Sincronização áudio em sistemas de altafidelidade sem fios

Paulo Ricardo Ferreira Alves

Sincronização áudio em

sistemas de altafidelidade sem fios

Paulo Ricardo Ferreira Alves

4

Sincr

onização áudio em

sis

temas de alt

Dissertação de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao

Grau de Mestre em Engenharia de Comunicações

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Doutor Bruno Dias

Paulo Ricardo Ferreira Alves

Sincronização áudio em

Agradecimentos!

Desejo!agradecer!ao!meu!orientador!Bruno!Dias!pelo!disponibilidade!e!atenção,! também!pela!sua!sabedoria!que!me!ajudou!em!muitos!pontos!da!tese.!

Queria! agradecer! a! toda! a! minha! família,! em! especial! aos! meus! pais! pela! paciência! e! esforço! para! me! proporcionar! uma! viagem! académica! sem! percalços.! Também!um!agradecimento!especial!à!minha!irmã!por!todas!as!horas!despendidas! comigo!e!por!estar!sempre!disponível!para!qualquer!coisa!que!precisasse.!

Agradeço! também! ao! Jorge! Castro! e! ao! Bruno! Fazenda! pela! ajuda! técnica! em! alguns!aspectos!da!tese.! Não!podia!de!deixar!de!agradecer!a!todos!os!meus!amigos,!de!curso!e!fora!dele,! pelo!apoio!dado.!Em!especial!ao!Joel!Rodrigues,!João!Vilela!e!António!Maio,!pelos! bons!momentos!passados!e!pela!ajuda!no!meu!percurso!académico.!Ao!Pedro!Diogo! pelo!bom!tempo!passado!em!Erasmus!e!pelas!boas!conversas!de!café.!E!finalmente! ao!Diogo!Matos!pelas!saídas!de!bicicleta!para!espairecer.!

E! por! fim! à! pessoa! mais! importante! na! minha! vida,! que! me! acompanhou! nos! bons! e! maus! momentos,! que! me! apoiou! quando! mais! precisei,! que! me! alegrou! quando!estava!triste.!Sem!ela!teria!sido!tudo!muito!mais!difícil.!Obrigado!Joana!Braz! por! fazeres! parte! da! minha! vida,! obrigado! por! tornares! o! meu! mundo! bem! mais! alegre!e!obrigado!por!fazeres!de!mim!o!que!sou!hoje.!

Resumo!

A! tecnologia! sem! fios! (vulgarmente! designada! por! wireless)! tem! sido! alvo! de! desenvolvimentos! tecnológicos! relevantes! nos! últimos! anos.! Indiscutivelmente,! o! mercado! tem! migrado! para! a! procura! de! soluções! de! produtos! e! serviços! que! suportem!a!necessidade!de!viver!e!trabalhar!de!forma!móvel!ou!com!a!comodidade! da! não! existência! de! cablagens.! Neste! contexto,! a! tendência! para! eliminar! fios,! particularmente!em!todo!o!tipo!de!electrónica!de!consumo,!revelaYse!fundamental! na! prossecução! de! um! estilo! de! vida! mais! simples,! prático! e! efetivamente! mobile.! Esta!constatação!é!particularmente!evidente!na!oferta!de!soluções!de!áudio,!sendo! que! nos! últimos! anos! o! mercado! tem! sido! inundado! de! novas! soluções! de! transmissão!áudio!sem!fios.!Este!tipo!de!sistemas!são!muito!práticos!uma!vez!que! não!é!preciso,!por!exemplo,!“ancorar”!o!Smartphone!a!um!ponto!fixo.!!

Para! o! segmento! de! alta! fidelidade! áudio! (ou! HiYFi),! a! oferta! é! limitada,! proprietária,! com! tecnologia! fechada! e! não! gratuita.! Há! inúmeros! desafios! tecnológicos! que! necessitam! ser! superados.! Principalmente! em! sistemas! de! áudio! 5.1! e! 7.1,! em! que! a! sincronização! áudio! sem! fios! é! crítica.! Qualquer! ligeiro! atraso! relativo,!na!transmissão!individual!de!canais!áudio,!!compromete!substancialmente!a! agradabilidade!sonora!Y!para!um!público!que!é!particularmente!exigente.!

Protocolos! para! comunicação! áudio! sem! fios! já! existem,! como! por! exemplo! o!

Airplay!da!Apple,!que!usa!a!rede!doméstica!WiYFi3para!distribuição!do!áudio,!ou!o! A2DP,! que! usa! Bluetooth.! No! entanto,! este! tipo! de! protocolos! são! usados!

maioritariamente! para! transmissão! áudio! para! uma! simples! coluna,! ou! um! dispositivo! que! aloca! mais! do! que! uma! coluna,! mas! ligadas! entre! si! no! próprio! dispositivo.!

Para! transmissão! individual! de! canais! de! áudio! temos! o! exemplo! da! Wisa,! SONOS!ou!mais!recentemente!a!DENON.!Estas!marcas!oferecem!sistemas!em!que!a! sua! transmissão! é! feita! individualmente! para! cada! coluna! sendo! que! estas! podem! estar!colocadas!em!qualquer!ponto!da!casa!ou!então!colocadas!na!mesma!sala!com! uma!configuração!de!HiYFi.!!

Com! a! condução! do! presente! projeto,! pretendeYse! concretizar! uma! prova! de! conceito! de! uma! solução! de! sincronização! áudio! para! sistemas! HiYFi! sem! fios! com! transmissão! individual! por! canal! para! colunas! separadas.! Utilizando! para! isso! tecnologia!base!de!sincronização!de!relógios!e!sobre!redes!domesticas!locais!IP,!com! ou!sem!fios.!!

Abstract!

The! global! wireless! technology! is! expanding! extremely! fast.! Markets! have! been! searching!for!products!and!services!that!support!the!need!to!work!and!live!in!a!mobile! way.!Trends!to!eliminate!wires,!particularly!in!consumer!electronics,!are!fundamental! for!the!pursuit!of!a!simplest,!practical!and!true!mobile!lifestyle.!!!

This! fact! is! particularly! true! for! audio! products,! to! which! the! market! has! been! swamped!of!new!wireless!solutions,!such!as!dock!stations!as!well!as!communication! systems!between!them!and!smartphones.!These!types!of!systems!are!very!useful!since! one!doesn’t!need!to!dock!the!smartphone!to!a!fixed!point.!!

Despite! this! fact,! current! solutions! are! limited.! There! are! several! technological! challenges!that!need!to!be!addressed,!particularly!for!5.1!and!7.1!audio!systems,!where! wireless! synchronization! is! critical.! Any! slight! delay! between! the! left! and! the! right! speakers! compromises! substantially! the! pleasantness! of! the! audio! experience! –! especially!for!an!audience!that!is!particularly!demanding.!

Protocols!for!audio!communication!already!exist,!such!as!the!Airplay!(Apple),!which! uses! the! traditional! WiYFi! network! for! audio! distribution,! or! the! A2DP,! which! uses! Bluetooth.! Nevertheless,! these! types! of! protocols! are! mostly! used! for! audio! transmission!for!a!single!speaker,!or!a!device,!which!uses!several!speakers!connected!to! each!other!in!the!same!device.!!

For! the! individual! transmission! of! audio! channels,! one! has! the! WISA! or! SONOS! example,!and!more!recently!the!DENON.!These!systems!offer!individual!transmission! for!each!speaker,!which!can!be!placed!in!any!part!of!the!house,!or!even!in!the!same! room!with!a!HiYfi!configuration.!

The! project! aims! to! develop! a! proof! of! concept! for! an! audio! synchronization! solution!for!hiYfi!systems!–!where!audio!delays!are!critical.!It!shall!consider!the!study!of! the!existing!protocols,!as!well!as!the!knowledge!development,!which!allows!for!a!new! approach!for!wireless!communication!in!HiYFi!systems.!

Índice'de'conteúdos!

Agradecimentos!...!iii! Resumo!...!v! Abstract!...!vii! Índice!de!conteúdos!...!ix! Lista!de!figuras!...!xi! Lista!de!tabelas!...!xiii! Lista!de!abreviaturas!...!xv! 1.! Introdução!...!1! 1.1! Organização!do!documento!...!3! 1.2! Objetivos!...!4! 2.! Estado!da!arte!e!tecnologias!relacionadas!...!7! 2.1! Perceção!da!qualidade!áudio!...!7! 2.2! Projetos!e!tecnologias!relacionados!...!12! 2.3! WISA!...!14! 2.4! Wi8Fi!vs!Bluetooth!...!15! 2.5! Protocolos!de!sincronização!temporal!...!20! 2.6! Outros!casos!de!estudo!...!21! 3.! Solução!Proposta!...!25! 3.1! Conceito!...!27! 3.2! Sincronia!temporal!de!relógios!...!28! 3.3! Desfasamento!relógio!hardware!...!37! 3.4! Reprodução!áudio!sincronizada!...!45! 4.! Conclusões!...!59! 4.1! Considerações!finais!...!61!

4.2! Trabalhos!Futuros!...!62! Referências!...!65! Apêndice!A!...!67! Apêndice!B!...!73! Apêndice!C!...!85! Apêndice!D!...!89! Apêndice!E!...!93! Apêndice!F!...!97! Apêndice!G!...!101!

Lista&de&figuras!

Figura!281!Posicionamento!estéreo!...!9! Figura!282!Diferenças!inter8canal![3]!...!10! Figura!283!Posicionamento!duma!sala!comum!...!11! Figura!284!8!Gráfico!do!atraso!áudio!numa!sala!comum!...!12! Figura!285!Comparativo!Bluetooth!vs!Wi8Fi![11]!...!17! Figura!286!Classical!Bluetooth!vs!Bluetooth!Low!Energy![12]!...!18! Figura!287!Comparação!de!tecnologias!de!redes!sem!fios![12]!...!19! Figura!381!Visão!geral!da!solução!a!implementar!...!26! Figura!382!Resultados!da!mudança!de!configurações!...!31! Figura!383!Resultados!mudança!do!parâmetro!shift&frequency!...!31! Figura!389!Precisão!Wandboard!vs!RPi!...!35! Figura!3810!Precisão!Wandboard!vs!RPi!wireless!...!35! Figura!3811!Precisão!PTP!wireless!antigo!firmware!vs!novo!firmware!...!36! Figura!3812!Saída!osciloscópio!RPi!0!e!30!segundos!...!38! Figura!3813!Saída!de!osciloscópio!na!WD!nos!0!e!60!segundos!...!39! Figura!3814!Saída!osciloscópio!RPi!nos!0!e!30!segundos!(quente!e!frio).!...!40! Figura!3815!Saída!osciloscópio!no!RPi!nos!0!e!nos!60!segundos!(frio)!...!40!

