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無線音頻簡介

伴隨著數字音樂的興起，很多玩家將手機作為一個移動的曲庫。如果想在更大個頭的音箱上享受音樂，用戶不得不將音箱從一個房間搬到另外一個房間，或者通過連接線將手機與音箱設備連接，這給用戶帶來很多諸多不便。無線的音頻傳輸方式的誕生大大緩解了這個問題。

無線音箱正在慢慢流行起來，通過無線連接用戶可以將音頻從一個設備傳輸到家中另外一個音箱播放。

最早采用簡單的技術，例如短波FM收發器，大規模應用在汽車的立體聲音響中，用戶可以擺脫音頻線的束縛，可以將移動式音頻設備的聲音播放到汽車音響上。但是，FM發射器功率不足加上接收裝置的質量與敏感度的限制，導致很多問題。并且還有FM波段監管的風險。本身比起其他技術而言，FM的音頻質量也很差。

近兩年，隨著藍牙A2DP標準的建立和成熟，藍牙音箱在市場上變的流行起來。比起短波FM藍牙音頻存在很多優點，例如支持更好的音質。而且支持藍牙的手機處處可見，藍牙產品的價格也很親民，在沒有Wi-Fi的環境下還可以工作。雖然還有很多其他解決方法，但是這些方法要不系統不開放，要不然就是造價太高。

Wi-Fi 音頻

這幾年，越來越多的音頻設備制造商開始采用Wi-Fi作為下一代技術解決在室內環境下高性能音頻傳輸的方式。

Wi-Fi技術有幾點特征是值得一提的，并且可以幫助制造者實現很多令人耳目一新的功能。將Wi-Fi技術使用在音頻傳輸有如下優點：

• 它是個標準技術，被廣泛的使用
• 它比其他技術提供更高的網絡帶寬能力，從而使得高品質音頻可以被傳輸
• Wi-Fi比其他技術具備更廣闊的覆蓋范圍
• 支持IP協議（直接訪問互聯網的在線音頻服務）
• Wi-Fi音箱支持自主在線播放（不需要手機）
• Wi-Fi傳輸音頻早被兩大互聯網公司采用：蘋果的AirPlay和Google的AudioCast

挑戰

設計和制造好使的Wi-Fi音頻產品涉及到七個方面的重要挑戰。

• 連接穩定性
• 音響同步
• Wi-Fi和藍牙并存
• 多點設備部署
• 配置與發現
• 功耗
• 方案整合

連接穩定性

無線鏈路的穩定不僅影響到用戶體驗，更會影響到軟硬件設計，甚至造價。無線鏈路的關鍵影響因素有如下幾個：
（1）好的射頻性能
影響射頻性能的因素有

• 設備敏感度 也叫靈敏度，在無線應用中范圍是很關鍵的因素。更大的范圍，意味著要具備更好的接收靈敏度，這是很多無線設備制造商期望的主要目標。誰都希望同樣價格買到覆蓋的范圍大的無線產品。接收靈敏度是指接收端可以成功檢測信號和解調信號所能達到最低的功率級別。隨著距離的增加，從發射端傳播出來的信號功率越來越弱，接收端檢測到信號的難度越來越高。提高接收靈敏度，讓接收端可以在較弱的的信號條件下檢測到無線信號可以顯著提高工作范圍。靈敏度是影響無線信號范圍至關重要的因素。
• 發射功率 無線局域網中射頻傳輸功率是另外一個重要的性能指標。它直接影響系統能夠覆蓋的有效通信范圍。
• 天線的多樣性 信號傳輸過程中會遇到墻面或者不同物質表面的反射與折射。接收端接收到的信號會在相位與振幅上有很大差異。采用多個天線可以分別采集不同路徑情況下的信號，從而避免或者減少信號衰減或干擾。多樣性是指從不同路徑接收到的信號中挑選出來最好的信號的策略算法，以保證數據包最大的可能被正確的接收到。

