王　杰， 楊程程, 楊廣權(quán), 陳鴻榮

(廣州大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院， 廣東 廣州　510006)

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某省級大劇院音樂廳數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

王杰， 楊程程, 楊廣權(quán), 陳鴻榮

(廣州大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院， 廣東 廣州510006)

以某省級大劇院音樂廳為實例進(jìn)行數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，基于設(shè)計目標(biāo)給出設(shè)計方案以及相應(yīng)設(shè)備連接和系統(tǒng)圖，并進(jìn)行產(chǎn)品選型.該設(shè)計保證實時音頻在傳輸過程中的同步和實時性，實現(xiàn)多路音頻的路由功能及數(shù)字信號處理功能，較好地達(dá)到了設(shè)計目標(biāo).

數(shù)字音頻； 音頻路由矩陣； 實時音頻； 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)因為其系統(tǒng)的靈活性、智能性已成為當(dāng)前專業(yè)音頻系統(tǒng)的主流.“某省級大劇院音樂廳”數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)項目包括音樂廳內(nèi)音頻系統(tǒng)的前期設(shè)計與優(yōu)化、設(shè)備選型，到工程的安裝、調(diào)試與投入使用等工作，并保證音樂廳的日常維護(hù).

本文首先分析目前各種數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)的技術(shù)特點,確定了某省級大劇院數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，然后采用多種先進(jìn)的數(shù)字音頻技術(shù)，如光纖或網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)字調(diào)音臺、網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計、數(shù)字信號交換分配及集中控制、功放實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化以及多重冗余設(shè)計的音視頻系統(tǒng)等，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)，并對設(shè)計方案進(jìn)行了說明和分析.

1　網(wǎng)絡(luò)數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)

目前的網(wǎng)絡(luò)音頻傳輸技術(shù)[1-5]主要有CobraNet、Dante、YAMAHA公司的mLAN，Steinberg VST System Link，EhterSound和Axia等.

表1中分析和比較了多種音頻傳輸協(xié)議的應(yīng)用特性.

數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題在于選擇合適的網(wǎng)絡(luò)形式,結(jié)合音頻信號傳輸?shù)奶攸c，采用最佳的信號傳輸方式及采用何種傳輸協(xié)議保證實時音頻在傳輸過程中的同步和實時性，實現(xiàn)多路音頻的路由功能及數(shù)字信號處理功能[6].

2　某省級大劇院音樂廳數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)

2.1設(shè)計目標(biāo)

某省級大劇院音樂廳的網(wǎng)絡(luò)音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是完成實時音頻網(wǎng)絡(luò)傳輸、路由設(shè)置、數(shù)字信號處理、狀態(tài)檢測和參數(shù)設(shè)置，保證系統(tǒng)未來可以在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，數(shù)字控制設(shè)備可以通過軟固件升級、模塊升級等方式更新?lián)Q代的一個完整的系統(tǒng).利用遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，實時掌握劇場內(nèi)分布于異處的設(shè)備的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時干預(yù)；通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸音頻信號，解決長距離輸對信號質(zhì)量的影響，降低線材投資(一根數(shù)字電纜支持幾十甚至上百路的信號傳輸)，并實現(xiàn)所有技術(shù)點位信號資源的共享，包括能兼容第三方設(shè)備的快速接入.

2.2系統(tǒng)設(shè)計和構(gòu)成

數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)傳輸形式主要有基于以太網(wǎng)[7-8]和基于分布式光纖網(wǎng)2種[9].結(jié)合某省級大劇院音樂廳實際情況，本文選用基于分布式光纖網(wǎng)的數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò).

多通道音頻路由功能的實現(xiàn)主要有中心音頻矩陣[10]和分布式音頻矩陣[3]2種，后者能實現(xiàn)更為靈活、方便和可靠的音頻傳輸和切換，基于項目需要，本文選用后者.

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)以及以上確定的傳輸形式與路由功能的實現(xiàn)形式，某省級大劇院音樂廳的數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：數(shù)字調(diào)音臺系統(tǒng)、備份系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、功率放大器系統(tǒng)、舞臺監(jiān)督系統(tǒng)，見圖1.

表1　不同音頻傳輸協(xié)議的比較

圖1　音頻傳輸系統(tǒng)

下面分別進(jìn)行各部分的設(shè)計.

