基于IP网络数字音频广播系统的数字喇叭设计-毕业设计

摘要计算机技术和网络技术的飞速发展，给传统的音频处理和传输领域带来了极大的冲击。在音频处理领域，数字音频处理逐渐地取代专业音频领域长期以来一直沿袭着的模拟音频处理方式，数字音频处理已成为专业音频领域的一种发展趋势。在音频传输领域，数字音频网络技术的诞生，解决了传统音频传输网络中诸如不便于管理，布线复杂，难以自动切换等缺点。本文结合数字音频信号处理和数字音频网络两种新兴技术，提出了基于IP网络的数字音频广播系统的数字喇叭的解决方案。主要阐述了网络数字音频系统结构，其中重点论述网络音频装置子系统以及音频网络微控制器和数字扬声器系统的硬件和软件设计。关键词：网络，广播系统，音频装置，数字扬声器本设计（论文）题目来源于教师的企业委托科研项目，项目编号为：企2007006。AbstractThedevelopmentofcomputerandnetworkshasbroughtgreatimpactonthetraditionalaudioprocessingandtransmission.Digitalaudiosignalprocessgraduallytakestheplaceoftheanalogaudiosignalprocessandturnintomainstream.Becausethetraditionalaudiotransmittingnetworkhasshortcomingssuchashardtobemanaged,complicatedfabric,hardtorealizeauto-switching,thedigitalnetworkswillbethefutureoftheaudionetworkswithnodoubt.Thisarticlecombinesthedigitalaudiosignalprocessingandthedigitalaudionetwork,proposesthesolutionofdigitalloudspeakerofdigitalaudiobroadcastsystembasedontheIPnetwork.Thisarticlemainlyexpoundednetworkdigitalaudiosystem,whichfocusesonnetworkaudiodevicessubsystemsandthehardwareandsoftwaredesignofAudioNetworkmicrocontrolleranddigitalloudspeakersystem.Keyword:Network,BroadcastSystem,AudioDevice,DigitalLoudspeaker目录1绪论 11.1本课题的研究目的和意义 11.2数字音频处理技术的发展现状 21.3数字网络音频系统和数字音频处理器 41.3.1数字音频网络传输技术的产生 41.3.2数字网络公共广播系统的特点和优势 51.3.3数字音频处理器 82数字音频处理 122.1数字信号处理的基本概念 122.2数字音频信号的处理流程及关键技术 122.2.1数字音频信号的处理流程 122.2.2数字音频所涉及的关键技术 132.3数字音频信号处理设备 143网络数字音频系统设计 203.1网络型音频有线扩音（PA）系统的建立 203.1.1常用或传统的（PA）系统 203.1.2网络型有线扩音（PA）系统 203.2基于IP网的网络数字音频系统结构 233.3主控服务器子系统 253.4网络音频装置子系统 273.4.1网络音频装置子系统的设计 273.4.2网络音频装置的硬件设计 283.4.3网络音频装置的软件设计 293.5网络扬声器系统 303.5.1网络扬声器系统综览 303.5.2网络扬声器硬件部分 313.5.3网络扬声器软件部分 333.5.4网络扬声器系统的二次开发 363.6数字音频网络的多种应用 363.6.1关于以太网供电 363.6.2文本到语音 363.6.3娱乐级音频 373.6.4网络门 37总结 39参考文献 40致谢 411绪论计算机技术和网络技术的飞速发展给传统的音频处理和传输领域带来了极大的冲击。