Figura!3816!Disposição!dos!dados!num!ficheiro!Wav!...!43! Figura!3817!Exemplo!adição!com!média!...!45! Figura!3818!Diferentes!APIs!audio!Linux!e!camadas!pertencentes![21]!...!46! Figura!3819!Fluxograma!geral!do!funcionamento!do!software!em!cada!coluna!corrigido!(fase!1)!....!48! Figura!3820!Diferentes!aplicações!do!Hard&RT!e!Soft&RT&[22]!...!49! Figura!3821!Histograma!RT!kernel!vs!Non!RT!kernel(RPi)!...!52! Figura!3822!Histograma!RT!kernel!vs!Non!RT!Kernel(Wandboards)!...!53! Figura!3823!Fluxograma!geral!do!funcionamento!do!software!em!cada!coluna!corrigido!(fase!2)!....!56! Figura!3824!Osciloscópio!máximo!atraso!com!uma!onda!de!50Hz!...!58! Figura!D81!Fluxograma!teste!declive!...!91! Figura!E81!Fluxograma!remove!frames!...!95! Figura!F81!Fluxograma!adiciona!frames!...!99! Figura!G81!Fluxograma!software!em!cada!coluna!...!104! !

Lista!de#tabelas!

Tabela!381!Tipo!de!configurações!...!30!

Tabela!382!Testes!precisão!PTP!ethernet!e!WiFi!...!34!

Tabela!383!Resultado!testes!percepção!ouvido!humano!...!44!

!

Lista&de&abreviaturas!

A2DP! Advanced!Audio!Distribution!Protocol! WISA! Wireless!Speaker!&!Audio! B&O! Bang!&!Olufsen! ALAC! Apple!Lossless!Audio!Codec! WSN! Wireless!Sensor!Networks! RBS! Reference!Broadcast!Time!Synchronization! FTSP! Flooding!Time!Synchronization!protocol!! MAC! Medium!Access!Control! IEEE! Institute!of!Electric!and!Electronics!Engineers! LAN! Local!Area!Network! PLC! Power!Line!Communication! NTP! Network!Time!Protocol! Std!Dev! Standard!Deviation! RPi! RaspberyPi! RT! ! ! ! Real!Time! SO! ! ! ! Sistema!Operativo! SoC!! ! ! System!on!a!Chip! WD!! ! ! Wandboard! BLE!! ! ! Bluetooth!Low!energy!

1. Introdução!

Os! sistemas! áudio! de! altaYfidelidade! recorrem,! tradicionalmente,! a! fios! para! conetar!o!emissor!da!fonte!de!dados!(analógicos)!e!as!colunas.!Os!sistemas!sem!fios! puramente! analógicos! tinham! limitações! na! qualidade! do! áudio! devido! ao! ruído! adicionado! pelas! interferências! electroYmagéticas.! No! entanto,! com! o! advir! dos! sistemas! digitais! para! armazenamento! e! manipulação! do! aúdio! e! com! a! utilização! generalizada!de!conversores!digital/analógico!houve!uma!evolução!dos!sistemas!sem! fios! que! passsaram! a! utilizar! transmissões! puramente! digitais,! isentas! de! ruído.! As! soluções!mais!comuns!usam!uma!estratégia!de!transmissão!digital!da!fonte!até!ao! amplificador! multicanal! (ou! préYamplificador),! sendo! que! a! ligação! a! partir! do! amplificador!multicanal!até!aos!transdutores!finais!(colunas)!é!ainda!feita!por!um!par! de!fios!por!canal.!Como!a!audição!correta!dum!sinal!áudio!musical!estéreo!(ou!com! mais! canais)! implica! o! afastamento! físico! das! colunas,! os! sistemas! de! cablagem! continuam! a! ser! uma! parte! integrante! e! determinante! da! qualidade! e! do! custo! destes! sistemas! áudio! sem! fios.! Assim,! tem! havido! uma! procura! crescente! de! soluções! sem! fios,! puramente! digitais,! e! que! utilizem! amplificadores! monoYcanal! acoplados!aos!transdutores,!dispensando!assim!a!utilização!de!quaisquer!conexões! físicas! externas! e! em! que! se! possa! manter! a! qualidade! sonora,! apesar! da! conveniência! de! não! existirem! cablagens! externas,! quando! comparados! com! sistemas!convencionais!digitais!com!fios.!

A! indústria! do! áudio! já! oferece! variadíssimas! propostas! de! sistemas! áudio! digitais! sem! fios.! No! entanto,! a! quase! totalidade! destes! sistemas! só! permitem! a! transmissão! digital! sem! fios! da! fonte! até! ao! preYamplificador! e/ou! amplificador! multicanal,!não!dispensando!a!cablagem!externa!até!às!colunas.!Algumas!soluções! prevêm!a!não!utilização!de!fios!externos!entre!o!amplificador!multicanal!e!as!colunas! à!custa!de!integrar!todos!estes!componentes!numa!única!“caixa”.!No!entanto,!este! tipo!de!solução!é!pouco!conveniente!em!muitas!situações!aplicacionais,!sobretudo!

por! causa! do! tamanho! exagerado! deste! elemento! único! e! porque! a! deficiente! separação!física!dos!transdutores!reduz!o!potencial!da!experiência!auditiva.!!

Alguns!dos!sistemas!atuais!já!prevêm!a!utilização!duma!normal!rede!local!sem! fios!(WiYFi)!para!transmissão!digital!dos!dados!áudio!entre!o!componente!fonte!(que! costuma!até!ter!acesso!à!Internet)!e!o!amplificador!multicanal.!O!uso!da!tecnologia! vulgar! das! redes! WiYFi! veio! baixar! o! custo! de! desenvolvimento! e! comercialização! destes! sistemas! e! democratizar! a! sua! utilização.! No! entanto,! esta! estratégia! não! deixa!de!exigir!a!utilização!de!cablagem!externa!na!ligação!analógica!do!amplificador! às!colunas!e!em!que!a!transmissão!do!sinal!degrada!sempre!a!qualidade!reprodutiva.! Soluções!mais!engenhosas!e!avançadas!prevêm!a!transmissão!digital!entre!um!preY amplificador! e! as! colunas! que! já! integram! internamente! um! amplificador! e! um! conversor!DAC.!Resolvem!o!problema!da!degradação!do!sinal!na!transmissão!até!às! colunas!mas!continuam!a!precisar!de!cablagem!até!às!colunas!e!o!seu!custo!é!muito! superior.!

Para!eliminar!totalmente!a!necessidade!de!cablagem!entre!a!fonte!digital,!ou!um! preYamplificador! digital,! e! as! colunas! finais! do! sistema! áudio,! começaram! a! desenvolverYse! soluções! em! ambiente! industrial/empresarial! recorrendo! a! tecnologias! próprias! e! de! utilização! fechada! a! um! fabricante! ou! a! um! conjunto! de! fabricantes! (ou,! sendo! possível,! a! utilização! por! outros! fabricantes! acarreta! o! pagamento! de! direitos! de! autor! defendidos! em! patentes,! aumentando! o! custo! da! criação!deste!tipo!de!sistemas).!Estas!novas!propostas!tentam!resolver!eficazmente!o! principal!desafio!deste!tipo!de!soluções!que!é!a!sincronia!temporal!da!reprodução! áudio! simultânea! de! todos! os! canais! (um! por! coluna).! De! facto,! o! mercado! dispõe! apenas! de! um! limitado! número! de! produtos! desta! gama,! quase! sempre! caros! (quando! comparados! com! produtos! convencionais! totalmente! cablados! ou! parcialmente!sem!fios)!e!cujos!fabricantes!usam!protocolos!e!tecnologias!fechados,! recorrendo!a!frequências!exclusivas!para!transmissão!dos!canais!áudio!digitais!fora! das!gamas!normais!das!comuns!redes!WiYFi.!

Com! a! vulgarização! da! utilização! de! redes! TCP/IP! sobre! redes! locais! WiYFi! no! contexto!das!aplicações!distribuídas,!parece!natural!a!eventual!adoção!deste!tipo!de!

tecnologia!democrática!e!barata,!como!base!para!o!desenvolvimento!duma!solução! de! distribuição! de! áudio! digital! completamente! sem! fios,! desde! a! fonte! até! às! colunas! (que! integrarão! num! único! elemento,! um! DAC,! um! amplificador! e! os! respetivos!transdutores).!

Ou!seja,!o!principal!desafio!deste!projeto!é!tentar!encontrar!um!tipo!de!solução! para! um! sistema! áudio! totalmente! sem! fios! e! que! faça! a! transmissão! dos! dados! digitalmente!sobre!as!comuns!redes!IP!WiYFi,!conseguindo!resolver!os!problemas!de! sincronização! da! reprodução! sonora! e! manter,! ou! melhorar,! o! nível! da! qualidade! sonora! dos! sistemas! tradicionais! cablados! ou! semiYcablados! (porque! não! deverá! existir! degradação! na! transmissão! do! sinal! desde! a! fonte! até! às! colunas).! Relevantemente,! a! criação! com! sucesso! desta! solução! permitiria,! num! futuro! próximo,! o! aparecimento! de! produtos! comerciais! sem! se! recorrer! a! processos! tecnológicos! proprietários,! de! custos! muito! mais! reduzidos! e! com! tempos! de! desenvolvimento! mais! curtos,! do! que! quando! comparada! com! as! poucas! soluções! proprietárias!atuais.!!

1.1 Organização!do!documento!

Com! a! devida! contextualização! dos! desafios! tecnológicos! em! torno! da! sincronização! áudio! em! sistemas! de! altaYfidelidade! sem! fios,! o! documento! segue! com!a!exposição!dos!objectivos3iniciais!definidos!para!o!trabalho!de!dissertação.!!

Na! secção! seguinte! são! apresentadas! com! maior! detalhe! os! projetos! mais! relevantes! e! as! tecnologias! já! existentes,! procurandoYse! identificar! os! seus! pontos! fortes! e! pontos! fracos,! dando! enfâse! aos! aspetos! passíveis! de! maior! inovação.! DestacarYseYá!o!protocolo!Wireless!Speaker!and!Audio!(WISA)!já!implementado!por! produtos!da!Bang!&!Olufsen!(B&O),!assim!como!alguns!sistemas!da!DENON!e!SONOS.! Na! mesma! secção! serão! analisados! genericamente! vários! protocolos! de! sincronização!de!relógio!em!sistemas!computacionais!ligados!em!rede,!uma!vez!que! este! tipo! de! tecnologia! é! essencial! para! o! desenvolvimento! duma! solução! que!

resolva!o!problema!da!sincronia!da!reprodução!áudio!num!sistema!totalmente!sem! fios.!