（2）帶寬
很多在線音頻流服務（采用立體聲）不需要太高的帶寬（一般最多320 kbps）,還有一些高質量內容服務商可提供高達1411kbps的流音頻媒體。即使這樣，這個指標遠遠低于現今無線設備的最大帶寬能力。許多高端音頻播放，比如杜比Dolby 5.1，7.1或者多房間的環境，好的效果需要高的帶寬保障。當一個音響系統在實際環境下使用時，往往也會遇到多個設備同時傳輸音頻過程中斷斷續續的現象，如果處理不好這個極大影響用戶的體驗。此外，如果有個別音箱處于無線信號范圍的邊緣－數據連接鏈上的數據傳輸率會非常低，最終導致整個網絡性能的大幅度下降。此時采用一些智能的數據傳輸管理算法可以處理這種復雜環境下的無線網絡數據傳輸性能下降的問題。

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（3）網絡延時與不穩定
網絡延時是指數據從特定網絡從一個起始點到另一個終點傳輸所消耗的時間。網絡不穩定是指網絡延時急劇的變化，忽長忽短的不確定，表現出來就是從接收端看到數據接收的速度忽快忽慢。音頻數據通常由編碼后的音頻數據包組成，而且這些數據包是按照時間順序前后均勻排列而成的。當接收端收到數據包后將這些包順次解碼還原成音頻原始數據并保存在播放緩存中。播放設備周期性的以同樣時間間隔周期將緩存中的音頻數據放到音頻解碼器中轉換為可以聽的聲音。正因為如此，播放設備需要在每個時間間隔前確保緩沖中有足夠的音頻數據準備好，否則就會有“空”數據被播放，要不然就是重復播放上一次的數據內容，這樣會導致用戶聽到的聲音斷斷續續或者噪音。
有幾個情況，比如網絡擁堵，亂序以及錯誤的配置都可能導致網絡延時變化。這種變化會導致接收端出現音頻數據接收異常。如果網絡不穩定很嚴重，對導致嚴重的聲音斷續。
網絡延時與不穩定影響到音頻緩沖區大小的設置。延時與不穩定加大的情況下，需要更多的緩沖。大的緩沖會導致有限的空間內其他應用程序或者軟件的內存使用空間被縮小，或者整體加大內存容量會導致成本提高。大的緩沖也會導致音頻在被播放前，為了填充緩沖區播放開始時間被延長，用戶就會感覺到播放不能即刻開始。
低的網絡延時也是音視頻同步的關鍵。音頻數據必須在視頻數據播放的同時及時的播放，在用戶可感知的范圍內確保音視頻盡量同步。不同的應用場景下，有很多不同的同步標準，無論哪種標準公認的延遲要小于20-30毫秒。比如，杜比Dolby規范下音頻延遲不得超過20毫秒。

（4）丟包
任何無線傳輸技術都有在高網絡擁塞環境下丟包的范圍限制。丟包通常會發生在很多設備同時在傳輸數據的情況下，也會被同頻段其它工作中的設備干擾，或者信號特別差的時候。特定環境下的丟包率往往會影響到音頻傳輸采用的協議以及造價考量。
如果在網絡擁塞的情況下丟包出現而不做任何處理，那么設備工作時會給人很差的體驗，音頻發射端應該重發可能丟失的數據作為補償，但這樣又會白白消耗帶寬。比如在很差的網絡環境下，為了防止丟失，一個簡單的處理方法是每個音頻包發兩次。通常丟包發生時，都是重發已經丟失的包。但是在實時性要求高的場景下，例如音頻傳輸，傳輸對包的傳輸正確性和順序要求很高，否則會影響到解碼和播放的時間。這要求能夠實時的針對已經出現的丟包迅速糾正。

