

　　它包含对CobraNet进行控制和设置所需要的信息，手册的大部分篇幅描述了用来控制和监测CobraNet接口所用到的每一个配置变量。

　　2、CobraNet硬件用户指南

　　它详细介绍了CS181xx/CS4961xx芯片，其中，包括可用作参考设计的CM-2 CobraNet模块的电路图。

　　3、CobraNet Discovery用户手册

　　该手册与CobraNet Discovery软件一起包装。CobraNet Discovery是一种用于监测和控制CobraNet设备的应用程序，并负责升级CobraNet设备的固件。

　　4、应用指南

　　·CobraNet Audio Routing Primer (CobraNet音频布线初级读本)：提供关于设置Bundle数和信道调节的基本信息。

　　·Bundle  Assignments  in CobraNet Systems(CobraNet系统中Bundle分配)：提供设置CobraNet安装中音频Bundle的各种考虑以及指南，并介绍不同设置的分支及其对网络性能和用途的影响。

 　　·Integrating CobraNet into Audio Products(把CobraNet集成到音频产品之中)：这是针对CobraNet产品的基本硬件设计指南。尽管大部分内容是关于如何把CobraNet模块集成进音频设备之中，但是，其中包含了大量关于芯片特性的可用信息。

　　·AN312,CobraNet Clocking Modes (AN312, CobraNet时钟模式)：如制造商要采用缺省时钟之外的其他时钟，就要阅读该指南。正确地使用和支持CobraNet音频时钟对于每一个设备以及音频网络的正确工作是至关重要的。

　　·AN279, Controlling and Monitoring DSP Conductor Configurations (AN279，控制和监测DSP Conductor的配置)：该应用指南描述了如何访问R/W变量，以便于控制由DSPConductor创建的DSP参数。

　　·AN334, CS1810xx/ CS4961xxBing-up Instructions(AN334, CS1810xx /CS4961xx Bing-up说明书)：该应用指南描述了如何利用最新制造出来的CobraNet器件进行设计，并利用预先编程的闪存或I2C调试工具来运行。

　　5、CobraNet DISCOVERY 工具

　　CobraNet DISCOVERY软件可以从网上下载和安装，它提供的功能包括：

　　·发现和显示所有链接在网络上的CobraNet设备。

　　·给用户提供可配置的窗口来监设备的健康状态。

　　·提供一种固件升级功能。·把IP地址分配给CobraNet设备。缺省状态下CobraNet设备的IP地址是动态变化的。当加电时，CobraNet接口并不具备IP地址。当需要时，CobraNet DISCOVERY被用于自动或显性地分配IP地址。

　　·为不断变化的常用配置变量提供一个GUI接口。

　　·通过SNMP为正在变化或监测任何CobraNet的变量提供一个先进的接口。

　　·为文件配置和故障诊断提供有用的报告生成功能。

　　此外，要阅读随程序安装的Cobra Net Discovery手册以了解更多信息。

 　　6、固件(FIRMWARE)升级

　　因为固件需要匹配实际的硬件，在升级CobraNet闪存时，至关重要的是选择正确的固件。

　　7、CobraNet LE参考设计板

　　CobraNet LE参考设计在PCB上安装了CobraNet LE芯片组，以便于评估LE芯片组和开发CobraNet设备。此外，它也可以作为一个开发平台来进行原型开发，并作为一个例子，说明如何把CobraNet LE芯片组嵌入至一个设计之中。

　　该参考设计详细描述了如何采用参考设计板来验证CobraNet LE技术的性能。图6所示为CobraNet LE参考设计板的方框图。

图6  CobraNet LE参考设计板的方框图

　　小结

　　CobraNet技术是为大型场馆如体育馆以及大型会议系统而设计的网络音频信号实时传输技术。但是，随着CobraNet芯片价格的逐步走低以及数字化进程的加快，CobraNet技术有望随同IP摄像机一道在基于IP的安防监控网络上获得更多的应用。

　　目前，提供基于CobraNet技术的产品的公司只有Attero Tech，LLC.、Dolby、Biamp Systems等公司，CobraNet可谓是有待发掘的“蓝海”。（文/周智勇）

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