Ainda! nesta! secção! é! apresentada! uma! comparação! das! tecnologias! de! redes! sem! fios! existentes! no! mercado! e! discutida! a! sua! usabilidade! no! contexto! da! distribuição!de!áudio!digital.!

Na! terceira! secção! é! apresentada! a! solução! proposta! e! descrito! o! processo! de! prova!de!conceito!concretizado,!incluindo!uma!discussão!do!resultado!de!todos!os! testes!realizados!como!forma!de!demonstração!do!seu!correto!funcionamento.!

Por! último! serão! apresentadas! as! conclusões! deste! trabalho,! assim! como! possíveis!melhorias!e!desenvolvimentos!a!considerar!em!trabalhos!futuros.!

1.2 Objetivos!

Depois! do! início! deste! projeto,! e! após! uma! primeira! fase! de! investigação! sobre! a! problemática! em! análise,! foram! definidos! os! objetivos! principais! para! os! trabalhos! desta!dissertação:!

1. Avaliação! da! adaptabilidade! de! alguns! protocolos/tecnologias! de! redes! locais!sem!fios,!nomeadamente!redes!WiYFi!e!redes!Bluetooth,!análise!das! vantagens! e! desvantagens! da! sua! eventual! utilização! e! fundamentação! da! escolha!do!protocolo!mais!adequado!para!os!requisitos!do!projeto;!

2. Estudo!dos!requisitos!mínimos!relativos!à!variação!do!atraso!na!distribuição! de! áudio! digital! nos! sistemas! reprodutores! finais,! considerando! como! padrão! de! excelência! uma! diferença! no! atraso! (dessincronia! reprodutora)! não!passível!de!percepção!pelo!ouvido!humano;!

3. Estudo!de!projetos!e!tecnologias!de!distribuição!de!áudio!digital!sem!fios!já! existentes,!assim!como!o!estudo!de!protocolos!de!sincronização!de!relógio! tendo!em!especial!atenção!a!eventual!precisão!dos!mesmos;!

4. Definição! duma! solução! para! um! sistema! de! distribuição! de! áudio! digital! totalmente! sem! fios! utilizando! tecnologias! e! protocolos! normalizados,! abertos,!e!de!utilização!vulgar;!

5. Construção! de! um! protótipo! que! permita! a! prova! de! conceito! através! de! testes!reais!com!medições!laboratoriais!que!não!dependam!exclusivamente! da! componente! humana! (e! da! sua! perceção! auditiva! circunstancial)! e! permitam!a!verificação!do!seu!funcionamento!adequado!para!a!reprodução! duma!fonte!estéreo!num!sistema!com!um!conjunto!amplificador/coluna!por! cada!canal!áudio.!

!

2. Estado'da'arte'e'tecnologias'relacionadas!

Neste!capítulo!são!apresentados!alguns!sistemas!de!áudio!totalmente!sem!fios!já! existentes!no!mercado,!incluindo!uma!breve!exposição!da!tecnologia!base!usada!na! solução! adotada! pela! WISA,! sendo,! inclusive,! o! único! caso! em! que! se! conseguem! obter! alguns! detalhes! técnicos! sobre! a! sua! especificação.! Também! serão! apresentados! os! resultados! mais! relevantes! das! pesquisas! efetuadas! sobre! os! protocolos!de!sincronização!de!relógios!em!sistemas!interligados!numa!rede!local!e!é! será! realizada! uma! comparação! das! principais! tecnologias! de! redes! sem! fios! existentes! no! mercado! e! que! melhor! se! poderiam! adequar! aos! requisitos! dum! sistema!de!distribuição!de!áudio!digital!totalmente!sem!fios.!

2.1 Perceção!da!qualidade!áudio!

Nesta! secção! pretendeYse! fazer! referência! aos! parâmetros! relevantes! na! medição! da! qualidade! percecionada! num! sistema! áudio! de! altaYfidelidade! (High;

Fidelity).!

Desde!logo,!importa!considerar!a!mais!relevante!limitação!de!todo!o!sistema!e! que! se! encontra! no! lado! do! utilizador! –! o! limiar! da! perceção! auditiva! do! ouvido! humano.! A! psicoacústica! –! que! trata! da! relação! entre! as! sensações! auditivas! e! as! características!físicas!do!som!–!aponta!vários!limites!para!a!capacidade!de!perceção! auditiva! do! ouvido! humano.! Um! desses! limites! define! o! valor! máximo! a! partir! do! qual!o!ouvido!humano!começa!a!notar!dessincronia!entre!vídeo!e!áudio.!Este!aspeto,! denominado! de! lip3 synchronization,! tem! relativamente! pouca! importância! para! o! projeto!presente!uma!vez!que!estamos!apenas!a!considerar!a!distribuição!de!sinais! em! sistemas! reprodutores! exclusivamente! áudio.! No! entanto,! e! tendo! por! base! as!

demonstrações!no!artigo![1],!a!diferença!temporal!máxima!entre!um!vídeo!e!a!sua! banda! sonora! será! de! cerca! de! 80ms.! Embora! esta! aplicação! não! venha! a! ser! considerada!na!presente!fase!deste!projeto,!pareceu!interessante!reter!desde!logo!a! magnitude!dos!valores!deste!tipo!de!limiar!e!que,!além!disso,!irá!ser!necessário!ter! em!conta!em!fases!futuras!do!projeto.!!

Outra! limitação! importante! do! ouvido! humano! a! considerar! é! a! percepção! do! mesmo! a! atrasos! entre! colunas! com! o! memso! áudio! reproduzido.! Para! isso! são! conhecidos!3!efeitos,!sendo!eles!o!echo,!o!Hass3effect!e!o3estéreo.!

Acima! de! 25Y30ms! o! efeito! é! indesejável! e! conhecido! como! echo,! i.e,! a! partir! desta!barreira!o!ser!humano!aperceberYseYá!dum!eventual!atraso!relativo!na!receção! de!sinais!sonoros!vindos!de!transdutores!sonoros!diferentes!

Helmut3 Haas3 [2]! (Haas! effect),! defende! que! dois! sons! iguais! mas! ouvidos! com!

atrasado! relativo! entre! eles! até! uma! janela! de! entre! 1.1ms! e! 25ms,! são! percepcionados!pelo!ouvido!humano!como!sendo!da!mesma!fonte!sonora!mas!com! posições! espaciais! diferentes,! ! não! sendo! assim! distinguidos! como! dois! sons! independentes.!!

Por!ultimo!temos!o!efeito!conhecido!como!estéreo!este!efeito!funciona!abaixo! do!limite!de!1,1ms!e!é!percepcionado!pelo!ouvido!humano!como!o!mesmo!som!e!a! fonte!sonora!vinda!de!uma!posição!frontal.!

No!contexto!deste!projeto,!teremos!em!conta!a!posição!ótima!de!audição!num! sistema! simples! estéreo! composto! por! duas! colunas! colocadas! na! frente! do! utilizador.! No! cenário! ideal,! o! posicionamento! das! colunas! e! do! ouvinte! deve! ser! numa!disposição!dum!triângulo!equilátero,!conforme!mostra!a!Figura!2Y1.!

! Figura!281!Posicionamento!estéreo!

Para!não!se!entrar!numa!situação!em!que!se!fará!sentir!o!efeito!Hass,!definimos! um!valor!máximo!de!atraso!relativo!entre!as!colunas!de!1.1ms,!isto!é,!com!um!desvio! entre! colunas! inferior! a! esta! referência,! termos! um! efeito! estéreo! normal! com! posicionamento!espacial!percecionado!como!perfeito.!!

Ainda!com!a!ajuda!da!Figura!2Y2!é!possível!perceber!melhor!o!que!foi!exposto! acima.! Para! uma! diferença! superior! a! 1.1ms! o! desvio! espacial! percecionado! seria! superior!a!30°.!Assim,!como!requisito!teórico!principal!da!solução!preconizada!neste! projeto,!imporYseYá!um!limite!de!1ms!como!valor!máximo!de!offset!temporal!entre!a! reprodução!dos!canais!áudio!em!colunas!individuais.!!

! Figura!282!Diferenças!inter8canal![3]!!!

Importa!ressalvar!que!a!garantia!do!cumprimento!deste!limite!teórico!conduz!a! situações! de! audição! ideais! em! termos! de! posicionamento! espacial! e! da! não! perceção!de!dissincronia.!

No!entanto,!em!situações!de!utilização!real!e!quotidiana,!é!natural!que!este!limite! possa! ser! relaxado.! ConsidereYse,! por! exemplo,! uma! disposição! duma! sala! normal! com! um! sofá! de! 3! lugares! e! com! 3! ouvintes! sentados.! Foi! calculada! –! através! de! dados!antropométricos!–!a!que!distância!os!ouvintes!deveriam!estar!sentados!para! manterem! uma! posição! de! conforto! físico.! Assim,! e! tendo! por! referência! [4],! a! distância!mínima,!entre!ouvintes!adultos!de!compleição!física!normal,!deveria!ser!de! 61cm! e! a! distância! de! conforto! seria! de! 76cm.! A! Figura! 2Y3! demonstra! este! posicionamento!geral,!em!que!o!parâmetro!a!é!a!distância!entre!ouvintes.!!

! Figura!283!Posicionamento!duma!sala!comum! Foi!efetuado!um!pequeno!estudo!variando!os!valores!de!a!e!b!tendo!sido!criado!o! gráfico!da!Figura!2Y4.!No!mesmo!é!possível!verificar!que!numa!sala!comum,!e!com,! por!exemplo,!uma!distância!b!para!as!colunas!de!2!metros,!a!pessoa!exatamente!ao! lado!do!ouvinte!central!teria!um!offset!de!20°,!correspondente!a!menos!de!0.5ms!de! atraso! entre! colunas,! se! a! distância! entre! elas! fosse! de! 61cm.! Obviamente,! o! resultado!será!pior!(maior!atraso),!mas!ainda!aceitável,!se!houver!uma!distância!de! conforto!de!76cm!e!para!uma!distância!aproximada!entre!as!colunas!até!1,5!metros.! Ou! seja,! numa! sala! comum,! em! que! se! depende! de! outros! fatores! como! a! praticabilidade! da! disposição! dos! ouvintes,! o! valor! do! atraso3 poderá! ser! mais! relaxado! do! que! aquele! que! será! considerado! em! teoria! para! efeitos! de! desenvolvimento!do!projeto,!em!que!consideraremos!sempre!a!existência!de!apenas! um!ouvinte!em!condições!ideiais!de!audição.!!

! Figura!284!8!Gráfico!do!atraso!áudio!numa!sala!comum!

!