數(shù)字調(diào)音臺系統(tǒng)及音頻矩陣路由是整個擴(kuò)聲系統(tǒng)的核心部分[11]，音頻矩陣的路由處理能力、系統(tǒng)冗余備份的功能直接影響擴(kuò)聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)安全性.因此，數(shù)字調(diào)音臺系統(tǒng)本身需要極高的安全穩(wěn)定性，本音樂廳采用德國STAGETEC數(shù)字調(diào)音臺系統(tǒng)1套，另外配置1套YAMAHA CL5的數(shù)字調(diào)音臺系統(tǒng)，2張調(diào)音臺可以獨立使用，也可以互為備份，可以做到一鍵無縫切換(音頻不中斷).STAGETEC數(shù)字調(diào)音臺安裝于音控室內(nèi)，也可以流動至現(xiàn)場調(diào)音位使用；YAMAHA CL5數(shù)字調(diào)音臺流動使用也可作為現(xiàn)場調(diào)音臺或監(jiān)聽調(diào)音臺，通過現(xiàn)場調(diào)音位、監(jiān)聽調(diào)音位預(yù)留的MADI接口快速連接入系統(tǒng)中，當(dāng)YAMAHA CL5數(shù)字調(diào)音臺在做應(yīng)急備份使用時，也可通過音控室、現(xiàn)場調(diào)音位、監(jiān)聽調(diào)音位的MADI接口接入系統(tǒng)中使用.STAGETEC數(shù)字調(diào)音臺和YAMAHA CL5數(shù)字調(diào)音臺的音頻矩陣路由、接口基站、控制界面均采用雙電源配置和傳輸系統(tǒng)冗余備份.其中，STAGETEC數(shù)字調(diào)音臺與中央路由及接口箱之間均通過光纖冗余傳輸信號，YAMAHA CL5數(shù)字調(diào)音臺可通過光纖、同軸等傳輸介質(zhì)接收MADI數(shù)字信號.

為了徹底的、全方位的解決音樂廳音頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性及應(yīng)急能力問題，總結(jié)國外多個知名品牌系統(tǒng)集成的成功范例，考慮各種可能出現(xiàn)的特殊情況，設(shè)計了一套全方位的系統(tǒng)備份解決方案：①系統(tǒng)的“數(shù)-數(shù)”熱備份：在系統(tǒng)連接上2張數(shù)字調(diào)音臺，分別擔(dān)任主控調(diào)音臺和備份調(diào)音臺，2臺之間通過信號傳輸系統(tǒng)相互連接、相互為熱備份.所有信號通過備份光纖輸出卡系統(tǒng)一分為二，并分別進(jìn)入主、備調(diào)音臺；實現(xiàn)在緊急情況下主、備調(diào)音臺的實時無痕切換，音頻系統(tǒng)可方便、快捷、安全、可靠的進(jìn)行正常運轉(zhuǎn).它們將通過LAWO的NOVA光纖傳輸系統(tǒng)聯(lián)結(jié)起來，構(gòu)成一個采用環(huán)狀與星型結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)，2張調(diào)音臺的音頻子系統(tǒng)既可以獨立使用，又可以實現(xiàn)相互的備份.所有的信號在進(jìn)入NOVA光纖傳輸系統(tǒng)以后，即可實現(xiàn)資源的共享，也就是音頻子系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)音臺YAMAHA CL5可通過光纖傳輸系統(tǒng)調(diào)用音頻子系統(tǒng)zirkon的音頻信號進(jìn)行調(diào)整、控制；反之亦然.②內(nèi)部“數(shù)-數(shù)”備份：在本音頻設(shè)計方案中所采用的LAWO主控調(diào)音臺基站及光纖傳輸系統(tǒng)內(nèi)部均采用冗余備份設(shè)計；處理中心的音頻處理卡、電源供應(yīng)器等實現(xiàn)在線熱備份，當(dāng)萬一某張?zhí)幚砜ú还ぷ鲿r，備份馬上投入系統(tǒng)工作；在光纖傳輸系統(tǒng)方面，采用了穩(wěn)定性最高、應(yīng)急能力最強的雙環(huán)光纖回路設(shè)計，聯(lián)接各基站、處理中心及調(diào)音臺控制面板等，在出現(xiàn)緊急情況時，如某一光纖回路不工作或受損時，系統(tǒng)將不受任何影響；在主輸出信號同樣也作了充分備份，除1個導(dǎo)播信號，還設(shè)計了2個備份導(dǎo)播信號供播控采用.

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)見圖2，戲劇廳內(nèi)配置1套千兆網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用光纖、7類網(wǎng)線及2層光纖交換機傳輸數(shù)據(jù)，通過配置12口的光纖配線架及24口網(wǎng)絡(luò)配線架改變路由，音樂廳內(nèi)的音頻、視頻、內(nèi)部通訊數(shù)據(jù)均可通過該網(wǎng)絡(luò)傳輸，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能滿足音樂廳任何數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)點傳輸至任一終端點.為了對網(wǎng)絡(luò)上的任何數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，安裝了1套磁盤陣列RAID冗余的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng).