（5）協同能力
協同工作能力是另外一個家庭無線網絡中非常重要的因素，它直接影響到整個Wi-Fi環境的穩定性。
協同能力是無線設備必要的功能，在同一個網絡中來自不同硬件廠商與不同的軟件實現的無線設備是否可以提供大家都可以和諧工作，以及帶來最高性能的關鍵。由于Wi-Fi設備在家庭網絡中被越來越多的使用，各種無線路由器，筆記本電腦，臺式電腦，智能手機，平板電腦，機頂盒，游戲機等等。這些設備里面有不同的Wi-Fi芯片以及運行在芯片上的系統軟件。這些設備必須保持在一定程度的協同工作能力。盡管大部分設備是通過Wi-Fi認證的，也就是說有一定的基本協同能力，確保一定的功能與性能，但不代表在特定應用條件下還能夠保持高水準的協同能力，例如在無線音頻傳輸的場景下。
RTS/CTS(發送請求/確認發送)這個技術是協同能力的一個功能，它關系到網絡性能，最終影響用戶體驗。RTS/CTS在802.11設備中并不是必須要被支持的功能，它通過在發送數據包之前先發送數據包交換控制命令包，在得到網絡響應后再發送數據包，從而能夠減少無線介質中數據包的沖突。看似不錯的技術，但是只要整個網絡中有一個設備不支持，其它設備支持也白搭。
AMPDU幀聚合技術（將若干小數據包串接為大包）也是802.11標準一個解決協同能力的技術。本來發送端可以將10個小包組合為一個大包一次性發送，但是只要有一個接收端接收緩存不足夠容下10個小包，這樣這個聚合技術就無法使用，而且還會導致RTS/CTS引入，從而不斷的糾正整個網絡中的大包協議尺寸，大大會降低整個網絡的性能。

音響同步

相比其他無線技術，通過Wi-Fi傳輸音頻的另一個好處是支持多個音響設備或者音響單元。而要實現音頻同步是比較困難的。
模擬音頻時代，音頻接收設備之際通過有線連接，通過電聲信號可以瞬間再現或還原聲音，因為通過有線傳輸的電信號近似光速。由于所有連接在音頻接收器的模擬喇叭都是有線連接，聲音是并行傳輸的，所有喇叭發出的聲音是幾乎完美同步的。到了無線時代，需要其它方式實現同步。通常，包含音頻的數據流都是往每個喇叭通過單播的方式發送，而不是廣播。不同音響的處理單元在確保音頻數據在播放緩存中足夠多的同時還要精確的控制播放進度，確保近乎同步。不同步會讓聽眾覺得音源出問題了。即使是微不足道的延遲，會讓用戶錯以為在播放不同源的音頻內容。為了能讓多個音響在同一時刻播放相同的音頻數據，無線時鐘的同步機制是非常重要的。
最經典的方式是采用網絡時鐘協議（NTP），它不停的通過無線網絡發送時間信息。這種方式能夠實現精度在毫秒級別的音頻時鐘校準與同步。還有些罕見的方案比較少被采用，例如802.11v。

Wi-Fi和藍牙并存

有些系統會采用雙無線方案，即Wi-Fi與藍牙并存，為了實現和滿足一些功能特性。藍牙傳輸音頻的標準協議是A2DP，它可以實現從手機傳輸音頻，或者將音頻數據傳輸到耳機等設備。其它還有將藍牙用于設備發現，音量控制等功能。
無論是Wi-Fi還是藍牙，都工作在2.4GHz ISM頻段，兩個非常接近的無線波段，很可能產生相互干擾。無論是單天線方案，還是雙天線方案；無論是兩顆單獨IC，還是復合型設備，都會很難讓兩個無線信號工作的很好。好的無線連接方案一定會有共存機制，特別是音頻應用的情況。

配置與發現

第一次買來Wi-Fi音響，或者要添加新的音響設備時，每個設備必須要接入家中的無線路由器。由于音響往往缺少高級的交互方式，例如鍵盤或者顯示屏幕，所以需要其它的配置手段來幫助音響連接到無線路由器。
有的產品用Wi-Fi保護配置（WPS),WPS是看起來比較簡單而且安全的配置方式。很不幸運的是，WPS已經被證明是不安全的配置方式，而且沒有被業界廣泛采用。您會發現很多路由器壓根找不到WPS按鍵。
還有一種方式就是音響自己產生一個熱點，專業點的叫法叫soft-AP，它會自己產生一個有SSID名稱的Wi-Fi熱點。用戶必須連接他的手機、平板或者電腦到這個熱點，然后打開一個網頁，輸入要連接無線路由器的信息然后重啟。
還有些方法就很特別，是業界大佬公司自行研究開發的。比如蘋果公司的WAC（Wifi Accessory Configuration),需要在系統里添加蘋果公司的特殊芯片。
一旦音響設備接入家庭網絡，還有個步驟需要自動發現其它設備。最常使用的方式叫mDNS（多播DNS）。這樣大家互相知道對方的存在。

(未完待續...)