2.2 Projetos!e!tecnologias!relacionados!!

Existem!já!variados!protocolos!e!tecnologias!para!distribuição!sem!fios!de!fontes! áudio! até! ao! sistema! de! amplificação.! No! contexto! do! presente! projeto! interessa! discutir!o!funcionamento!de!dois!mais!usados:!o!Airplay[5],!proprietário!da!empresa! Apple,!e!o!Advanced3Audio3Distribution3Profile!(A2DP)![5],!uma!tecnologia!que!tem! por!base!o!protocolo!Bluetooth.!!

O!Airplay!tira!partido!das!redes!locais!domésticas!para!a!difusão!de!áudio,!vídeo! e!fotos,!isto!é,!usa!as!tradicionais!redes!802.11!para!difundir!o!conteúdo!multimédia! pretendido.! Existem! diferentes! marcas! de! colunas! amplificadas! no! mercado! que! suportam!este!protocolo,!como!por!exemplo!a!Bowers!&!Wilkins!ou!a!Samsung.!Isto! porque! a! Apple! disponibiliza! a! API! do! Airplay! para! terceiros.! No! caso! do! áudio,! o!

Airplay! usa! Real3 Time3 Streaming3 Protocol! (RTSP)! sobre! UDP! como! protocolo! de!

transmissão.! As! tramas! de! envio! contêm! dados! áudio! de! 44100Hz! com! 2! canais,! comprimido! sem! perda! de! informação! utilizando! o! Apple3 Lossless3 Audio3 Codec! e!

encriptados!através!do!mecanismo!defino!na!norma!Advanced3Encryption3Standard! (AES).!

O! A2DP! é! um! protocolo! de! áudio! que! usa! o! Bluetooth! como! meio! de! difusão.! Este!protocolo!tem!uma!capacidade!máxima!de!difusão!de!2!canais!em!estéreo!e!é! capaz!duma!transmissão!áudio!em!tempo!real!suportando!vários!tipos!de!formatos! de!compressão,!tais!como,!MPEGY1,!MPEGY2,!MPEGY3!e!ACC.!Este!sistema!é!muito! usado! na! ligação! entre! o! telemóvel! e! o! auricular! sem! fios,! porque,! entre! outras! vantagens,!é!um!protocolo!de!baixo!consumo.!O!protocolo!também!é!muito!usado! na! transmissão! áudio! entre! um! smartphone! e! uma! coluna,! à! semelhança! dos! produtos!que!usam!Airplay.!!

No!entanto,!nenhuma!das!duas!tecnologias!anteriores!permite!a!construção!dum! sistema! de! altaYfidelidade! totalmente! sem! fios! até! aos! transdutores! finais,! nem! suporta!a!distribuição!de!áudio!com!mais!de!dois!canais!como,!por!exemplo,!seria! necessário!num!vulgar!sistema!multimédia!de!seis!canais!(surround!5.1),!com!cinco! colunas!normais!e!um!subwoofer.!

No! sentido! de! ultrapassar! este! tipo! de! limitações! surgiram! alguns! projetos! de! I&D! que! cristalizaram! os! resultados! tecnológicos! em! protocolos! que! permitiram! a! construção!de!produtos!que!suportam!a!distribuição!de!áudio!digital!sem!qualquer! cablagem! entre! a! fonte! de! dados! e! as! colunas! individuais! para! cada! canal.! Além! disso,! permitem! a! transmissão! de! um! número! superior! de! canais! para! além! do! estéreo.!Os!exemplos!mais!notáveis!são!o!projeto!tecnológico!liderado!pela!WISA[6]! e!os!produtos!lançados!pela!SONOS[7]!e,!muito!recentemente,!pela!DENON[8].!

A! WISA! é! uma! associação! de! fabricantes! de! equipamento! áudio! e! fornece! um! protocolo!de!interoperabilidade!sem!fios!que!pretende!ser!universal,!o!que!permite,! por! exemplo,! ligar! um! reprodutor! de! fonte! a! colunas! amplificadas! de! marcas! distintas.!

A! SONOS! é! um! fabricante! de! sistemas! de! áudio! de! altaYfidelidade! e! foi! dos! primeiros!a!disponibilizar!um!sistema!de!reprodução!totalmente!sem!fios!em!que!é! possível,!por!exemplo,!colocar!colunas!amplificadas!em!todas!as!divisões!duma!casa,!

embora! da! mesma! marca,! e! distribuir! os! dados! áudio! multicanal,! um! canal! por! coluna.!Para!além!desta!configuração,!a!SONOS!também!disponibiliza!um!conjunto! de!colunas!amplificadas!sem!fios!para!implementação!de!sistemas!multimédia!home3

theater.! De! qualquer! forma,! para! nenhum! dos! exemplos! de! produtos! desta! marca!

conceituada,! são! fornecidos! os! pormenores! tecnológicos! de! implementação,! nem! sequer! os! conceitos! por! detrás! dos! protocolos! proprietários! utilizados.! Ou! seja,! é! impossível! conhecer! ou! deduzir,! através! de! documentação! técnica! fornecida! pela! marca!a!precisão!real!do!atraso!relativo!entre!as!colunas!(ou!dessincronia),!ainda!que! seja!possível!saber!que!utilizam!como!base!redes!locais!802.11.!

A! DENON! é! uma! marca! conhecida! pelo! fabrico! de! amplificadores,! colunas,! leitores! de! CDs,! etc.! Recentemente! a! DENON! lançou! uma! linha! de! colunas! amplificadas! sem! fios,! e,! à! semelhança! da! SONOS,! também! permite! distribuir! e! controlar!independentemente!vários!canais!áudio!digitais!independentemente!tendo! como! base! redes! locais! sem! fios! 802.11.! No! entanto,! ao! contrário! da! SONOS,! a! DENON! apenas! suporta! a! distribuição! de! fontes! áudio! estéreo,! portanto! com! um! máximo! de! dois! canais.! Ao! contrário! de! outros! fabricantes,! a! DENON! refere! a! precisão! de! sincronia! entre! colunas,! garantindo! uma! sincronia! “na! ordem! dos! microssegundos”.!Apesar!de!ser!relativamente!subjetivo,!permiteYnos!avaliar!melhor! a!precisão!de!sincronia!que!está!implícita!no!sistema,!apesar!de!não!ser!fornecido! nenhum! pormenor! de! implementação! técnico! nem! detalhes! sobre! as! tecnologias! proprietárias!utilizadas.!

2.3 WISA!

A!tecnologia!desenvolvida!pela!WISA!é!o!único!caso!de!tecnologia!aberta,!ainda! que! não! gratuita,! o! que! possibilitou! obter! algumas! especificações! técnicas! mais! detalhadas.!

Conforme!referido,!a!WISA!é!uma!associação!que!disponibiliza!um!protocolo!que! recorre!a!transmissão!sem!fios!duma!fonte!áudio!e!que!permite!a!interoperabilidade! entre! dispositivos! de! marcas! diferentes! desde! que! suportem! a! especificação! da!

tecnologia! associada.! Algumas! marcas! conhecidas! e! reputadas! como! a! Bang! and! Olufsen! [9]! já! têm! sistemas! com! esta! tecnologia.! A! WISA! promete! então! um! protocolo!de!difusão!de!áudio!sem!fios!entre!um!emissor!e!as!colunas!amplificadas.! Este! protocolo! usa! uma! transmissão! numa! frequência! própria! de! 5GHz! e! evita! a! utilização! das! tradicionais! redes! 802.11! ou! Bluetooth,! conseguindo! alegadamente! minimizar!os!problemas!de!ruído,!atraso!e!controlo!de!acesso!ao!meio.!Do!ponto!de! vista! meramente! técnico! este! aspeto! terá! essas! vantagens! mas! torna! o! sistema! incompatível! com! tecnologias! de! transmissão! ou! de! implementação! de! redes! de! dados! já! existentes! e! obriga! a! transmissores! próprios! e! a! um! protocolo! comunicacional!próprio.!Além!da!complexidade!adicional!isto!representa!mais!custos! e!maior!dificuldade!de!implementação!duma!solução!baseada!na!tecnologia!WISA,! até!porque!é!preciso!construir!também!hardware!específico.!

Foi! possível! obter! algumas! informações! mais! pormenorizadas! sobre! os! parâmetros!de!funcionamento!da!tecnologia,!sendo!o!aspeto!mais!impressionante!a! garantia!dum!valor!máximo!de!latência!de!5,2ms!para!a!difusão!de!áudio!estéreo!a! 48KHz.!No!entanto,!para!se!conseguir!obter!outros!parâmetros!de!funcionamento!ou! outras!informações!relevantes!deste!tipo!de!tecnologia,!como!por!exemplo!o!valor! máximo!teórico!de!dessincronia!temporal!entre!canais!nos!transdutores!finais!ou!o! tipo!de!protocolo!de!sincronização!de!relógio!utilizado,!seria!necessário!ser!membro! ativo! da! WISA,! custo! esse! não! coberto! pelos! recursos! do! presente! projeto.! Assim,! como!a!referida!participação!na!WISA!como!membro!de!pleno!direito!implicava!um! investimento! que! não! era! possível! concretizar,! não! foi! possível! aprofundar! mais! detalhes!técnicos!relevantes.!

2.4 Wi8Fi!vs!Bluetooth!!

Atualmente,!entre!as!variadas!tecnologias!de!redes!sem!fios!existentes,!há!duas! que!estão!particularmente!disseminadas!no!mercado,!a!saber,!as!várias!versões!ou! variações!do!Bluetooth!e!do!WiYFi!(com!o!protocolo!802.11).!Nos!artigos![10]!e![10]!é! feita! uma! comparação! do! potencial! de! utilização! destes! dois! tipos! de! tecnologias!

para! transmissão! de! áudio! digital.! Ambos! oferecem! possibilidades! de! transmissão! áudio! em! tempo! real,! quer! fazendo! uso! de! protocolos! normalizados! já! existentes,! como!é!o!caso!do!Real3Ttime3Protocol!para!o!802.11!e!o!A2DP!para!o!Bluetooth,!quer! criando! novos! protocolos.! As! duas! redes! apresentam! vantagens! e! desvantagens! e! costumam!ser!utilizadas!em!contextos!diferentes!com!exigências!também!diferentes.! O! Bluetooth! é! uma! rede! normalmente! usada! para! quando! se! necessita! de! baixo! consumo!energético!e!menores!larguras!de!banda,!como!por!exemplo,!no!caso!dum! auricular!Bluetooth!que!se!liga!ao!telemóvel!para!reprodução!de!áudio!num!formato! normalizado!de!compressão,!normalmente!MP3.!Já!o!WiYFi!está!mais!orientado!para! situações!em!que!maiores!volumes!de!dados!áudio!são!transmitidos!(maior!largura! de! banda,! mais! canais)! sem! ter! que! se! recorrer! a! mecanismos! de! compressão.! Na! Figura!2Y5!é!possível!visualizar!uma!comparação!técnica!entre!as!duas!redes.!!