数字音频处理和数字音频网络传输技术已成为专业音频领域的两个主要发展方向。本文首先介绍了本课题研究的目的和意义，阐述网络数字音频处理技术和网络音频处理器以及数字网络音频系统的发展现状和应用前景。然后介绍了数字音频的处理过程最后阐述了网络数字音频系统结构，其中重点论述网络音频装置子系统、网络音频终端框架以及网络微控制器和数字扩音系统的硬件和软件设计。1.1本课题的研究目的和意义音频的网络传输是近年出现在音频传输领域的一项新技术，数字音频网络传输系统是数字音频技术与计算机技术的结合。由于传声器、音箱和功放等模拟设备的存在，模拟信号在传输中损失和电磁干扰是无法避免的。尤其在大型的音频系统，比如大型体育场馆的音频系统，模拟信号远距离传输所带来的损失已经构成十分严重的问题。在众多的音频模拟设备之间需要敷设数目巨大且距离很长的音频屏蔽电缆。这些电缆铺设非常的复杂，很难解决电磁干扰和传输损耗的各种问题。近年来，随着网络技术的飞速发展，网络不仅已经渗透到现代生活的各个角落，它所能传递的信息包罗万象，广泛用于音频、视频、灯光控制、保安监控、演出进程控制等众多领域。网络技术被引入到音频技术领域，开发出出音频数字化传输网络，能够很好的解决上述电磁干扰和传输损耗等问题，音频数字化传输网络最关键的地方就是把低电平、多通道、长距离的模拟信号传输转换为数字信号传输。数字音频网络克服了模拟系统的众多局限性。在模拟音频系统中，音频信号通常按照专用的路径运行，第一个音频轨道都要与一条音频电缆相连。在多房间和长距离的安装过程中，音频设备往往通过矩阵交换、分布式放大器和接线板连接在一起。对音频内容的管理和监控，以及对系统设备的控制也需要附加硬件设备和电缆。而且在模拟系统中，系统的重新配置是一个复杂而耗时的过程。如果系统安装完成后出现任何问题，往往需要繁复的检查和重新连接电缆。所有这些无疑都将增加成本。用数字音频网络技术来传输能带来众多的好处，比如在一根电缆上能传输多路信号、系统组织可以非常灵活、系统的冗余安全性和容错方案很容易实现、可随时对信号的路由进行动态调整以及可以实时监控系统中任意信号的善等等。在一个音频网络中，一根5类双绞线（办公室中使用的普通网线）或者一根光缆可以取代模拟系统中无数根音频电缆，而且网线中还可以增加遥控和监控信息。由于网络系统中实际需要铺设的线缆大大减少，线槽的尺寸也可以随之减小，线缆铺设所花费的人工和时间也就大大减少和降低。另外由于光缆对于各种电磁干扰和射频干扰具有天生的免疫特性，所以整个系统的调试和维护也变得更为简便。总而言之，数字音频网络可以更低的价格提供更大程度的可靠性和灵活性。因而对网络数字音频广播系统的研究具有很强的实用性和前瞻性。随着现代建筑的不断建设，尤其是机场、商场、商务楼、车站等大型公共场所的不断涌现和更新，其中的背景音乐等广播系统变得愈来愈必不可少。基于IP网的音频广播系统有着巨大的市场和极其广泛的应用领域，本文提出了通过IP网传送音频广播信号的模型，使广播系统完全实现数字化的音频广播。重点论述网络音频装置子系统以及网络音频终端框架。1.2数字音频处理技术的发展现状随着计算机技术的发展，特别是海量存储设备和大容量内存在PC机上的实现，对音频信号进行数字化处理便成为可能。数字化处理的核心是对音频信息进行采样，然后对采集到的数据进行处理。在过去的二十年几中，数字音频处理技术己经取得了长足的进步。但是大多数的“数字系统”并没有完全达到数字化，实际上大多部分音频系统的处理都仍在模拟领域进行。在模拟音频技术中，对音频信号的处理手段和方法直接影响到模拟音频系统的回放质量。数字音频处理的核心是对音频信息进行采样，并使用二进制序列存放，通过对采集到的数据进行处理，达到滤波处理的目的。