圖2　音樂廳數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

功率放大器系統(tǒng)由KS Audio原廠配套，具有強大的DSP處理能力，具有實時查看狀態(tài)、調(diào)整參數(shù)、保存/調(diào)用場景通過遠(yuǎn)程軟件，以及對功放進(jìn)行監(jiān)測及控制等功能.所有的數(shù)字功率放大器的DSP處理器技術(shù)采用了FIRTEC DSP 有限脈沖響應(yīng)技術(shù)，見圖3.

圖3　FIRTEC DSP 有限脈沖響應(yīng)

舞臺監(jiān)督系統(tǒng)中，內(nèi)部通訊矩陣主機兼具電視轉(zhuǎn)播、錄音錄像的內(nèi)部通訊功能.內(nèi)通系統(tǒng)的矩陣主框架安裝在中央交換機房內(nèi)，內(nèi)部通訊鍵盤站布置于信號交換機房、舞臺監(jiān)督臺、聲控室、燈控室、舞臺機械控制室、電視轉(zhuǎn)播機房直播、錄音/錄像等電位、VIP單人化妝間，在排練廳、化妝區(qū)走廊通道、錄音室、舞臺接口箱、預(yù)留接口，可隨時接入導(dǎo)演的控制鍵盤站.

2.3系統(tǒng)特性分析

結(jié)合系統(tǒng)需要滿足的功能，本文設(shè)計的音頻網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)具有以下特性：

(1)整個音樂廳的數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)采用MADI信號傳輸模式，整個鏈路只需1次的AD/DA轉(zhuǎn)換，有效地減少因為多次AD/DA轉(zhuǎn)換帶來的信號衰減問題.在音控室、中央交換機房、功放室、現(xiàn)場調(diào)音位、返送調(diào)音位、柵頂接口箱的設(shè)備之間的連接全部采用光纖冗余網(wǎng)絡(luò)連接起來，極大地保證數(shù)據(jù)的安全性.

(2)所有設(shè)備的音頻信號進(jìn)出均經(jīng)過跳線盤，跳線盤的邏輯關(guān)系可自由改變，跳線盤后端采用插拔的方式；數(shù)字網(wǎng)絡(luò)配置多種接口類型，包括AES/EBU接口、模擬接口、DANTE接口、MADI接口等，且接口類型都是國際上通用的接口.

(3)功放系統(tǒng)具有AES/EBU數(shù)字信號輸入接口和模擬信號輸入接口，為系統(tǒng)的數(shù)模備份提供了平臺.功放的每個通道具有獨立的DSP處理器，并且功放系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能，包括監(jiān)控電壓、阻抗、功率、溫度等功能.還可通過遠(yuǎn)程控制實時調(diào)整功放的聲場參數(shù)，具有設(shè)置場景、編組功能.且功放采用DANTE數(shù)字信號傳輸和控制，與整個控制系統(tǒng)可以無縫接入，提高了系統(tǒng)的靈活性及啟用應(yīng)急備份的能力.

3　結(jié)　論

在當(dāng)今快速發(fā)展的數(shù)字現(xiàn)場擴(kuò)聲領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)連接能力變得越來越重要和不可或缺.本套音頻傳輸系統(tǒng)選取了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸形式以及系統(tǒng)的“數(shù)-數(shù)”熱備份，內(nèi)部“數(shù)-數(shù)”備份保證系統(tǒng)的穩(wěn)定安全；采用Dante協(xié)議和Stagetec的NEXUS數(shù)字音頻傳輸技術(shù)保證實時音頻在傳輸過程中的同步和實時性；運用了基于數(shù)字音頻傳輸技術(shù)的分布式音頻矩陣及STAGETEC數(shù)字調(diào)音臺和YAMAHA CL5數(shù)字調(diào)音臺的音頻矩陣路由、接口基站、控制界面來實現(xiàn)多路音頻的路由功能及數(shù)字信號處理功能，最終較好地完成了設(shè)計目標(biāo)，滿足了實際需求.

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【責(zé)任編輯： 周全】

Design of digital audio transmission system of concert hall of X-provincial opera house

WANG Jie, YANG Cheng-cheng, YANG Guang-quan, CHEN Hong-rong

(School of Mechanical and Electric Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

The digital audio network transmission system in a concert hall of X-provincial opera house is presented in this paper. In accordance with the design goal, the product type is selected, and the design scheme, corresponding equipment arrangement and system diagram are provided. The design can guarantee the synchronization and real-time performance during the audio transmission process, which can realize the routing function of multi-channel audio and digital signal processing.Implementation results shows the goal of the design is achieved.

digital audio; audio routing matrix; real time audio; network transmission system

2016-04-27;

2016-05-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(61302126,51275099)；廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃資助項目(Yq201403)；廣東省教育廳特色創(chuàng)新資助項目(2014KTSCX095)

王杰(1979-),女，教授,碩士生導(dǎo)師，博士. E-mail: cloudsoil@gmail.com

1671- 4229(2016)04-0057-04

TN 912.2

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