! Figura!285!Comparativo!Bluetooth!vs!Wi8Fi![10]!

Sendo! que! o! principal! objetivo! do! projeto! é! a! transmissão! de! áudio! de! altaY fidelidade! num! ambiente! multicanal! sem! limitação! no! numero! de! canais,! é! muito! importante!considerar!a!capacidade!da!rede!em!transmitir!grandes!quantidades!de! dados! áudio! não! comprimido! (ou! se! for! comprimido,! que! seja! sem! perda! de! informação).!Facilmente!se!calcula[12]!a!largura!de!banda!necessária!para!transmitir! dados! áudio! duma! fonte! estéreo! a! 16bits/amostra! e! 44.1KHz! de! frequência! de! amostragem!(qualidade!utilizada!nos!vulgares!CDs!de!música):!1441.2Kb/s.!Como!o! Bluetooth!tem!um!máximo!de!1Mb/s!de!taxa!de!transmissão,!a!eventual!transmissão! de!áudio!estéreo!de!altaYfidelidade!fica!desde!logo!comprometida!se!não!se!usar!um! formato! com! compressão.! Assim,! os! protocolos! de! áudio! usados! pelo! Bluetooth,!

para!conseguir!assegurar!uma!transmissão!eficaz,!usam!uma!compressão!de!áudio! com! perdas,! ainda! que! teoricamente! fosse! possível,! em! boas! condições! de! transmissão! e! a! curtas! distâncias,! utilizar! compressão! sem! perdas! mas! estaria! o! sistema!a!trabalhar!no!seu!limite!de!capacidade!de!transmissão!em!condições!ideais.! Outra!característica!importante!é!a!do!alcance!atingido!por!estas!redes.!O!protocolo! Bluetooth! apresenta! outras! limitações! relevantes,! uma! vez! que! o! alcance! máximo! teórico!é!de!10m,!em!comparação!com!os!100m!das!redes!WiYFi.!Outra!limitação!das! redes! Bluetooth! é! o! facto! de! estas! definirem! um! máximo! de! 8! elementos! comunicantes! em! simultâneo! o! que! pode! condicionar! a! utilização! de! sistemas! multimédia!multicanal!com!mais!de!dois!canais!sem!comprometer!a!qualidade!áudio.!!

O!protocolo!Bluetooth!tem!sofrido!alterações!ao!longo!dos!anos.!A!sua!versão! mais!recente!é!o!Bluetooth!Low3Energy!(BLE)!que!consegue!ainda!menores!consumos! energéticos! que! o! Bluetooth! clássico.! Não! obstante! o! melhor! desempenho! energético,!a!sua!taxa!de!transmissão!também!sofreu!alterações,!sendo!que!agora!é! mais! baixa.! De! facto,! esta! versão! está! mais! adaptada! para! redes! de! sensores! com! baixas! taxas! de! transmissão! e! não! para! aplicações! com! necessidade! dum! grande! fluxo! de! dados,! o! que! também! é! uma! limitação! para! a! sua! aplicação! em! redes! de! áudio!de!altaYfidelidade.!Na!Figura!2Y6!é!possível!visualizar!uma!tabela!que!compara! o!BLE!e!o!Bluetooth!clássico.!

! Figura!286!Classical!Bluetooth!vs!Bluetooth!Low!Energy![11]!

Em!relação!às!redes!WiYFi,!refiraYse!que!estas!também!têm!sofrido!evoluções!ao! longo!dos!anos.!A!Figura!2Y5!mostra!o!protocolo!WiYFi!nas!suas!versões!mais!antigas! e! mais! democratizadas,! 802.11a/g.! Entretanto! surgiu! a! tecnologia! 802.11n! que! promete! uma! taxa! de! transmissão! máxima! teórica! situada! nos! 600Mbps.! Posteriormente!foi!lançado!o!protocolo!802.11ac!com!taxas!de!transmissão!teóricas! de!3470Mbps!a!80MHz!e!6930!Mbps!a!160MHz.!Ainda!foram!feitas!várias!alterações! às! versões! apresentadas,! todas! orientadas! para! a! obtenção! de! maiores! taxas! de! transmissão.!Na!Figura!2Y7!é!possível!visualizar!as!várias!redes!sem!fios!802.11!e!a! posição!que!elas!ocupam!nas!diferentes!variáveis!de!alcance!e!taxa!de!transmissão.!!

Sendo!que!para!o!presente!projeto!a!taxa!de!transmissão!é!um!factor!decisivo!e! que!as!redes!mais!disseminadas!são!as!Bluetooth!e!as!WiYFi,!tornaYse!evidente!que! as! redes! WiYFI! 802.11! são! o! veículo! tecnológico! mais! adequado! para! a! implementação!dum!protocolo!de!transmissão!de!dados!de!áudio!multicanal!digital! não!comprimido!(ou!comprimido!com!mecanismos!sem!perda!de!informação)!e!que! suporte!um!número!elevado!de!canais!em!ambientes!espaciais!variados!(uma!sala,! uma!casa,!um!edifício,!etc).! ! Figura!287!Comparação!de!tecnologias!de!redes!sem!fios![11]!

2.5 Protocolos!de!sincronização!temporal!

Duma!forma!ou!doutra,!um!sistema!de!distribuição!áudio!sem!fios!obrigará,!na! reprodução! final,! ao! sincronismo! temporal! entre! todas! as! colunas! (ou! que! o! valor! temporal!de!dessincronia!seja!baixo!e!varie!pouco).!Para!tal,!parece!óbvio!que!será! necessário! implementar! um! algoritmo! de! sincronização! constante,! provavelmente! baseado!num!protocolo!já!existente!para!sincronização!de!relógios!entre!a!fonte!e!os! elementos!onde!os!transdutores!finais!serão!incluídos.!Nesta!área!já!existem!muitas! soluções,!aplicadas!nas!mais!diversas!áreas,!como!por!exemplo!nalgumas!redes!de! sensores,!ou!então!no!simples!ajuste!do!relógio!visível!nos!computadores.!!

Para! o! ajuste! do! relógio! através! da! internet! pode! usarYse! o! Network3 Time3

Protocol!(NTP)![12].!Este!protocolo!baseiaYse!numa!distribuição!hierárquica,!em!que!

cada!nível!tem!o!nome!de!stratum.3O!nível!superior!é!chamado!por!stratum303e!é! formado! por! relógios! de! referência! (como! por! exemplo,! relógios! atómicos),! diretamente!ligados!aos!servidores!stratum31.3Depois3temYse!os!servidores!stratum3

2,! que! estão! diretamente! ligados! aos! stratum3 1,! e! assim! sucessivamente.! Apesar!

deste! protocolo! ser! bastante! robusto,! a! sua! precisão,! que! não! é! inferior! a! alguns! milissegundos,!não!seria!suficiente!para!a!sua!adaptação!à!tecnologia!a!implementar! no!projeto.!

Nas! redes! WSN! existem! outros! protocolos! de! sincronização! como! o! Reference3

Broadcast3Synchronization!(RBS)!ou!o!Flooding3Time3Synchronization3Protocol!(FTSP)!

[13]!em!que!podem!obterYse,!teoricamente,!precisões!na!ordem!de!nano!segundos.!!! Para!os!protocolos!de!sincronização!de!relógio!das!WSN!obterem!resultados!tão! precisos,!é!necessário!que!estes!usem!a!camada!mais!próxima!da!camada!de!ligação,! sendo! esta! a! camada! MAC.! Também,! para! que! tal! aconteça! é! preciso! um! kernel! específico! e! um! hardware! próprio.! A! maior! parte! destes! protocolos! usam! uma! linguagem!específica!para!WSN,!como!por!exemplo!o!FTSP!que!usa!a!linguagem!C! adaptado!a!TinyOS,!o!que!significa!que!não!é!de!fácil!adaptação!para,!por!exemplo,! sistemas!LINUX,!sem!a!migração!do!código!C/TinyOS.!

O!Precision3Time3Protocol!(PTP)![14]!é!um!protocolo!desenvolvido!pela!Institute3 of3Electrical3and3Electronics3Engineers!(IEEE)!para!a!sincronização!temporal!em!redes! locais.!A!primeira!versão!foi!lançada!em!2002!e!a!segunda!e!mais!recente!versão!foi! divulgada!em!2008.!Este!protocolo!foi!desenvolvido!para!os!casos!aplicativos!em!que! a!exatidão!do!NTP!não!é!suficiente!e!baseiaYse!no!modelo!master/slave,!em!que!o! master!(ou!mestre)!é!a!referência!temporal!e!o!slave!(ou!escravo)!sincroniza!o!seu! relógio!pelo!mestre.!O!mestre!distribui!periodicamente!a!mensagem!que!o!escravo! utiliza!para!corrigir!o!seu!relógio.!Para!atingir!os!níveis!de!exatidão!que!os!requisitos! do! projeto! impõem! (no! máximo,! alguns! milissegundos)! seria! necessário! hardware! adicional! específico,! o! que! ultrapassaria! significativamente! os! custos! do! projeto.! Existem! alternativas! exclusivas! em! software! que,! apesar! de! não! terem! a! mesma! precisão,! prometem! resultados! ainda! aceitáveis,! como! por! exemplo! o! PTP,! que! funciona!como!um!deamon3e!que!pode!atingir,!teoricamente,!uma!sincronização!na! ordem! dos! nano! segundos.! Para! isso! usa! a! biblioteca! libpcap! para! capturar! os! pacotes!diretamente!da!placa!de!rede.!No!entanto,!não!foi!desenvolvido!para!o!uso! em!redes!sem!fios.!

2.6 Outros!casos!de!estudo!

Existem! trabalhos! e! estudos! efetuados! sobre! a! problemática! da! distribuição! áudio! em! redes! sem! fios,! como! são! exemplo! os! artigos! [15],! [16],! [17]! e! [18]! mencionados!na!bibliografia.!É,!no!entanto,!curioso!referir!que,!três!destes!artigos! foram! realizados! em! países! nórdicos! –! dois! na! Dinamarca! e! um! na! Finlândia.! PresumeYse!que!o!facto!da!sede!da!B&O!ser!na!Dinamarca,!que!utiliza!a!tecnologia! WISA! na! conceção! dos! novos! produtos,! possa! ser! de! algum! modo! um! fator! influenciador!para!o!aparecimento!destes!estudos,!como!resultado!da!ligação!normal! do!meio!envolvente!empresarial!à!academia!–!como!de!resto!é!muito!encorajado!em! qualquer!ecossistema!de!inovação!triplaYhélice.!