微软公司主席比尔·盖茨在2005年初拉斯维加斯国际消费电子展（CES）上曾表示，目前数字音频的增长速度可以与上世纪八十年代PC业发展速度相比，他甚至预测到2010年人类所有的音频内容都将实现数字化。随着家用和便携式音频处理器如DVD音频唱盘、MP3多媒体播放器、助听器等对音质、体积、功耗和处理速度的要求越来越苛刻，数字音频处理技术已经逐渐取代模拟音频处理技术，并且得到了迅速的普及和发展。数字音频处理即使被复制无数次，数字音频信号绝对不会出现任何信号丢失或发生变化的情况。数字音频技术是通过将声波波形转换成一连串的二进制的数据来保存声音的。实现这个步骤主要依靠模/数转换器（ADC，AnalogtoDigitalConverter），它每隔一个时间间隔不停地间断性地在模拟音频的波形上采集一个幅度值，这一过程我们称之为采样。而每个采样所获得的数据与该时间点的声波信号相对应，它称之为采样样本。将一连串样本连接起来，就可以描述一段声波了，而每秒钟对声波采样的次数我们称之为采样频率，单位是Hz（赫兹）。对于每一个采样，系统会分配一定的储存位数（bit数）来表达声波的振幅状态，称之为采样精度，这一过程也可称之为量化。采样精度越高，声音被还原的就越细腻。数字音频是经过采样和量化后得到的。时间上的离散叫采样，幅度上的离散叫量化。随后按一定的格式将离散的数字信号记录下来，并在数据的前、后加上同步和纠错等控制信号，即完成了转化工作。音频处理技术的数字化是利用数字滤波算法对采集到的音频信号进行变换处理来实现的。传统的数字滤波器算法采用乘法和累加（MAC）结构，需要进行多次的乘法和加法运算。由于乘法器庞大的结构，占用了芯片的大部分面积，消耗了大部分功率。所以在数字滤波器的设计中，如何有效的提高运算速度，减小系统体积，降低系统功率是一个关键的问题。计算机技术和网络技术的飞速发展给传统的音频处理和传输领域带来了极大的冲击。数字音频处理技术和数字音频网络传输技术已成为专业音频领域的两个主要发展方向。由两者结合的产物——网络数字音频广播系统是由下层数字音频控制器（即“网络数字喇叭”）和上层的数字广播服务中心两部分组成。上下层之间的信息通过以太网传输。网络音频处理器是近些年刚兴起的新型音频处理设备，是伴随着数字音频网络传输技术而产生的，是数字音频处理器（数字调音台）技术和数字音频网络传输技术结合的产物。网络数字音频处理器的特点是它的结构设计采用了硬件与软件相结合的模式。这是音频技术与计算机技术相互结合、共同发展的成果。在音频系统安装高度阶段，将一台微机与处理器的通信接口相连接，通过专用控制软件的运行，即可把处理器所具备的均衡、滤波、压缩、分频等各种模块，按照设计要求放置到屏幕上，组成需要设计的一个完整系统。在PC机上调校各个功能模块的相关参数，如电子分频器的分频点和衰减率，参数均衡器的中心频率和提升量以及调音台面板各键的位置等，都可以实现“可视化”的调整。整个系统调校完毕即可脱离计算机独立运行，而所有的设置和参数都不会被无关人员随意变更或丢失，从而确保整个长期稳定和可靠运行。目前的有些网络音频处理器可以全部代替传统专业扩音系统中几乎所有信号处理设备，包括图示均衡器、参量均衡器、效果处理器、陷波器、延时器、压缩器、限幅器、分频器以及扬声器系统控制器调音台的功能。1.3数字网络音频系统和数字音频处理器1.3.1数字音频网络传输技术的产生专业音频系统数字化近期发展有两个热点：一是数字系统处理器正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。二是数字网络系统的应用。音频的网络传输是近几年在音频传输领域的一项新技术，数字音频网络传输系统是数字音频技术与计算机网络技术的结合。数字音频系统确已具备许多优点，但由于传声器、音箱和功放仍属于模拟设备，而模拟信号的传输损失和电磁干扰无法避免。对于中、小型扩音系统，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。