声频系统的数字化和网络化发展.doc

声频系统的数字化和网络化发展浅谈音频媒体矩阵在扩声广播系统中的运用音响是人们日常生活中的重要组成部分，无论人们进行什么社会活动，如集会游行，娱乐活动，朝圣祭拜，社交活动，招待宴会，开创事业等，都需要通过音响倾听或获得诸多信息。目前，世界上不少音响公司在音响产品开发研制方面做了大量工作，生产出了许多技术先进工艺精湛控制灵活管理方便功能完善操作简易的音响设备。其中音频矩阵（Audio Matrix）或矩阵处理系统即属于这一类产品，其通过灵活多变设计精巧的控制软件与功能强大准确可靠的数字信号处理器（DSP）硬件相接合，并运用电脑或各种遥控设备实行网络传输和网络控制。音频矩阵现已广泛运用于会议系统娱乐场所购物中心家庭影院主题公园以及各类体育比赛场馆等。音频矩阵产品主要为美国Symetrix公司美国Peavey公司英国BSS公司日本Sony公司等公司生产。尽管有些产品名称不同，设计的硬件与软件上存在差异，设备功能不尽相同，实现的效果也不大一样，但是，它们却反映出当前科技发展的创新水平。专业音频系统数字化近期发展有两个特点：一、一体化数字系统处理器逐步取代传统的均衡器压缩器延时器等一大堆分立的处理设备。由于当代电子技术高度发展，人们把这种技术植入到音响系统中，使音响系统得到长足进步，运用功能强大的数码信号处理器（DSP），为声频信号的采样传输美化及修饰提供非并行的灵活处理。原先靠专用的硬件设备难以实现的许多处理方案在DSP里变得容易构成和控制，能将多功能场地音响系统根据实际需要进行调配组合。完全不同的音响系统使用方案可用遥控器上的按键或计算机键盘及鼠标即可调出，予以实现。如在音响系统设计方面或应用方面需增加新的功能，通过软件升级即可实现。另外，声源选择房间组合音量控制，功能变更等实现了自适应遥控，同时可以支持及兼容AMX工业标准和Creston控制系统。如想要制作出声源优先选择哑音控制动态均衡，多区域分区广播寻呼及基本逻辑判断等功能，则可使用基本逻辑动态控制模块来实现。二：数字网络声频设备的应用。上面我们谈到的数字声频系统确实具有许多优点，但由于传声器音箱等设备仍属于模拟设备，而模拟信号的传输损耗和电磁干扰无法避免。对于中小型扩声系统，由于传声器和功放与调音台，处理设备之间的距离较近，只要在工艺上采取一定措施，即有可能将其不良影响减至很小。但对于大型的扩声系统，如大型厅堂剧院大型体育场馆大型商场和主题公园的扩声及广播系统，模拟信号的远距离传输所带来的缺陷就成为了严重的问题。例如可容纳万人以上的大型会堂或剧场，主席台（舞台）上设置的数量众多的传声器，需要铺设十多条乃至数十条声频屏蔽电缆，把微弱的传声器信号远距离传送到声控室的调音台，线路长度动辄数十米甚至上百米；与此同时，为了驱动数量庞大的主音箱中置音箱返听音箱拉声音箱及环绕音箱所需的大批大功率放大器，通常都安装在舞台旁的设备间（尽量靠近音箱以减小功率传输损耗），同样需要铺设十多条甚至数十条声频电缆连接到音控室，将低电平模拟信号进行远距离传输。大型体育场馆分散布置的数十台音箱和功放，与控制室之间的距离就更加遥远。对这类线路的敷设安装工艺复杂，费时费工，且易出差错，还要避开强电灯光等干扰源。即使下足功夫，仍难以完全解决传输损耗特别是电磁干扰带来的危害。为解决以上问题，目前最新的发展动向是把近年获得飞速发展的计算机网络技术引入声频技术领域，开发出了由声频数字传输网络组成的扩声系统。利用信息传输网络来传输数据文字图像视频和音频信号在通信和计算机领域中早被人们广泛应用。然而，在扩声系统工程中长期以来仍然以传输模拟信号的声频电缆为声频信号传输的主要方式。其原因就在于声频数字传输，特别是未压缩的高保真的数字声频的网络传输有其特殊的要求。在普通互联网中，只要网络处于空闲状态，网络中的每一个网络节点均可随时发送信息。如果两个或两个以上的网络节点同时发送信息，某一节点就要等待网络空闲时才能传送信息。在这种应用中，合理的反应时间即信息从传送点到接收点的时间不会造成什么问题，其结果不外乎是打印时间或发送邮件的时间晚一点而已。但对声频信号，特别是多路声频信号的发送和接收就不能容忍这样的延迟了。普通互联网中不确定的延迟将可能产生短脉冲，引起信号丢失噪声以及其他令人讨厌的杂声，因此需要一种能满足声频信号传输要求的专用网络。网络声频系统的核心技术是能满足声频信号在网络中传输和分配的专用声频网络，该网络应该由一个为业内厂商公认的声频网络协议包括支持该协议的硬件和软件所组成。