No!artigo![15],!os!autores!descrevem!os!resultados!dum!projeto!com!objetivos! similares! aos! do! presente! projeto.! No! entanto,! as! conclusões! não! foram! muito!

encorajadoras!quando!o!PTP,!versão!puramente!software,!foi!utilizado.!De!facto,!os! autores! chegaram! à! conclusão! que,! usando! o! protocolo! de! sincronização! PTP! para! sistemas!sem!fios,!a!sua!estabilidade!seria!muito!baixa!para!o!uso!em!sistemas!de! distribuição! de! áudio! digital! de! altaYfidelidade.! No! entanto,! os! testes! relatados! utilizando! o! PTP! em! redes! WiYFi! mostraram! valores! médios! de! dessincronia! na! ordem! dos! 200μs,! com! um! jitter! de! cerca! de! 61μs,! o! que,! teoricamente! seria! suficiente!para!implementar!o!sistema!sem!perda!de!qualidade!áudio.!!

No! artigo! [18],! mais! uma! vez! com! uma! solução! com! requisitos! funcionais! semelhantes!aos!preconizados!no!presente!projeto,!mas!para!transmissão!de!vídeo!e! áudio,! é! especificado! um! valor! limite! em! relação! à! dessincronia! áudio! de! aproximadamente!55ms.!Este!valor!pode!ser!satisfatório!quando!se!está!a!considerar! o!lip!shyncronization,!mas,!no!caso!de!distribuição!de!áudio!estéreo,!um!atraso!desta! natureza!entre!canais/colunas!iria!ser!claramente!percetível!e!degradaria!a!qualidade! áudio.!Assim,!foram!apresentados!resultados!de!testes!com!o!PTP!adaptado!a!redes! sem!fios!com!valores!de!dessincronização!na!ordem!dos!50ms.!Foi!concluído!pelos! autores!que!devido!à!perda!de!pacotes,!mecanismo!de!controlo!de!acesso!ao!meio!e! congestionamento!da!rede,!o!PTP,!versão!software,!seria!muito!instável!no!ajuste!do! relógio!para!este!tipo!de!aplicação.!Convém!salientar!que,!estranhamente,!e!apesar! deste!artigo!ser!mais!recente!que!o!artigo![15],!os!testes!conduzidos!geraram!valores! de! precisão! muito! inferiores,! sendo! que! um! consegue! uma! precisão! de! milissegundos![18]!e!o!outro!de!microssegundos![15].!

No! trabalho! do! artigo! [16],! ao! contrário! de! todos! os! outros,! foi! usada! uma! tecnologia! que! combina! o! NTP! com! RBS! como! protocolo! de! sincronização! pelos! elementos!intervenientes!num!sistema!de!distribuição!de!vídeo!e!áudio!com!um!par! de! colunas! sem! fios.! Além! disso,! foi! usado! o! protocolo! RTP! para! transmissão! dos! dados!de!áudio!digital.!Os!testes!demonstraram!que!o!sistema!consegue!um!atraso! médio!na!ordem!de!1ms!entre!o!vídeo!e!o!áudio!mas!não!são!calculados!valores!de! dessincronia!entre!os!canais!áudio.!

Por! último,! refiraYse! que! no! projeto! descrito! em! [17],! os! autores! tentam! implementar!um!mecanismo!de!sincronização!temporal!numa!rede!802.11s!–!Mesh3

Network!–!e!que!é!uma!configuração!tecnológica!de!rede!base!diferente!daquela!que!

se! pretende! suportar! no! presente! projeto.! É,! de! qualquer! forma,! interessante! salientar! que! os! autores! chegaram! à! conclusão! que,! num! cenário! ótimo,! a! dessincronia!entre!o!vídeo!e!o!áudio!fica!abaixo!de!um!milissegundo,!mas!não!fazem! considerações!sobre!a!dessincronização!entre!os!canais!áudio.!

RefiraYse! que,! em! todos! estes! trabalhos! anteriormente! abordados,! não! são! processados! dados! no! recetor,! ou! seja,! não! há! qualquer! controlo! ou! medições! efetuadas!nos!transdutores!finais,!pelo!que!os!sistemas!não!são!autoYsincronizantes! na!reprodução!final!dos!dados!áudio.!!

Considerando!que!os!estudos!referidos!foram!conduzidos!há!mais!de!dois!anos,! e!tendo!também!em!atenção!a!utilização!comum!da!versão!software!do!protocolo! PTP!para!funções!de!sincronização!temporal,!e!que!desde!então!o!protocolo!PTP!já! evoluiu,! entendeuYse! oportuno! voltar! a! testáYlo! como! principal! candidato! a! protocolo! de! sincronização! temporal! no! âmbito! do! presente! projeto.

!

3. Solução'Proposta!

A!ambição!traçada!para!o!presente!projeto!incluía!uma!prova!de!conceito!duma! solução!de!sincronização!de!áudio!de!altaYfidelidade!sem!fios!desde!a!fonte!do!sinal! áudio! multicanal! até! aos! elementos! reprodutores! finais! (amplificador! e! transdutor! integrados).! Se! os! objetivos! fossem! atingidos! com! sucesso! faltaria! apenas! desenvolver! um! protocolo! aplicacional! para! que! a! fonte! possa! controlar! a! reprodução!dos!canais!áudio!e!possam!ser!suportados!vários!formatos!normalizados! de! representação! áudio! (com! e! sem! compressão).! Com! isto! estaria! pronta! uma! solução!aberta,!gratuita!e!utilizando!apenas!tecnologias!e!protocolos!comuns!e!de! larga! utilização,! para! uma! implementação! rápida! e! a! baixo! custo! de! produtos! comerciais!finais.!

Ou! seja,! para! os! desenvolvimentos! necessários! ao! projeto,! será! defina! uma! solução! fazendo! uso! de! recursos! tecnológicos! gratuitos! e! comumente! acessíveis.! Mais! especificamente,! será! usado! o! sistema! operativo! Linux! e! versões! normais! de! protocolos!de!sincronização!de!código!aberto.!Para!a!fase!de!testes!serão!utilizadas! placas!de!baixo!custo,!neste!caso!(Raspberry3Pi!e!Wandboard)!para!implementação! do!sistema!de!controlo!nos!elementos!reprodutores.!Na!solução!proposta!não!serão! exigidas!quaisquer!limitações!no!número!máximo!de!canais!nem!na!largura!de!banda! por!canal.!No!entanto,!no!primeiro!protótipo!a!ser!construído!no!contexto!do!projeto! só! será! necessário! implementar! e! testar! uma! configuração! de! duas! colunas! e! um! emissor! de! áudio! estéreo,! que! poderá! ser! posteriormente! estendida! para! uma! configuração! com! mais! canais! áudio,! como! por! exemplo,! a! dum! sistema! home!

theater3com!7!colunas!e!1!subwoffer.!Na!Figura!3Y1!pode!verYse!a!configuração!geral!

! Figura'3)1'Visão'geral'da'solução'a'implementar'

!

Para!o!desenvolvimento!da!solução!não!serão!consideradas!sincronias!temporais! entre!áudio!e!vídeo,!assim!como!latências!fim<a<fim,!até!porque!estas!são!processos! menos! exigentes! do! que! a! sincronia! temporal!entre! canais! áudio! nos!transdutores! finais.!

O! restante! da! presente! secção! é! dedicada! à! apresentação! dos! detalhes! específicos! em! torno! das! tecnologias! e! mecanismos! desenvolvidos! e! do! protótipo! onde!foram!implementadas!para!a!realização!de!testes!e!verificação!de!resultados.!

3.1 Conceito!

Aquando! dos! trabalhos! de! análise! ao! estado! da! arte! e! projetos! relacionados,! foram! encontrados! algumas! soluções! para! distribuição! de! áudio! sem! fios,! mas! poucos!deles!adaptados!à!difusão!de!áudio!de!alta<fidelidade!entre!uma!fonte!digital! e! os! elementos! transdutores! finais.! A! tecnologia! WISA! aparece! como! tendo! um! enorme!potencial!mas!tem!desvantagens!relevantes,!principalmente!porque!precisa! de!hardware!espcífico,!não!utilizar!tecnologias!e!protocolos!comuns,!e!ser!necessário! o!pagamento!da!filiação!obrigatória!no!consórcio.!

A! SONOS! e! a! DENON! implementam! conceitos! parecidos,! pelo! menos! considerando! as! características! dos! produtos! comercializados,! tendo! como! base! tecnológica!de!transmissão!as!redes!locais!sem!fios!802.11.!Apesar!destes!sistemas! serem! interessantes! do! ponto! de! vista! das! bases! técnicas! que! partilhassem! com! presente! o! projeto,! consideram! depois! protocolos! e! mecanismos! proprietários! e! fechados,!pelo!que!o!acesso!à!sua!tecnologia!acaba!por!ser!muito!difícil.!

Tanto! a! SONOS! como! a! DENON! garantem! que! a! qualidade! do! áudio,! quando! comparada! com! sistemas! convencionais! cablados,! se! mantém,! mas! nenhuma! das! duas!publica!medições!sobre!os!valores!de!dessincronia!entre!canais.!

A!solução!preconizada!na!presente!dissertação!também!pretende!usar!as!redes! comuns!802.11!e!protocolos!de!transporte!comuns!para!a!transmissão!dos!dados!de!

áudio!multicanal!digital!(com!ou!sem!compressão),!bem!como!outros!protocolos!e! tecnologias! abertos! e! de! utilização! gratuita! (como! o! sistema! operativo! Linux! e! o! protocolo!de!sincronização!temporal!PTP),!considerando!que!uma!parte!substancial! das! soluções! de! mercado! do! futuro! dependerá,! justamente,! da! democratização! tecnológica.!!

Além! disso,! a! solução! proposta! poderá! ser! implementada! facilmente! noutros! tipos! de! tecnologia! de! redes! locais,! com! ou! sem! fios,! uma! vez! que! se! pretende! utilizar! protocolos! de! transporte! da! informação! aplicacional! (dados! áudio! ou! controlo)!comuns!na!pilha!protocolar!TCP/IP,!ou!seja,!não!dependerá!da!tecnologia! de! nível! dois.! No! entanto,! os! parâmetros! de! funcionamento! e! os! mecanismos! a! desenvolver! no! protótipo! terão! em! conta! as! condições! de! implementação! mais! exigentes!das!redes!sem!fios!comuns.!