但对于大型的扩音系统，如大型厅堂、剧院、大型体育场馆和主题公园的扩音系统，模拟信号远距离传输所带来的缺陷就成为严重的问题。例如一间可容万人心目的大型会堂或剧场，讲台（舞台）上设置数量众多的传声器，需要敷设10多条甚至数十条音频屏蔽电缆，把微弱的传声器信号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、反送音箱和环绕声音条所需的大批功率放大器，通常都安装在舞台旁的设备间（尽是靠近音箱以减小功率传输损耗），同样需要10多条数十条音频电缆连接到声控室，将低电平模拟信号进行远距离传输。大型体育场分散布置的数十台音箱和功放，与控制室之间的距离更加遥远。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。为了上述问题，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音频技术领域，开发出由音频数字传输网络组成的扩音系统。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，在扩音系统工程中长期以来仍然以传输模拟信号的音频电缆作为音频信号传输的主要方式。其原因就在于音频数字，特别是不压缩的、高保真的数字音频的网络传输有其特殊的要求。数字IP网络广播系统采用当今世界广泛使用的TCP/IP网络技术，将音频信号以IP包协议形式在局域网和广域网上进行传送，彻底解决了传统广播系统存在的音质不佳，维护管理复杂，互动性能差等问题。该系统设备使用简单，安装扩展方便――只需将数字广播终端接入计算机网络即可构成功能强大的数字化广播系统。1.3.2数字网络公共广播系统的特点和优势数字网络公共广播系统采用IPAudio™技术，将音频信号以标准IP包形式在局域网和广域网上进行传送，是一套纯数字网络传输的双向音频扩声系统。彻底解决了传统广播系统存在的音质不佳，维护管理复杂，缺乏互动性等问题。该系统设备使用简单，安装扩展方便，只需将数字音频终端接入计算机网络即可构成功能强大的数字化广播系统，每个接入点无需单独布线，真正实现计算机网络、数字视频监控、公共广播的多网合一。1、IP网络广播系统的特点IP网络广播系统是完全不同于传统广播系统、调频寻址广播系统和数控广播系统的产品。由于建立在IP网络通用平台上，并融入世邦多项自有知识产权的数字音频技术，多方面体现了其与生俱来的优越性：功能方面：可独立控制每个终端播放不同的内容（如：局域网内200个终端同时播放200路节目）。不仅能够完全实现传统广播系统的功能（如：定时打铃、分区播放、消防报警等），而且还具备终端自由点播、终端间双向对讲等功能；传输方面：音频传输距离无限延伸，可运行在跨网关的局域网和Internet网上，支持大范围的重要型应用，从主校区到分校区集中控制广播，从公司总部到各个当地分部的同声广播，实现快速、可靠的信息沟通。音质方面：终端输出音质接近CD级（44.1K，16bit），频响20-16khz，满足对声音质量要求较高的场合，如中考、高考、大学四六级考试听力播放，及教室里的日常外语听力训练，每个发音都可以清晰可辨，不再为含混不清的声音所困扰。可靠性方面：服务器（Windows操作系统）与主控制器（嵌入式操作系统）提供双重保险，如一方故障，另一方可接管所有终端，确保整套系统基本功能正常运行；主控机与终端均采用工业级芯片，全天24小时工作，且完全不受病毒侵扰；传统广播的不稳定因素取决传输线路的质量，IP网络广播借助于成熟的以太网络硬件，每个终端相当于联入网络的简易PC，无需额外的维护。产品应用范围：大中小学、高速公路、宾馆大厦、商业连锁店、大中型企业IP（InternetProtocol）是TCP/IP中的网络层协议。IP协议提供了统一的IP数据包格式，以消除各通信子网的差异，用来给各种不同的通信子网或局域网提供一个互连平台。