并且在网络声频系统中，各种声频单元设备，如音源设备声频处理器调音台功率放大器等均应能适用于上述的专用声频网络，支持该网络的专用通信传输协议。近年来，许多家专业公司已推出这方面的解决方案，并且已在一些工程中得到成功的应用。如德国的Vadis法国的Digigram和美国的CobraNet等。其中美国的Peak Audio 网络技术公司的CobraNet 开发较早，加上其具有良好的支持声频传输能力，且经济实用程序简洁，因而吸引越来越多的公司加入，被越来越多的声频设备厂商和传输机构认可，正在上升为新的公认的国际标准之一。CobraNet完全兼容当前发展的以太网（EtherNet）。网络声频的数据流，可以通过双绞线以太网10BASE-T标准格式和快速以太网100BAST-T标准格式的方式入网传输。CobraNet完全支持兼容IEEE802.31IEEE802.3U国际通信标准和ISO/IEC8802-3和TCP/IP（传输控制协议/网络协议）。目前国际上支持Cobra Net网络协议传输标准并取得Peak Audio公司认证的负载终端设备制造公司有：Bi-ampCrest AudioCrownEAWEVSymetrixYamahaTOACreative AudioPeavyPeak Audio 等。支持Cobra Net网络传输标准的网络设备制造公司有：3ComCiscoD.LinkHP等。下面我们仅以CobraNet来简单介绍媒体矩阵。大家知道，以前，一套音响系统的设计，首先要在纸上设计多种方案，然后要根据经济承受能力去选择相对较为合适的方案，之后订购设备和购买线材设备，接着在机架上进行安装、连接和调试，一整套音频系统才算完成。一切都完毕后，一旦想要修改设计或重新组成系统时，将要重复上面所有的工作，这是一件既消耗体力，又浪费时间的事情。可是媒体矩阵的出现，使上述的这些过程成为历史，并且能够简单、方便、迅速的实现音响设计者的所有愿望和构思。媒体矩阵就是将传统音响器材中的调音台、配线器、均衡器、分频器、延时器、混响器、激励器、分配器、压缩限幅器、扩张器、噪声门、解码器、电平表、信号发生器、测试仪等众多设备都用媒体矩阵系统（软件+硬件）来取代，也就是说除了音源、功放和音箱，所有的中间和周周边设备都可以用媒体矩阵来代替，它实现的是对声音信号进行所有的处理的功能。系统设计师只需要通过计算机屏幕和鼠标采用Windows视窗系统中简单的菜单式的操作，把音响系统里所需的设备从软件设备库内调出，并用鼠标将音响设备接线连接，于是一个错综复杂的音响系统就在瞬间生成了，整个音响系统的设计只需要设计者用鼠标来完成。而且可以立即调试整个系统，使其马上投入使用。所完成的音响系统可以作为Windows的文件在磁盘中保存，以便随时调出使用。这使得音响系统的设计非常方便快捷。由于媒体矩阵的出现，现在，当要设计一套音响系统时，你不需要设计很多方案，因为你可以在媒体矩阵软件里任意创造和修改你的设计；你也没必要为经济原因对设备的限制而烦恼，因为只需要一套媒体矩阵系统就可以实现你所需的所有的高技术指标的设备，对硬件的投资是一次性的，一般情况下不需要再增加其他设备；你也不需要为购买大量设备奔波，因为你可以在媒体矩阵软件里用鼠标任意增加或减少所需设备；你也不用为需要大量线材而头疼，因为你只需要用鼠标将虚拟的设备用线连接起来，就好像实际当中用插头将他们连接起来一样。一切都完成以后，当你对你的设计不满意或者你的设计需要进行改变的时候，那更是轻而易举的事了，你只需要在软件中进行删除添加或修改，再重新用鼠标进行连接，也就相应的改变了整个系统，当然，你还可以再调用以前的设计。这不难看到，媒体矩阵的确给音响设计者带来了方便。以下为本人为丽江市祥和综合行政办公区数字会议系统设计的Biamp数字媒体矩阵系统图：由图可见本数字音频矩阵包含了众多的音频处理设备。媒体矩阵的功能不仅仅如此，以上所说的只是它的基本功能，它还能实现很多更强大的功能，比如以使“声音”在以太网上传输，实现远程控制功能和第三方控制功能等等，这在以往任何音响系统都是难以想象的，也是不可能实现的。媒体矩阵的硬件设备建造起了整个系统的框架，软件则是这个框架的灵魂。媒体矩阵处理音频的核心是存在于主机内部的DPU 引擎，它实现各种信号的处理；使模拟音频信号能够数字化处理的关键是数模转换设备，它实现各种信号的转换；为音频信号实现实时网上传输的是CobraNet。