Jazz Hipster的 Frank、Leo 和 James 共同撰寫
串流技術與喇叭系統的整合代表了音訊產業的一大進步，塑造了企業和消費者與音樂及其他音訊內容互動的未來。本文旨在深入剖析喇叭串流服務的複雜性，特別針對業內專業人士的需求和興趣。我們的目標是為專業人士提供必要的見解，以推動音訊技術的界限，確保在各種平台和設備上實現無縫的音訊體驗。
音訊串流服務概述
AirPlay 2
AirPlay 2 是由 Apple 開發的串流協定，不僅支援多房間和多設備音訊串流，還通過改進的緩衝技術確保更流暢的播放。其最大優勢在於與 Apple 生態系統的獨家整合，利用專有的 Apple 無損音訊編碼器 (ALAC) 來確保無損音質。
Spotify Connect
Spotify 的Spotify Connect 允許用戶將手機、平板電腦或電腦上的音訊，連結到電視、喇叭和媒體播放器等相容設備使用 Spotify 應用程式。為了實現無縫切換和即時播放，這些設備需要在同一個 Wi-Fi 網路上，使用戶能夠自由選擇音樂輸出設備，從而提高靈活性。儘管 Spotify 的音訊品質可能不及專業服務，但其龐大的音樂目錄和強大的平台演算法提供了強大的個人化智慧推薦，使其對尋求新音訊內容和量身定制體驗的用戶特別具有吸引力。
Roon Ready
Roon 軟體作為音訊收藏的數位音訊庫，提供豐富的後設資料，並連結網路內的各種設備，以實現統一的高解析度串流體驗。Roon Ready 認證授予符合 Roon Labs 串流標準的音訊設備，因此Roon Ready 設備皆需經過優化，以確保透明的訊號傳輸，實現位元完美的音訊播放。
Airable (Tidal/Radio)
Airable 提供對大量網路電台和Podcast，同時整合了高保真串流服務，如 Tidal。Airable 平台專為音訊愛好者和專業人士設計，滿足那些追求串流內容品質和多樣性的人。它簡化了高品質音訊串流的發現過程，並經常整合到高端音訊設備中，強調平台對音訊品質和內容多樣性的承諾。
技術需求
網路服務
網路服務是喇叭串流服務的骨幹，確保設備能夠在網路上高效地通訊和串流音訊內容。在這個領域中，兩個關鍵服務是 DNS 和 Bonjour。
DNS (網域名稱系統)
DNS 是一個用於連接到網際網路或私有網路的電腦、服務或其他資源的階層式和分散式命名系統。它將易於記憶的網域名稱轉換為定位和識別電腦服務和設備所需的數字 IP 位址，這個過程是通過底層網路協定進行的。這個程序對於訪問大量的線上音樂和其他音訊內容庫至關重要，使 DNS 成為串流服務的基礎元素。
Bonjour
Bonjour，又稱為零配置網路，通過業界標準 IP 協定自動化本地網路上設備和服務的技術。這項技術通過消除手動設置來簡化網路設備連接。它是 AirPlay 等服務的重要組成部分，允許設備無縫發現多個設備間的串流功能和服務。
介面
用戶介面是串流服務的關鍵部分。喇叭串流技術的介面通常包括 Android 和 iOS 的行動應用程式以及網頁介面。
行動應用程式 (Android/iOS)
Android 和 iOS 的行動應用程式是控制喇叭串流技術最常用的介面。開發這些應用程式需要對每個作業系統的原生開發平台（Android 的 Android Studio 和 iOS 的 Xcode）有深入的了解才能提供的整合API串流服務。
網頁 (HTML/CSS)
網頁介面通過各種設備上的瀏覽器為喇叭串流技術提供了一個通用平台，包括電腦、平板電腦和智慧型手機。這些以 HTML 和 CSS 構建的網頁介面使用戶無需安裝應用程式即可訪問和控制他們的串流服務。網頁介面在配置設置和韌體更新方面具有一定優勢。
無線連接
無線連接提供了不受實體線纜限制享受音樂的靈活性。這個領域主要使用的技術是 WiFi、藍牙傳統版和藍牙低功耗 (BLE)，每種技術都有其獨特的優勢和使用場景。
WiFi
WiFi 通常是串流高品質音訊而不會顯著損失數據的關鍵技術。相較於藍牙，它允許更高的數據傳輸率。對於喇叭串流，WiFi 強大的頻寬和範圍使其成為確保流暢、不間斷音訊播放的首選。
傳統藍牙和藍牙低功耗 (BLE)
傳統藍牙廣泛用於從設備到喇叭的直接、點對點音訊串流。雖然與 WiFi 相比，藍牙傳統版通常提供侷限的距離範圍和較低的數據傳輸量，但由於其與智慧型手機、平板電腦和其他設備的通用相容性，使用戶可以輕鬆連接附近的喇叭，因此仍然是市場上的主流技術。
藍牙低功耗 (BLE) 是藍牙技術的一個子集，設計用於低功耗的消耗，主要用於設備配對和初始設置過程，而不是用於串流音訊內容本身。它通常用於智慧喇叭的初始配置，用於傳遞來自行動應用程式或語音助理的控制命令。
系統架構
在了解了基礎之後，我們現在深入探討系統架構和實現的細節，這些細節將這些功能凝聚在一起，是串流服務不可或缺的一環。
嵌入式 Linux 系統
嵌入式 Linux 提供了一個可自定義且高效的操作環境，非常適合管理串流設備的複雜操作，從處理音訊處理到網路通訊。它建立在 Linux 內核之上，通過減少不必要的組件來優化嵌入式設備，以減少系統佔用空間並提高性能。此外，Linux 生態系統提供了一套豐富的工具和資料庫，例如：專門用於多媒體處理（如 GStreamer）、網路通訊和系統管理，這些對於構建先進的串流產品至關重要。