将广播的音频信号进行数字编码，并通过网络传输IP数据包，再由终端解码还原为音频信号的系统，称为数字IP网络广播系统。采用这种工作方式，可以实现多网合一，跨越局域网和广域网。借助强大的IP网络平台，广播系统迎来了新的飞跃！2、IP网络广播系统的功能（1）系统基于IP网络，遵循TCP/IP协议一线多用，充分利用IP网络资源，避免重复架设线路，有以太网接口的地方就可以接数字广播终端，真正实现广播、计算机网络的多网合一。（2）任意选择寻呼通过IP网络寻呼话筒或网上的任意一台计算机，能指定全部、局部或单个终端，实现广播寻呼。工作站软件还支持跨越Internet的远程寻呼。（3）实时采播将外接音频（卡座、CD、收音机、话筒等）接入音频服务器实时压缩成高音质数据流，并通过IP网络发送广播数据，安装在不同厂房的数字广播终端可实时接收并通过音箱进行播放。（4）定时播音数字广播终端具有独立IP地址，可以单独接收服务器的个性化定时播放节目。广播员将需要使用的音频素材存储在服务器硬盘上，并编制播放计划，系统将按任务计划实现全自动播出。（5）多路分区播音系统可设定任意多个组播放制定的音频节目，或对任意指定的区域进行广播讲话；服务软件可远程控制每台终端的播放内容（划定区域播放）和音量等。（6）双向对讲寻呼话筒与终端之间，终端与终端之间可以实现双向对讲功能。用于日常联络和应急通讯。（注：部分型号终端支持对讲，客户可根据需要自由选择）（7）功放电源控制数字广播终端可以根据语音信号的有无，自动切换功放的电源，避免功放24小时长时间工作。（8）消防联动系统接入消防报警信号，实现消防联动，并支持邻层报警。终端带强切功能。（9）音频素材制作实现数字素材的录制、转换和剪辑。系统服务器可存储数千小时以上的音乐节目。（10）其他辅助功能节目监听，可设任意终端作为监听器，监听其他终端的节目广播内容。3、传统广播系统存在的问题（1）技术落后，兼容性、扩展性不佳现有广播基本都是采用模拟传输，人工管理的工作方式，系统易受环境干扰，多路广播时容易产生串音。无法实现数字格式（MP3）音频文件在终端直接播放，无法与IP网络连接，以真正实现音源数字化、播放管理自动化。（2）音质差、功能单一目前广播设备只能用于本区内的背景音乐、广播通知等活动，无法满足厂房远程统一广播的需要，无法做到公司管理人员向所有厂房同时讲话。（3）安装复杂、维护不便、故障率高由于定压有线广播是严格按照阻抗与功率匹配的原则进行配置，往往因一台变压器或音箱故障而烧坏功放，影响整个广播。（4）可管理性差、无法进行远程控制由于只能以专用播放设备（磁带、唱片、CD机等）和储存了MP3文件的计算机作为音源，需要专人在专门地点管理广播内容，因此无法使用现代技术对广播音源进行有效管理，更无法进行远程播放控制，不利于广播系统的灵活应用，造成资源浪费。4、数字IP网络广播系统的优势（1）更强的功能纯数字广播系统，涵盖了传统广播系统的所有功能。并充分利用了广域网资源，可随时随地获取网络上的音频资源。由于每个终端有独立的IP地址，因而可以控制任意一个终端播放不同的节目（2）更好的音质由于采用了网络传输技术，使音频信号无传输干扰及失真。采用了MP3压缩算法占用网络带宽低（8k-128k）又能保证音质保真度，经测试采用44.1khz，16bit采样128kbps速率压缩通频带（线路输出）

20-16khz，失真度≤3%（3）更简单的安装安装简单。只要各厂房具备以下2个条件：1）有ADSL拨号上网；2）有交流220V插座和标准以太网络接入RJ45插座；1.3.3数字音频处理器声频电子技术正逐步进入全面数字时代，但在声频技术不同领域的各个分支，数字化的步伐并不一致。专业声频领域的两大分支——录音系统和扩声系统相比，录音系统的数字化进程明处于领先位置。20世纪80年代，人们已经在CD盘上看到了从AAD，ADD到DDD等标志的变化，深刻地感受到录音技术数字化快速发展的步伐AAD代表模拟录音机录音，模拟技术混音/剪辑，数字技术制版；而DDD则代表从录音、混音、剪辑到制版全部采用数字技术。