Wi-Fi音频：能力与挑战 (Part 1&2)

因为科技 Damon

无线音频简介

伴随着数字音乐的兴起，很多玩家将手机作为一个移动的曲库。如果想在更大个头的音箱上享受音乐，用户不得不将音箱从一个房间搬到另外一个房间，或者通过连接线将手机与音箱设备连接，这给用户带来很多诸多不便。无线的音频传输方式的诞生大大缓解了这个问题。

无线音箱正在慢慢流行起来，通过无线连接用户可以将音频从一个设备传输到家中另外一个音箱播放。

最早采用简单的技术，例如短波FM收发器，大规模应用在汽车的立体声音响中，用户可以摆脱音频线的束缚，可以将移动式音频设备的声音播放到汽车音响上。但是，FM发射器功率不足加上接收装置的质量与敏感度的限制，导致很多问题。并且还有FM波段监管的风险。本身比起其他技术而言，FM的音频质量也很差。

近两年，随着蓝牙A2DP标准的建立和成熟，蓝牙音箱在市场上变的流行起来。比起短波FM蓝牙音频存在很多优点，例如支持更好的音质。而且支持蓝牙的手机处处可见，蓝牙产品的价格也很亲民，在没有Wi-Fi的环境下还可以工作。虽然还有很多其他解决方法，但是这些方法要不系统不开放，要不然就是造价太高。

Wi-Fi 音频

这几年，越来越多的音频设备制造商开始采用Wi-Fi作为下一代技术解决在室内环境下高性能音频传输的方式。

Wi-Fi技术有几点特征是值得一提的，并且可以帮助制造者实现很多令人耳目一新的功能。将Wi-Fi技术使用在音频传输有如下优点：

• 它是个标准技术，被广泛的使用
• 它比其他技术提供更高的网络带宽能力，从而使得高品质音频可以被传输
• Wi-Fi比其他技术具备更广阔的覆盖范围
• 支持IP协议（直接访问互联网的在线音频服务）
• Wi-Fi音箱支持自主在线播放（不需要手机）
• Wi-Fi传输音频早被两大互联网公司采用：苹果的AirPlay和Google的AudioCast

挑战

设计和制造好使的Wi-Fi音频产品涉及到七个方面的重要挑战。

• 连接稳定性
• 音响同步
• Wi-Fi和蓝牙并存
• 多点设备部署
• 配置与发现
• 功耗
• 方案整合

连接稳定性

无线链路的稳定不仅影响到用户体验，更会影响到软硬件设计，甚至造价。无线链路的关键影响因素有如下几个：
（1）好的射频性能
影响射频性能的因素有

• 设备敏感度 也叫灵敏度，在无线应用中范围是很关键的因素。更大的范围，意味着要具备更好的接收灵敏度，这是很多无线设备制造商期望的主要目标。谁都希望同样价格买到覆盖的范围大的无线产品。接收灵敏度是指接收端可以成功检测信号和解调信号所能达到最低的功率级别。随着距离的增加，从发射端传播出来的信号功率越来越弱，接收端检测到信号的难度越来越高。提高接收灵敏度，让接收端可以在较弱的的信号条件下检测到无线信号可以显著提高工作范围。灵敏度是影响无线信号范围至关重要的因素。
• 发射功率 无线局域网中射频传输功率是另外一个重要的性能指标。它直接影响系统能够覆盖的有效通信范围。
• 天线的多样性 信号传输过程中会遇到墙面或者不同物质表面的反射与折射。接收端接收到的信号会在相位与振幅上有很大差异。采用多个天线可以分别采集不同路径情况下的信号，从而避免或者减少信号衰减或干扰。多样性是指从不同路径接收到的信号中挑选出来最好的信号的策略算法，以保证数据包最大的可能被正确的接收到。