3.2 Sincronia!temporal!de!relógios!

Uma!assunção!inicial!era!que,!para!um!correto!funcionamento!do!sistema!seria! necessário! ter! sempre! todos! os! dispositivos! temporalmente! sincronizados.! Considerando! os! limites! abordados! na! secção! anterior,! e! tendo! em! conta! os! resultados!dos!trabalhos!relacionados!investigados,!o!protocolo!PTP!assume<se!como! a!escolha!mais!adequada!para!aplicação!na!solução!a!desenvolver!–!mesmo!sendo! este!um!protocolo!criado!para!redes!cabladas.!No!entanto,!foram!realizados!dezenas! de!testes!em!ambientes!diferentes!para!testar!a!sua!precisão.!! Para!o!teste!do!protocolo!foi!usado!o!PTP!na!sua!versão!software,!ou!seja!o!PTPd! para!Linux.!Para!teste!foi!usado!um!MacBook/Pro,!definido!como!mestre,!e!dois!RPi,! com! Raspbian! (sistema! operativo! baseado! em! debian)! instalado,! definidos! como! escravos.!Posteriormente,!os!RPi!foram!substituídos!por!duas!WDs.!Isto!porque!os! RPi! sofrem! de! um! problema! de! comunicação! entre! a! placa! de! rede! sem! fios! e! o! microcontrolador,! como! será! explicado! adiante.! Numa! versão! final,! a! configuração! foi!feita!apenas!com!placas!simples,!neste!caso!RPi!ou!WDs,!sem!haver!necessidade! de!recorrer!ao!MacBook!Pro.!

Para!a!realização!desses!testes!foi!necessário!ultrapassar!algumas!etapas.!Desde! logo,!foi!preciso!instalar!um!sistema!operativo!nos!dois!RPi,!ambos!com!distribuições! Linux! baseadas! em! debian.! De! seguida! instalou<se! o! PTP.! Para! tal,! foi! feito! o!

download!do!código!fonte!através!da!página!oficial!do!protocolo![19].!Foi!necessária!

a! instalação! de! bibliotecas! extras,! nomeadamente! autoconf,! automake! e! libpcap9

dev,!esta!última!usada!para!capturar!os!pacotes!diretamente!da!placa!de!rede!para!

minimizar!os!atrasos.!

Para!que!não!houvesse!interferência!de!outros!protocolos,!pesquisou<se!quais!os! protocolos! de! sincronização! temporal! que! estavam! a! ser! executados,! tendo! sido! detetado! o! protocolo! NTP.! Em! conformidade,! procedeu<se! à! sua! desactivação.! No! apêndice!A!está!exemplificado!todo!o!processo.!

Instalado! o! protocolo,! e! para! maior! comodidade! nos! testes,! foi! definido! o! protocolo!PTP!como!um!serviço.!Para!que!isso!aconteça!foi!necessário!garantir!três! elementos,! a! saber:! adicionar! o! PTP! ao! init.d;! configurar! o! ficheiro! PTP.init.d! (Apêndice! C);! e,! ajustar! o! ficheiro! de! configuração! (Apêndice! B).! Com! estes! três! elementos!concluídos,!o!PTP!inicia!automaticamente!quando!o!RPi!é!inicializado.!!

O!ficheiro!de!configuração!tem!imensos!parâmetros,!destacando<se!os!seguintes! como!os!mais!importantes:!!

• ptpengine:interface,!que!define!a!interface!que!está!a!ser!usada!pelo!PTP;! • ptpengine:preset,! que! define! o! modo! que! está! a! ser! usado! (mestre! ou!

escravo);!!

• ptpengine:ip_mode,!que!define!o!modo!de!transmissão!ip;!

• ptpengine:use_libpcap,! que! define! se! a! biblioteca! libpcap! está! a! ser! usada!ou!não;!!

• ptpengine:delay_mechanism,!que!define!o!modo!de!atraso!a!ser!usado;! • ptpengine:always_respect_utc_offset,! que! defini! se! o! escravo! define! o!

offset!utc!pelo!mestre;!e,!

• clock:max_offset_ppm!que!define!o!máximo!em!partes!por!milhão!que!o! protocolo!pode!ajustar!o!relógio.!!

Os! primeiros! testes! foram! efetuados! com! ligação! ethernet,! e! serviram! para! escolher! qual! a! melhor! configuração! a! usar! nos! parâmetros! ptpengine:ip_mode,! ptpengine:use_libpcap,! e,! ptpengine:delay_mechanism.! Estes! testes! foram! realizados!durante!20!minutos!cada!(valor!definido!tendo!em!conta!alguns!estudos! que! mostram! que! o! PTP! demora! alguns! minutos! para! estabilizar),! com! os! dois! RPi! ativos!como!escravos!e!o!MacBook/Pro!como!mestre.!

Como! se! pode! verificar! na! tabela! abaixo! foram! usadas! várias! combinações! de! configuração.! ! Configuration!! ! IP!Transmission! Mode! Delay!

mechanism! LibPCAP! Shift!Frequency!

Conf!1! multicast! P2P! Y! 512,0!

Conf!2! hybrid! P2P! Y! 512,0!

Conf!3! multicast! E2E! Y! 512,0!

Conf!4! hybrid! E2E! Y! 512,0!

Conf!5! multicast! P2P! N! 512,0!

Conf!6! hybrid! P2P! N! 512,0!

Conf!7! multicast! E2E! N! 512,0!

Conf!8! hybrid! E2E! N! 512,0!

Tabela!3E1!Tipo!de!configurações!

Para! a! verificação! da! melhor! configuração! foi! usado! o! ficheiro! de! estatísticas! gerado!pelo!próprio!protocolo!durante!o!seu!funcionamento.!Este!ficheiro!contém,! entre!outros!parâmetros,!o!offset!entre!o!mestre!e!o!escravo.!Foi!este!o!parâmetro! usado!para!decidir!qual!a!melhor!configuração!a!ser!utilizada.!A!Figura!3<2!mostra!os! resultados!retirados!dos!vários!testes.!!

! Figura!3E2!Resultados!da!mudança!de!configurações!

Verifica<se!que!na!primeira!configuração,!tanto!a!média!como!o!desvio!padrão! são!muito!baixos,!o!que!justificou!ser!esta!a!configuração!escolhida.!

Em! seguida! foram! realizados! testes! adicionais! para! apurar! o! melhor! valor! de!

shift/frequency.!Mais!uma!vez,!os!testes!foram!conduzidos!durante!20!minutos!com! os!dois!RPi,!sendo!que!o!mestre!continuou!a!ser!o!MacBook.!Os!resultados!obtidos! nestes!testes!foram!inconclusivos,!uma!vez!que!não!houve!nenhuma!tendência!de! melhoria!significativa!de!um!valor!de!shift/frequency/para!outro.!Na!Figura!3<3!pode< se!visualizar!os!resultados!obtidos.! ! Figura!3E3!Resultados!mudança!do!parâmetro!shift&frequency! 1,00! 1,02! 1,04! 1,06! 1,08! 1,10!

Conf!1! Conf!2! Conf!3! Conf!4! Conf!5! Conf!6! Conf!7! Conf!8!

Testes!de!configuração!RaspberryPi!

Min! Max! Median! Mean! Std!Dev! Variance! 1,0000! 1,0200! 1,0400! 1,0600! 1,0800! 1,1000! 1,1200!

Slew_500! Slew_512! Slew_600! Slew_700! Slew_800! Slew_900! Slew_1000!

Teste!"slew"!RaspberryPi!!

Min! Max! Median! Mean! Std!Dev! Variance!

A! partir! da! análise! dos! resultados! obtidos! decidiu<se! usar! o! valor! por! defeito,! sendo! ele! de! 500! ppm.! Recorde<se! que! todos! os! testes! efetuados! anteriormente! foram!feitos!recorrendo!a!um!router!dlink!usando!o!protocolo!802.3!e!com!ligação!

ethernet.!!

Depois! de! escolhidos! os! valores! dos! parâmetros! que! melhor! performance! apresentavam,!foi!então!averiguada!se!a!precisão!do!protocolo!seria!suficiente!para! os!requisitos!do!projeto.!No!artigo![15]!é!alegado!que!é!possível!obter!uma!média! aproximada!de!0,6μs!e!um!desvio!padrão!de!cerca!de!20μs.!Nos!testes!efetuados!no! contexto!deste!projeto,!essa!precisão!nunca!foi!alcançada.!Como!é!possível!visualizar! na!Tabela!3<2!em!Teste!1,!na!melhor!configuração!possível!conseguiu<se!atingir!um! valor!de!média!de!aproximadamente!2μs!e!um!desvio!padrão!de!1,7ms.!Mesmo!com! um!valor!de!média!relativamente!baixo!o!desvio!padrão!apresenta!valores!elevados.! Tal!cenário!seria!indesejável!para!uma!solução!que!pretende!garantir!menos!de!um! milissegundo! de! dessincronia! na! reprodução! final! dos! canais! áudio! em! cada! transdutor.!!E!se,!com!ethernet,!foram!obtidos!estes!resultados,!esperava<se!que!os! mesmos! seriam! ainda! mais! desencorajadores! num! cenário! sem! fios.! Mesmo! assim! foi!efetuado!o!teste!numa!rede!sem!fios!–!exatamente!com!os!mesmos!parâmetros! de! configuração! –! sendo! que! os! resultados,! como! esperado,! foram! efetivamente! insatisfatórios.! Como! é! possível! confirmar! na! Tabela! 3<2! em! Teste! 2,! a! média! do!

offset! situa<se! nos! 17ms! e! o! desvio! padrão/ nos! 73ms.! Comparando! os! resultados!

alcançados! com! os! artigos! analisados! anteriormente! –! que! apresentavam! valores! muito!inferiores!àqueles,!admitiu<se!de!imediato!que!teria!que!haver!algum!tipo!de! erro!nos!testes!efetuados.!!

Averiguaram<se! as! potenciais! causas! do! problema,! nomeadamente! verificando! todos!os!parâmetros!passíveis!de!configuração.!Após!alguma!troca!de!emails!com!um! dos! programadores! do! próprio! protocolo! PTP,! percebeu<se! que! alguns! dos! parâmetros! poderiam! ser! re<configurados! com! efetividade,! particularmente! servo:kp,! servo:ki,! e! ptpengine:delay_mechanism.! Os! dois! primeiros! são! os! valores! de!entrada!do!controlador!PI.!Este!controlador!define!o!valor!de!shift/frequency!e,! consequente,! o! valor! de! ajuste! do! relógio! a! cada! iteração.! Se! estes! valores! forem!

muito!altos,!uma!pequena!variação!de!offset!vai!gerar!um!shift/frequency!igualmente! alto,! e! por! isso,! o! sistema! reage! muito! rápido! ao! offset! do! relógio,! criando! simultaneamente!muitas!variações!em!poucos!segundos.!No!entanto,!se!o!valor!for! muito! baixo,! o! relógio! demorará! mais! tempo! a! recuperar! do! offset,! mas! terá! variações! menos! abruptas.! O! parâmetro! delay_mechanism! foi! mudado! para! E2E,! uma! vez! que! o! router! não! tem! capacidade! para! fazer! o! timestamp! do! PTP.! Após! vários!testes,!já!com!os!devidos!ajustes!nos!parâmetros!referidos,!conseguiu<se!uma! melhoria!significativa!na!performance!do!PTP.!