究其原因，首先是得益于数字化信号源和数字化记录设备的迅速发展。从70年代后期开始CD，DAT和MD的应用，以及数字化电声乐器和MIDI技术的发展。加上多声道数字录音设备、数字信号处理设备和数字调音台等，组成以计算机音频工作站为核心的数字化录音系统。从而使得电台、电视台和音像制品公司的录音师们，纷纷丢开传统的以开盘多轨磁带录音机为典型标志的模拟录音设备，转而在计算机音频工作站，进行可视化（图形化）的录音和编辑工作。近年随着网络技术的发展，许多电台、电视台通过音频工作站联网，更实现了“录播一体”、“资源共享”的网络化、“无带化”自动播出功能。可以认为，现代录音系统除了传声器、监听扬声器和功放之外，逐步向数字化过渡。相比之下，以剧场、礼堂、会议厅和体育场馆等为代表的专业扩声系统，其数字化发展进程则相对要缓慢一些。这里有多方面的原因，其中的重要原因之一是真正意义上的（不是指内部另加A/D，D/A转换）数字化电声转换设备——数字传声器、数字扬声器等器件至今尚未取得技术上的突破。而专业扩声系统的关键设备——大容量大瓦数功率放大器的数字化也是举步维艰。另一方面则是由于现场扩声系统操作上要求的即时性、不可停顿和不可重复性等特殊要求（这和录音师在录音棚的操作特点迥然不同），使得音响师们对采用选单运行、鼠标操作的数字调音台和计算机音频工作站等新的调控操作模式迟迟不易接受，这一点在中国似乎更突出些。随着计算机技术和网络技术的飞速发展，深刻影响并大大加快了声频扩声技术数字化发展的步伐，同时也促进了声频技术领域的人员素质提高和观念转变。其中“数字音频信号处理设备”和“数字音频网络传输系统”是近年扩声系统数字化进程中两个引人注目的热点。1、扩声系统数字化的发展进程从技术发展的角度来观察，可以把专业扩声系统数字化的发展进程分成不同的阶段或层次。（1）单台设备数字化最早的阶段是单台设备的数字化，起步于70年代。其中包括信号源的数字化（CD，DAT，MD，MIDI，到近年的HDR，HDCD，SACD，DVDAUDIO等），信号处理设备的数字化（数字效果器、数字延时混响器、数字均衡器等）以及调音台的数字化。这种单台设备数字化的发展进程，对提高声频系统的功能、指标和操作的灵活方便等起到很大的作用。但由于整个系统的链条中间夹杂着模拟设备，因而不得不多次反复进行A/D和D/A变换，带来不必要的失真和信噪比劣化。（2）数字音频处理器最近在国内多项重大声频工程项目中都采用过这类数字音频处理器，效果良好，因而引起业内的普遍关注。下文将对其结构、特点及应用情况作一一简要论述。数字信号处理器是从20世纪80年代流行的“扬声器系统控器”（Loudspeakersystemcontroller）发展和演变而来的。扬声器系统控制器通常具有电子分频、压缩保护、补偿均衡、延时和信号分配等功能，其设计思想是来自于各个扬声器生产厂家，专门针对某些特定型号的扬声器进行搭配，组成所谓“电子控制扬声器系统”以达到“量体裁衣”的效果，使整个扬声器系统能运行于最佳状态。各种品牌型号控制器的各项主要参数虽有一定的微调范围，但基本上都只能与某些特定型号的扬声器（音箱）作固定搭配，而不是作为通用设备匹配不同型号的扬声器。扬声器系统控制器的开发取得很大成功，至今仍被广泛采用，特别在大功率、高声压级的扩声系统中用得很多，其内部电路结构也由模拟电路逐步发展为数字电路，被称为.扬声器系统数字控制器.，但其功能仍然局限于为扬声器系统配套。而近年发展起来的“数字音频处理器”，虽是从扬声器系统控制器发展演变而来，两者的结构功能有其相似之处，甚至两者的中英文名称也尚未有明确界定，因而容易混淆，但后者比前者确是一个质的飞跃。2、数字音频处理器的功能（1）“数字音频处理器”的功能并非仅为匹配扬声器系统服务，而是可以全部代替传统专业扩声系统中从调音台到功放之间那层层叠叠几乎占据整个机柜的所有信号处理设备，包括图示均衡器、参量均衡器、效果处理器、陷波器、延时器、压缩器、限幅器、分频器以及扬声器系统控制器等等，甚至包括调音台的功能，都可以由这个厚度仅为1～2个U的“黑匣子”全部取代。