它实现音频信号的网络传输；令硬件和媒体矩阵工作成为现实的是媒体矩阵软件系统，它实现的是系统的设计和控制；将远程控制应用于媒体矩阵的是各种网络协议的支持；它实现的是远程控制操作；媒体矩阵提供了各种端口和额外的功能，这些都使它远远超过了一般音响系统所具备的功能。 媒体矩阵的硬件包括处理主机和音频接口箱。主机为媒体矩阵提供一个对信号进行操作和处理的环境；接口箱就是音频的输入输出接口，也就是能够进行A/D、D/A 的数模转换的设备。媒体矩阵通过这两种设备来完成对模拟和数字音频信号的一切处理。在设备的数据库中存有各种不同种类的自动调音台、信号路由器、自动反馈抑制器、自动语音播放器、逻辑门、信号显示器、数字式可调整参数均衡器和图示均衡器、2 分频至多分频的分频器、延时器、激励器、压缩限幅器、扩展器、噪声门、高、低音处理器、变调器、接线分配器、信号发生器、测试仪等超过几百种音频信号处理器，这些处理器通过软件将它们集成在一部主机之中。也就是说，一部主机可以代替上百种音频处理器。让我们想象一下，如果你要将十几乃至几十个音频周边处理设备连接到系统当中，光是它的信号线就能把你弄得头昏眼花，何况还要再去调试，而媒体矩阵的出现，使你只需要将主机和数模转换器安装在机柜内，便可以轻松而简单的实现所有你想要的功能。系统通过接口箱把音频信号转化成数字信号，以便可以在主机内部实现对音频信号的处理，处理后的信号再通过接口箱转化成模拟信号，以便输出。媒体矩阵的硬件系统完成了从音源输出到功放输入之间的所有声音处理。媒体矩阵技术是一项在以太网上传输多路音频信号的先进技术，它利用高速100BASE的以太网来传输信号。在以太网上，由于数据的冲突，使得音频数据无法实时的传递，而媒体矩阵技术在以太网上建立了协议，消除了数据冲突，并且这个协议也被越来越多的公司应用于硬件产品。媒体矩阵的网络连接： 由于媒体矩阵主机和音频接口箱只能和网络交换机连接，通过网络交换机来互相传送音频信号。这就使声音的异地传输成为了可能。我们可以通过各种网络的联系，使音频信号从一个网络上路由到另一个网络，实现远距离传输。由上图我们可以看到，在第一地并不需要媒体矩阵主机，只要将音频输入接口和音频输出接口连接到网络交换机上就可以通过网络输入和输出声音了，在第二地将媒体矩阵主机也一同连接到网络交换机上，整个系统的声音（包括第一地）都是由这个主机进行处理，对媒体矩阵的设置和控制，可以在第三地进行。由此看来，媒体矩阵主机、音频输入输出接口和设置控制的PC 机只要通过网络交换机连接到以太网，那么都可以任意的搭配形成完整系统，实现不同的功能。在第一地与第二地之间和第三地与第二地之间使用了光纤，这可以大大减少远距离传输带来的损耗，同时具有很强的抗干扰性。两个网络交换机也可用网线连接。另外，从音频接口与交换机的连接，媒体矩阵主机与交换机的连接，我们可以看到，音频接口与交换机之间的连接，媒体矩阵主机与交换机之间的连接，为了增加它们之间的传输距离，都可以在媒体转换器的基础上用光纤进行连接。媒体转换器就相当于一个接口转换器。媒体矩阵与网络的连接实现了很多功能。例如，通过一幢办公楼的局域网，可以使每个人在自己的办公室里就能开一个全体大会；或者通过校园的局域网，可以实现校园广播、紧急广播、区域广播等。以下两个简单例子为媒体矩阵在音响工程中的应用。一数字声频扩声系统由上图可见，我们可用5类双绞线代替传统的模拟音频电缆，一条5类双绞线即可传输几十个通道的未经压缩的24bit/48kHz的数字信号，在长度不超过100m的情况下，不会发生比特率削减或其他质量问题，且具有很强的抗干扰能力。更长的距离如2公里，则可采用光缆传输。至于特大型的扩声系统，如主题公园体育场馆大型演艺活动，需要数十个声道将不同的节目信号在纵横数千米至十多千米的广阔范围内，分别传输到多个不同地点或区域，可能还需要具备“分区控制”和“矩阵切换”等特殊功能。对于这一类复杂问题，利用以太网局域网的成熟技术都可以一一解决。如整个系统都采用数字化设备，则还可以对系统设备进行实时工作状态监测，以保证系统的正常运行，同时对部分故障设备进行热备份和更换。可见，网络声频系统在大型扩声系统中有着非常特殊的优势，而其发展的快慢主要受制于其较高的成本和对设计安装调试及操作人员素质有较苛刻的要求，因此，在一些中小型扩声系统中可能暂时不会有太广泛的应用。预计在两个领域应会取得较快的发展，一是智能化