（2）带宽
很多在线音频流服务（采用立体声）不需要太高的带宽（一般最多320 kbps）,还有一些高质量内容服务商可提供高达1411kbps的流音频媒体。即使这样，这个指标远远低于现今无线设备的最大带宽能力。许多高端音频播放，比如杜比Dolby 5.1，7.1或者多房间的环境，好的效果需要高的带宽保障。当一个音响系统在实际环境下使用时，往往也会遇到多个设备同时传输音频过程中断断续续的现象，如果处理不好这个极大影响用户的体验。此外，如果有个别音箱处于无线信号范围的边缘－数据连接链上的数据传输率会非常低，最终导致整个网络性能的大幅度下降。此时采用一些智能的数据传输管理算法可以处理这种复杂环境下的无线网络数据传输性能下降的问题。

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（3）网络延时与不稳定
网络延时是指数据从特定网络从一个起始点到另一个终点传输所消耗的时间。网络不稳定是指网络延时急剧的变化，忽长忽短的不确定，表现出来就是从接收端看到数据接收的速度忽快忽慢。音频数据通常由编码后的音频数据包组成，而且这些数据包是按照时间顺序前后均匀排列而成的。当接收端收到数据包后将这些包顺次解码还原成音频原始数据并保存在播放缓存中。播放设备周期性的以同样时间间隔周期将缓存中的音频数据放到音频解码器中转换为可以听的声音。正因为如此，播放设备需要在每个时间间隔前确保缓冲中有足够的音频数据准备好，否则就会有“空”数据被播放，要不然就是重复播放上一次的数据内容，这样会导致用户听到的声音断断续续或者噪音。
有几个情况，比如网络拥堵，乱序以及错误的配置都可能导致网络延时变化。这种变化会导致接收端出现音频数据接收异常。如果网络不稳定很严重，对导致严重的声音断续。
网络延时与不稳定影响到音频缓冲区大小的设置。延时与不稳定加大的情况下，需要更多的缓冲。大的缓冲会导致有限的空间内其他应用程序或者软件的内存使用空间被缩小，或者整体加大内存容量会导致成本提高。大的缓冲也会导致音频在被播放前，为了填充缓冲区播放开始时间被延长，用户就会感觉到播放不能即刻开始。
低的网络延时也是音视频同步的关键。音频数据必须在视频数据播放的同时及时的播放，在用户可感知的范围内确保音视频尽量同步。不同的应用场景下，有很多不同的同步标准，无论哪种标准公认的延迟要小于20-30毫秒。比如，杜比Dolby规范下音频延迟不得超过20毫秒。

（4）丢包
任何无线传输技术都有在高网络拥塞环境下丢包的范围限制。丢包通常会发生在很多设备同时在传输数据的情况下，也会被同频段其它工作中的设备干扰，或者信号特别差的时候。特定环境下的丢包率往往会影响到音频传输采用的协议以及造价考量。
如果在网络拥塞的情况下丢包出现而不做任何处理，那么设备工作时会给人很差的体验，音频发射端应该重发可能丢失的数据作为补偿，但这样又会白白消耗带宽。比如在很差的网络环境下，为了防止丢失，一个简单的处理方法是每个音频包发两次。通常丢包发生时，都是重发已经丢失的包。但是在实时性要求高的场景下，例如音频传输，传输对包的传输正确性和顺序要求很高，否则会影响到解码和播放的时间。这要求能够实时的针对已经出现的丢包迅速纠正。