这就是这个名称的含义。此外，一些专门为公共广播系统设计的智能化、集成化设备，如迪士普DSPPA公司开发的智能化公共广播控制中心，由一台仅为4～5个U的小匣子取代了传统的装满2m机柜的全套设备，当亦属于这种“”的发展范畴。（2）它的设计思想是作为一种通用化设备推向市场。其内部电路的各项主要技术参数都可以在一个很宽的范围内作出灵活的改变和调整，因而可以适配不同品牌、不同型号的专业声频设备——调音台、功放和音箱等。而为了使处理器能具备更广泛的适应性，其内部电路结构通常都设计成具有多个独立的信号通道，并设置有多个输入接口和输出接口（如“二入六出”或“八入八出”等）。部分较高档次的数字信号处理器更具备有“矩阵”MATRIX的功能，而生产厂家更以此作为卖点，将这类处理器起名为“媒体矩阵”（PEAVEY公司）或“声频矩阵”（Symetrix公司）。具备矩阵功能的数字信号处理器能够非常方便灵活地调整和切换各个信号通道的输入和输出接口之间的电路结构、信号流程、走向及其相互的连接关系，因而能够更广泛地适用于各种不同的场所（礼堂、剧场、影剧院、歌舞厅、体育场馆、机场车站、指挥中心、政府机构、主题公园、会议中心和多功能厅堂等），不同的类型（会议系统、演出系统、寻呼系统、电影还音系统和消防广播、背景音响系统等）以及不同规模（大、中、小）的扩声系统。（3）也是最关键的特点是“数字音频处理器”的结构设计采用了硬件与软件相结合的模式（亦称为“虚拟化”或“软件化”）。如前所述，这是声频技术与计算机技术相互结合、共同发展的成果。在声频系统安装调试阶段，将一台PC机与处理器的通信接口相连接，通过专用控制软件的运行，即可把处理器所具备的均衡、滤波、压缩、分频等各种模块，按照设计要求放置到屏幕上，组成需要设计的一个完整系统。在PC机上调校各个功能模块的相关参数，如均衡器的中心频率和提升量，电子分频器的分频点和衰减率以及调音台面板各键的位置等，均能实现.可视化.的调整。整个系统调校完毕即可脱离计算机独立运行，而所有的设置和参数都不会被无关人员随意变更或丢失，从而确保整个系统的长期稳定和可靠运行。2数字音频处理2.1数字信号处理的基本概念数字信号处理（DigitalSignalProcessing，DSP）是从20世纪60年代以来，随着信息学科和计算机学科的调整发展而寻事发展起来的一门新兴。数字信号处理系统与模拟信号处理系统在功能上有许多相似之处，但在系统组成以及处理技术和处理方法上却有很大区别。模拟信号处理系统是由R、L、C等无源元件或放大器等有源元件组成，用来直接处理模拟信号，即对模拟信号进行滤波、变换、压缩、估计和识别处理。数字信号处理系统则是利用通用或专用的计算机，以数值计算的方法对信号进行加工。当输入为模拟信号时，还必须通过A/D转换器转换成数字信号。图1是数字信号处理系统对模拟信号进行处理的框图。连线连续模拟低通滤波器D/A转换器通用或专用计算机A/D转换器采样保持器模拟时间数字数字时间模拟低通滤波器D/A转换器通用或专用计算机A/D转换器采样保持器信号信号信号信号信号信号图1数字信号处理系统的简单框图2.2数字音频信号的处理流程及关键技术2.2.1音频信号的处理，除了A/D、D/A（包括采样、量化、编码等过程）转换过程外，还要进行一系列的处理，如图2所示。主要包括信压缩编码、纠错、附加子码、调制和附加同步信号等。调制附加子码纠错编码信源编码A/D输入调制附加子码纠错编码信源编码A/D重放记录重放记录存储媒介附加同步信号附加同步信号附加同步信号发送接收传输媒介附加同步信号发送接收D/A信源解码纠错解码 解读子码解调输出D/A信源解码纠错解码 解读子码解调图2数字音频信号的处理2.2.2从以上流程可以看出，数字音频技术涉及了相当广泛的技术领域，下面列出其中关键技术的名称。