客戶端/伺服器模型
MQTT (訊息佇列遙測傳輸)
MQTT 是一種輕量級訊息協定，專為低頻寬、高延遲或不可靠的網路設計。其主要目的是使設備能夠高效地交換小數據包，控制訊息開銷低至 2 個位元組。這最小化了網路頻寬和功耗。該協定運作在發布/訂閱模型上：發布者在特定主題下發送訊息，訂閱者通過訂閱這些主題來接收訊息。代理中介通訊，將傳入的訊息轉發給相關主題的所有訂閱者。這種機制允許設備接收即時更新，無需持續輪詢，顯著減少網路流量和能源使用。
Socket 伺服器
Socket 伺服器促進了客戶端和伺服器之間通過網路的直接、雙向通訊。與將通訊抽象化為代理模型的 MQTT 不同，Socket 伺服器允許更傳統的請求/回應或連續數據流模型，使其適用於需要實時互動或大數據包串流的場景。在喇叭串流技術的背景下，Socket 伺服器可以管理實時音訊數據傳輸，確保跨設備的低延遲和同步播放。
媒體播放
ALSA (進階 Linux 音效架構)
ALSA 作為 Linux 音效子系統的核心，在核心層級運作。它提供了直接連接設備音效硬體的途徑，使音訊輸入和輸出功能能夠進行低階控制。它還支援多種音訊編解碼器和格式，使得在不同類型的音訊內容中實現多樣化的播放功能。對於開發者來說，ALSA 提供了一個全面的 API，便於對聲音參數進行詳細操作，這對於在喇叭系統中創建自定義音訊體驗至關重要。
GStreamer
GStreamer 是一個功能強大的多媒體框架，提供了用於構建媒體處理組件圖形的工具。GStreamer 的核心圍繞管道的概念構建其操作，這些管道由通過接口連接的各種元素組成。這些元素範圍從簡單的數據處理器如解碼器到複雜的混音器或濾波器。
每個元素通過指定的接口與其他元素通訊 – 源接口用於輸出，匯接口用於輸入。這種結構允許採用高度模組化的方法來建立媒體處理管道，使開發者能夠像搭建積木一樣將元素組合在一起，創建自定義的音訊處理路徑。例如，播放 MP3 文件涉及一個管道，其中 MP3 數據被讀取，解碼成 PCM 格式，最後通過 ALSA 系統進行播放。
硬體介面
GPIO
微控制器等設備上的 GPIO 引腳作為設備數位領域與外部世界的介面。這些引腳可配置為輸入、輸出或特殊功能模式，透過控制暫存器來決定其行為。當設置為輸入時，GPIO 引腳監控電壓水平，使設備能夠對外部刺激做出反應。作為輸出時，它們發送電壓訊號，如控制開關開啟或關閉以控制 LED 或其他電路。特殊功能模式通過替代功能啟用暫存器，將引腳轉換為與集成外設一起使用，如此能支援複雜任務而不加重處理器負擔。使用 GPIO 的精髓在於它所提供的詳細控制，允許廣泛的應用，從簡單的 LED 指示燈到複雜的串列通訊，在開發複雜電子系統和智慧技術中起著關鍵作用。
I2C
I2C 是一種用於連接低速設備的串列通訊協定，如感測器、EEPROM 和串流設備內的其他微控制器。它特別適用於讀取可能調整設備操作的感測器數據(例如，溫度或接近度)，或控制提供用戶反饋的 OLED/LCD 顯示器。I2C 能夠在單一匯流排上連接多個設備，使其在串流技術內部複雜的通訊需求中，達成高效且具成本效益的目的。
UART
UART 介面促進了串流設備與外部模組或電腦之間的串列通訊。它對於除錯目的、韌體更新或整合額外模組以擴展設備功能(如添加 Wi-Fi 或藍牙功能，如果不是原生支援的話)至關重要。UART 簡單直接的通訊模型，使其在長距離數據傳輸中扮演重要角色，使其成為設備設置和維護過程中的關鍵組件。
淇譽電子在實施串流技術方面的經驗
Jazz Hipster 在將先進串流技術整合到其喇叭產品中時，將會協助您跨過諸多複雜挑戰，每種技術都需要獨特的技術資源組合，以實現最佳功能和用戶體驗。
具體來說，以我們軟體工程師的經驗：
要在喇叭產品上實現 AirPlay 2 功能，需要整合以下資源：
- WiFi、DNS、Bonjour 服務、Socket 伺服器、網頁、ALSA、硬體介面
要在喇叭產品上實現 Spotify Connect 功能，需要整合以下資源：
- WiFi、Socket 伺服器、ALSA、硬體介面
要在喇叭產品上實現 Roon Ready 功能，需要整合以下資源：
- WiFi、Socket 伺服器、ALSA、硬體介面
要在喇叭產品上實現 Airable 功能，需要整合以下資源：
- WiFi、應用程式、網頁、MQTT、Socket 伺服器、ALSA、GStreamer、硬體介面
參考資料
- [1] RFC 6762 – Multicast DNS – https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc6762
- [2] RFC 6763 – DNS-Based Service Discovery – https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc6763
- [3] AlsaProject – https://www.alsa-project.org/wiki/Main_Page
- [4] GStreamer: open source multimedia framework – https://gstreamer.freedesktop.org/
