基于5G通信的音频数据采集与传输系统设计研究

韦善学 姜召文 张子敬

摘要：音频数据采集与传输系统在设备故障诊断中有重要作用，音频传输要求低延迟、高可靠性。本文提出一种基于5G通信的音频数据采集与传输系统，对目标声音进行高速采集与压缩，并通过5G无线网络进行传输，基于Linux系统编写Qt应用程序，实现实时性高、可靠性强的音频数据采集与传输。

关键词：5G通信;音频;树莓派;Qt

引言

声音是由物体振动产生的声波。设备在故障状态下发出的声音与正常状态时的有明显差异，声音的获取方式简单，成本低，因此，基于声音的设备故障检测方法逐步成为研究的熱点[1]。音频数据采集系统的安装位置通常需要根据目标位置确定，音频数据的传输方式应为无线网络，以便于音频数据采集系统的安装和部署。传统的无线网络延迟高、可靠性差，无法满足音频数据实时传输的要求。

5G通信是最新一代的无线通信网络，通过提高通信频率、设计大规模天线阵列、改善网络结构等方法，实现低延迟和高可靠的无线通信，适合于对无线通信质量要求高的应用。5G通信频段的Sub6G频段中有一部分是兼容2G/3G/4G网络的，其他频段是5G独有的频段，目前我国三大运行商使用的5G频段均在Sub6G频段。

结合5G通信的特点，为实现低延迟、高可靠的音频数据采集和传输，本文提出一种5G通信的音频数据采集与传输系统。

1 基于5G通信的音频数据采集与传输系统硬件设计

硬件设计框图如图 1所示，以树莓派4B为主控电路，通过USB接口与5G模块相连，5G模板选用SIM8200EA模块，实现音频数据的无线传输。声音信号通过麦克风转化为电信号，经过HS-100B声卡采集，通过USB接口将数据实时传输至树莓派4B。

SIM8200EA是支持5G NSA/SA的多波段无线收发器，最大数据传输速率为4Gbps，兼容UART、PCIe、USB3.1等通信接口，采用M.2小型封装，适合于系统集成。支持 TCP/IP/IPV4 /IPV6/Multi-PDP/FTP/ FTPS/HTTP/HTTPS/MQTTS/DNS/SSL3.0 等通信协议与云平台进行数据交互。可采用AT指令进行无线数据收发的控制，便于与各类嵌入式系统连接。

2 基于5G通信的音频数据采集与传输系统软件设计

2.1 软件总体框图

基于Linux系统的Qt开发平台[2]进行软件开发，软件流程图如图 2所示。程序启动后首先进行Qt组件初始化，包括窗口类、多媒体类、网络套接字类、多线程类、按键类、定时器类等的初始化，同时，为了压缩采集到的音频数据，加载并初始化FFMPEG模块。初始化完成后，启动三个线程，分别执行音频采集参数设置与音频采集、FFMPEG音频压缩和音频数据网络传输任务。

2.2 Qt开发平台

Qt是一款跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，面向对象编程，可在Windows、Linux和Mac OS上进行开发和运行。Qt基于信号与槽的机制进行信号与函数之间的安全关联，便于各个元件之间的协同工作。Qt提供了文件、输入输出、时间日期等多达250个以上的C++类，可以满足大多数的应用程序需求。

2.3 音频数据采集程序

首先实例化AudioRecorder类，指定好声卡设备，设置编解码器为“audio/PCM”，码率为96000bps，声音质量为高，采样率为界面设置的采样率。在开始采集按钮的clicked槽函数中启动声音采集，并在每采集一帧声音结束后抛出待压缩信号。当达到声音采集时长时，定时器发出信号，在相应的槽函数中停止声音采集。

2.4 FFMPEG音频压缩程序

FFMPEG是一套可以用来记录、转换数字音频、视频，并能将其转化为流的开源计算机程序[3]。新版本的FFMPEG无需注册编解码器，通过avcodec_find_encoder_by_name（"libfdk_aac"）函数查找到AAC编解码器。当接收到待压缩信号后，PCM文件使用QFile类读入，使用标准库的memcpy函数将PCM的编码音频拷贝至AVFrame的数据缓存中，调用avcodec_encode_audio2函数进行数据压缩。完成压缩后，抛出待网络传输的信号。

2.5 网络数据传输程序

为保证通信实时性，使用UDPSocket类进行音频数据传输[4]。实例化QUdpSocket类后等待网络传输信号。收到该信号后，使用writeDatagram函数将压缩后的音频数据发送至上位机。

2.6 界面设计

Qt的可视化UI设计器可以便捷的设计界面，做到“所见即所得”。分别添加音频设备下拉框、音频采样频率下拉框、音频采样时长编辑框、状态反馈框、搜索设备按钮、开始采集按钮和停止采集按钮等控件，采用网格型布局，设计出简洁的界面。通过信号与槽功能添加各个控件对应的信号与槽函数，实现人机交互。

为了便于部署和维护，采用3.5英寸触摸屏幕作为显示器，安装对应的LCD显示器和触摸驱动后，切换为LCD显示即可。软件的运行效果如图 3所示。通过音频设备下拉框可选择对应的声卡，同时该声卡所支持的采样频率可实时显示在采样频率下拉框中。音频时长可任意设置，默认为5分钟。音频压缩格式为AAC，该格式可保证最佳音质的前提下尽可能压缩数据，是目前主流的音频压缩方式。

3 结束语

本文针对基于5G通信的音频数据采集与传输系统进行研究，结合5G通信的低延迟和高可靠性的特点，在树莓派硬件平台上，利用Linux系统Qt开发平台设计了音频采集程序、FFMPEG的音频压缩程序、网络数据压缩程序，并设计了人机交互界面，软件流畅的运行在树莓派系统上，实现音频的采集、压缩和通过5G网络传输至上位机的功能，为基于5G通信的音频数据采集与传输应用提供了有价值的参考。

参考文献

[1]蔡文伟，黄键，李伟光，赵学智，张景润，孙振忠.基于声音信号的微型电机故障诊断方法研究[J].机床与液压，2020，48（23）：190-195.

[2]曾明辉，谈宏华，邢栢豪，郭良等.基于QT和智能网关的智能家居系统设计[J].自动化与仪表，2021，36（10）：28-32.

[3]程伟伦，唐恒飞.基于FFmpeg的车载嵌入式流媒体终端的研究与实现[J].农业装备与车辆工程，2021，59（08）：120-122.

[4]彭渔露，马莉，王百彦，强帆.一种实时数据丢包问题快速定位方法[J].现代计算机，2021，27（28）：55-59.

作者简介：韦善学（1984.10-）男，壮族，广西东兰县人，本科，中国铁塔股份有限公司河池市分公司，研究方向：通信领域