（5）协同能力
协同工作能力是另外一个家庭无线网络中非常重要的因素，它直接影响到整个Wi-Fi环境的稳定性。
协同能力是无线设备必要的功能，在同一个网络中来自不同硬件厂商与不同的软件实现的无线设备是否可以提供大家都可以和谐工作，以及带来最高性能的关键。由于Wi-Fi设备在家庭网络中被越来越多的使用，各种无线路由器，笔记本电脑，台式电脑，智能手机，平板电脑，机顶盒，游戏机等等。这些设备里面有不同的Wi-Fi芯片以及运行在芯片上的系统软件。这些设备必须保持在一定程度的协同工作能力。尽管大部分设备是通过Wi-Fi认证的，也就是说有一定的基本协同能力，确保一定的功能与性能，但不代表在特定应用条件下还能够保持高水准的协同能力，例如在无线音频传输的场景下。
RTS/CTS(发送请求/确认发送)这个技术是协同能力的一个功能，它关系到网络性能，最终影响用户体验。RTS/CTS在802.11设备中并不是必须要被支持的功能，它通过在发送数据包之前先发送数据包交换控制命令包，在得到网络响应后再发送数据包，从而能够减少无线介质中数据包的冲突。看似不错的技术，但是只要整个网络中有一个设备不支持，其它设备支持也白搭。
AMPDU帧聚合技术（将若干小数据包串接为大包）也是802.11标准一个解决协同能力的技术。本来发送端可以将10个小包组合为一个大包一次性发送，但是只要有一个接收端接收缓存不足够容下10个小包，这样这个聚合技术就无法使用，而且还会导致RTS/CTS引入，从而不断的纠正整个网络中的大包协议尺寸，大大会降低整个网络的性能。

音响同步

相比其他无线技术，通过Wi-Fi传输音频的另一个好处是支持多个音响设备或者音响单元。而要实现音频同步是比较困难的。
模拟音频时代，音频接收设备之际通过有线连接，通过电声信号可以瞬间再现或还原声音，因为通过有线传输的电信号近似光速。由于所有连接在音频接收器的模拟喇叭都是有线连接，声音是并行传输的，所有喇叭发出的声音是几乎完美同步的。到了无线时代，需要其它方式实现同步。通常，包含音频的数据流都是往每个喇叭通过单播的方式发送，而不是广播。不同音响的处理单元在确保音频数据在播放缓存中足够多的同时还要精确的控制播放进度，确保近乎同步。不同步会让听众觉得音源出问题了。即使是微不足道的延迟，会让用户错以为在播放不同源的音频内容。为了能让多个音响在同一时刻播放相同的音频数据，无线时钟的同步机制是非常重要的。
最经典的方式是采用网络时钟协议（NTP），它不停的通过无线网络发送时间信息。这种方式能够实现精度在毫秒级别的音频时钟校准与同步。还有些罕见的方案比较少被采用，例如802.11v。

Wi-Fi和蓝牙并存

有些系统会采用双无线方案，即Wi-Fi与蓝牙并存，为了实现和满足一些功能特性。蓝牙传输音频的标准协议是A2DP，它可以实现从手机传输音频，或者将音频数据传输到耳机等设备。其它还有将蓝牙用于设备发现，音量控制等功能。
无论是Wi-Fi还是蓝牙，都工作在2.4GHz ISM频段，两个非常接近的无线波段，很可能产生相互干扰。无论是单天线方案，还是双天线方案；无论是两颗单独IC，还是复合型设备，都会很难让两个无线信号工作的很好。好的无线连接方案一定会有共存机制，特别是音频应用的情况。

配置与发现

第一次买来Wi-Fi音响，或者要添加新的音响设备时，每个设备必须要接入家中的无线路由器。由于音响往往缺少高级的交互方式，例如键盘或者显示屏幕，所以需要其它的配置手段来帮助音响连接到无线路由器。
有的产品用Wi-Fi保护配置（WPS),WPS是看起来比较简单而且安全的配置方式。很不幸运的是，WPS已经被证明是不安全的配置方式，而且没有被业界广泛采用。您会发现很多路由器压根找不到WPS按键。
还有一种方式就是音响自己产生一个热点，专业点的叫法叫soft-AP，它会自己产生一个有SSID名称的Wi-Fi热点。用户必须连接他的手机、平板或者电脑到这个热点，然后打开一个网页，输入要连接无线路由器的信息然后重启。
还有些方法就很特别，是业界大佬公司自行研究开发的。比如苹果公司的WAC（Wifi Accessory Configuration),需要在系统里添加苹果公司的特殊芯片。
一旦音响设备接入家庭网络，还有个步骤需要自动发现其它设备。最常使用的方式叫mDNS（多播DNS）。这样大家互相知道对方的存在。

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