!Na!Tabela!3<2!em!Teste!3!pode!constatar<se!a!melhoria!de!resultados!referida.! De! facto,! foi! obtida! uma! média! de! 8μs,! mas! o! desvio! padrão,! apesar! de! ser! significativamente! mais! baixo,! ainda! atinge! valores! perto! dos! 240μs.! Novamente,! considerado!o!cenário!sem!fios,!a!precisão!constatada!foi!menor.!Na!Tabela!3<2!em! Teste! 4! é! possível! confirmar! que! a! média! se! situa! em! 123μs! e! desvio! padrão! em! 1,5ms.!

Foi!já!referido!que!o!protocolo!PTP!normal!não!está!adaptado!para!redes!sem! fios,! particularmente! devido! ao! tempo! de! acesso! ao! meio! e! à! perda! de! pacotes! –! com! consequências! negativas! no! seu! desempenho.! Após! um! novo! período! de! pesquisa,!assumiu<se!que!havia!um!parâmetro!adicional!que!poderia!vir!a!contribuir! para!a!melhoria!da!solução!–!o!outlier!filter.!De!facto,!com!este!parâmetro!ativo,!o! offset! recebido! não! é! diretamente! enviado! para! o! controlador! PI,! passando! primeiramente!pelo!outlier!filter!que,!por!sua!vez,!irá!descartar!todos!os!offsets!fora! da! média.! Em! teoria,! assumiu<se,! portanto,! ser! possível! reduzir! a! instabilidade! do! PTP.! Assim,! os! resultados! da! nova! ronda! de! testes! foram! encorajadores,! tendo<se! obtido! uma! média! de! 10μs! e! um! Std! Dev! de! 900μs.! Apesar! dos! avanços,! os! resultados!permaneciam!ainda!insuficientes!para!a!solução!final.!

Após!todas!as!fases!de!testes!já!explicitadas,!e!considerando!os!artigos!estudados,! permanecem!questionáveis!os!valores!de!precisão!obtidos!por!aqueles.!Mesmo!com!

ethernet,!o!protocolo!deveria!ter!um!comportamento!mais!estável.!Por!esta!altura!

então! considerou<se! mais! um! elemento! potencialmente! significante! para! a! uma! maior!estabilização!do!sistema!<!o!tipo!de!ligação!que!o!RPi!usa!para!comunicar!entre!

o!cabo!ethernet,!ou!mesmo!a!placa!wireless,!e!o!System/on/a/Chip!(SoC).!O!RPi!usa! USB,! e! esta! ligação! é! conhecida! por! ser! assíncrona,! e! consequentemente! gera! atrasos!assimétricos,!para!os!quais!o!PTP!não!consegue!ter!acesso!nem!controlar.!

Admitiu<se!que!a!solução!poderia!passar!por!umas!placas!de!testes!em!que!essa! ligação! não! se! fizesse! por! USB,! mas! diretamente! ao! SoC.! Após! várias! pesquisas,! decidiu<se! que! as! WD! dual! seriam! potencialmente! a! melhor! opção,! uma! vez! que! estas!já!integram!placa!wireless!e!estão!ligadas!diretamente!ao!SoC.!

Uma!vez!adquiridas!as!placas,!recomeçou<se!todo!o!processo!de!configuração!dos! RPi,!ou!seja,!a!instalação!do!sistema!operativo.!Foi!usada!a!imagem!oficial!do!site,! tratando<se! de! um! ubuntu! 12.04.!De! seguida! foi! instalado! o! PTP,! tendo<o! definido! como!um!serviço.!Após!a!devida!configuração,!procedeu<se!a!nova!ronda!de!testes.!

Inicialmente! os! testes! foram! realizados! com! ethernet,! e! no! ficheiro! de! configuração!foram!colocadas!as!mesmas!configurações!a!partir!das!quais!se!tinha! obtido!o!melhor!resultado!nos!RPi.!O!primeiro!teste!foi!animador,!com!as!mesmas! configurações!chegou<se!a!valores!de!média!de!3μs!e!um!Std/Dev!de!5μs,!conforme! valores!na!tabela!abaixo!!<Tabela!3<2.! ! ! Para!se!ter!uma!visão!mais!precisa!da!diferença!entre!o!RPi!e!a!WD,!foi!gerado! um!gráfico!com!o!offset!dos!dois!dispositivos!durante!20!minutos.!Esse!gráfico!pode! ser!visto!na!Figura!3<4.!Os!valores!devolvidos!são!aceitáveis!para!a!qualidade!de!um! sistema!de!Hi<Fi,!ainda!assim!estamos!a!falar!de!ligação!ethernet.!

! Min! Max! Mean! Std!Dev!

TESTE!1! <0,006716460! 0,024599299! <0,000002308! 0,001750371! TESTE!2! <0,326106722! 0,110865500! <0,017336072! 0,073747759! TESTE!3! <0,000876855! 0,000591698! <0,000008223! 0,000240991! TESTE!4! <0,004397504! 0,020920230! 0,000123424! 0,001574564! TESTE!5! <0,000029910! 0,000117500! 0,000003349! 0,000005634! Tabela!3E2!Testes!precisão!PTP!ethernet!e!WiFi!

! Figura!3E4!Precisão!Wandboard!vs!RPi! ! ! Figura!3E5!Precisão!Wandboard!vs!RPi!wireless! Partiu<se!posteriormente!para!o!teste!para!redes!sem!fios!–!o!qual!não!devolveu! os!resultados!esperados.!Apesar!de!no!cenário!em!ethernet!os!resultados!terem!sido! encorajadores,!comparando!com!os!RPi,!nos!testes!wireless,!deu<se!precisamente!o! contrário.!De!facto,!os!RPi!conseguiram!melhores!resultados!que!as!WDs,!conforme! !0,002% !0,0015% !0,001% !0,0005% 0% 0,0005% 0,001% 0,0015% 0,002% Temp o&( s) & Offset&RPi&vs&Wandboard&ethernet& Rpi% Wandboard% !0,1% 0% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4% 0,5% 0,6% Temp o&( s) & Offset&Wandboard&vs&RPi&wireless&& Wandboard% RPi%

disposto!na!Figura!3<5,!mas!o!cenário!aparentemente!não!fazia!sentido!dado!que!as! WDs!não!estão!sujeitas!ao!atraso!do!USB.!

Perante!os!resultados!alcançados!foram!identificadas!e!aprofundadas!possíveis! soluções.!Desde!logo!considerou<se!a!instalação!de!um!novo!kernel,!na!medida!em! que!o!kernel!da!imagem!oficial!das!WDs!era!diferente!das!usadas!no!RPi,!!assim!como! um! Debian/ Root/ file/ system.! Sendo! teoricamente! uma! tarefa! simples! a! realidade! provou<se!diferente.!Após!a!instalação!do!kernel!limpo!e!um!root/file/system!baseado! em!debian,!a!placa!Wi<Fi!não!funcionava.!Tal!deveu<se!ao!facto!dos!drivers!da!placa! Wi<Fi!não!virem!instalados!por!defeito!no!kernel.!Foram!precisas!muitas!tentativas! para!conseguir!o!seu!correto!funcionamento,!uma!vez!que!os!drivers!fornecidos!pelo! site! oficial! da! placa,! tinham! os! pinos! de! saída! definidos! de! maneira! diferente! da! forma!como!estavam!soldados!na!placa.!Após!uma!instalação!e!a!configurações!bem< sucedidas,!foi!possível!prosseguir!para!a!fase!de!testes.!!

O!primeiro!teste!mostrou!melhorias!em!relação!ao!antigo!kernel/firmware.!Na! Figura! 3<6! pode! ver<se! essa! diferença.! Não! obstante! as! melhorias,! a! precisão! continua!a!ser!pior!que!os!RPi.! ! ! Figura!3E6!Precisão!PTP!wireless!antigo!firmware!vs!novo!firmware! !0,1% 0% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4% 0,5% 0,6% Temp o&( s) & Offset&Wandboard&original&firmware&vs&new&firmware&& Wandboard_original_firmware% Wandboard_new_firmware%

Considerando! que! até! o! mais! recente! firmware! em! nada! contribuiu! para! a! melhoria! de! resultados! em! relação! aos! primeiros! testes! realizados! com! os! RPi,! decidiu<se!fazer!um!último!teste.!Este!consistiu!na!troca!das!pens!Wi<Fi!que!estavam! aplicadas! nos! RPi,! e! aplicá<las! nas! WDs.! Os! resultados! foram! esclarecedores! e! comprovaram! que! o! firmware! da! placa! wireless! integrada! da! WDs! ainda! não! está! suficientemente! estável,! uma! vez! que! os! resultados! foram! idênticos! aos! RPi.! Chegado!a!este!ponto!pensou<se!em!melhorar!o!firmware!das!placas!Wi<Fi!das!WDs,! mas! seria! uma! tarefa! exaustiva! ao! qual! afastava<se! um! pouco! do! objectivo! da! solução!final.!

Atualmente!seria!impossível!obter!uma!sincronização!sem!fios!suficientemente! baixa!para!que!pudesse!ser!implementada!uma!solução!que,!com!um!simples!trigger! começasse! a! reprodução! do! áudio.! Em! consequência,! repensou<se! a! forma! como! tratar!a!reprodução!em!cada!uma!das!colunas.!

Admitiu<se! que! em! vez! de! manter! uma! sincronização! de! relógios! poderia! ser! apenas!aplicada!uma!monitorização.!Mais!adiante,!os!valores!de!offset!gerados!pela! monitorização! seriam! usados! para! atrasar! ou! adiantar! temporalmente! o! início! da! reprodução!do!áudio.!

3.3 Desfasamento!relógio!hardware!!

No! próximo! passo! foi! feito! o! estudo! da! possibilidade! do! relógio! máquina! se! puder!atrasar!ou!adiantar!ao!longo!do!tempo.!Recorde<se!que!o!relógio!máquina!não! pode! ser! ajustado! uma! vez! que! é! uma! parte! física! das! placas.! Adicionalmente,! é! influenciado! com! a! temperatura! humidade! etc.! Este! relógio! influencia! também! os! resultados!obtidos!nos!testes!de!PTP,!sendo!que!o!relógio!que!é!ajustado!no!PTP!é! um!relógio!de!software.!!

Esse! relógio! vai! influenciar! o! áudio! ao! longo! do! tempo! e! não! no! momento! do! início!de!reprodução,!ou!seja,!no!início!da!reprodução!pode<se!ajustar!a!reprodução! com! base! nos! valores! de! offset! gerados! pelo! PTP,! mas! ao! longo! da! reprodução! os! relógios!máquina!poderão!atrasar!ou!adiantar!e!será!difícil!poder!ajustar!esse!offset.!