1、A/D（模拟/数字）和D/A（数字/模拟）转换对音频的质量来说，音频信号通过A/D和D/A转换后，越接近原始的模拟音质就越好。为了提高数字音频的质量，需要提高采样频率和量化精度。目前，采样频率已从44.1kHz发展到192kHz；量化比特数由16b提高到24b。近年飞得浦公司和索尼公司共同推出一种称为直接数字（DirectStreamDigital，DSD）技术，用于超级音频CD（SuperAudioCD，SACD），支持立体声和501环绕声。DSD声音频格式简化了信号流程，将模拟音频直接以2.822MHz的频率进行过采样，通过－调制和噪声整形技术以1b脉冲密度方式进行编码。2、信源压缩编码技术音频信号数字化之后所面临的一个问题是巨大的数据量给存储和传输带来的压力。例如，对于CD音质的数字音频，所用的采样频率为44.1kHz，量化精度为16b，双声道立体声时，其数码率约为1.411Mb/s（数码率＝采样频率×量化比特率×声道数），1s的CD立体声信号需要约176.4KB的存储窨。因此，为了降低传输或存储的费用，就必须对数字音频信号进行压缩。压缩编码的目的是在尽是不音质的条件下减少数据量，以使数字系统实现小型化、多媒体化也廉价化。常用的音频编码方法有：（1）子带编码（SubbandCoding）；（2）改进的离散全系统变换（ModifiedDiscreteCosineTransform，MDCT）编码；（3）自适应听觉编码（AdaptiveTransformAcousticCoding，ATRAC）；（4）自适应谱感知熵编码（AdaptiveSpectralPerceptualEntropyCoding，ASPEC）；（5）自适应掩蔽模型的通用子带综合编码和复用（MaskingPatternadaptedUniversalSubbandIntegratedCodingAndMultiplexing，MUSICAM）；（6）杜比公司的AC－3（AudioCodeNumber3）；（7）MPEG－2/4音频编码等。到目前为止，音频压缩编码技术的水平是：立体声编码数码率已降到64b/s甚至低到48Kb/s，语音编码已降到2Kb/s。3、数字信号处理技术数字信号处理就是对数字信号进行变换、压缩、滤波、估值等各种处理。数字信号处理（DSP）是音频设备的核心组成部分。数字调音台、数字音频工作站心脏对声音进行处理的数字化设备是利用DSP进行幅度、频率及延时处理，实现模拟设备中的幅度压缩/限制、音量控制、频率均衡、混响、回声、效果音处理等功能，通过数字滤波器滤除信号中的各种噪声和干扰。4、信道编码及调制技术数字信号在记录或传输过程中会产生误码，为了提高传输的可靠性或者能从光盘、磁盘等存储媒介中读出正确的数据，必须进行纠错编码，并将其码型变换成适合于信道传输的开工。在数字音频记录系统中，通常采用交叉织理德－索罗门码（CrossInterleavedReed-SolomonCode，CIRC），理德－索罗门乘积码（Reed-SolomonProductCode，RSPC）、进行纠错编码；采用8－10调制（由8b变换成10b）、EFM（EighttoFourteenModulation）调制进行码型变换。而在数字声音广播系统中，通常采用截短删余卷积码及编码正交频分复用（CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，COFDM）技术。2.3数字音频信号处理设备1、数字幅度效果处理器数字幅度效果处理器亦称为数字幅度处理器或数字动态压缩器。声频工程中常用的数字幅度效果处理器有数字压缩器、限幅器、数字扩张器和数字噪声门等。其功能和模拟压缩器、限幅器、扩张器和噪声门完全相同，只是各项技术指标要优异得多。处理原理和处理方法：处理模拟信号的幅度可利用改变放大器的输入信号幅度、改变放大器的增益、改变放大器的输出同谋或用电阻分压器等多种方法来实现。但对于编码后的数字信号，只有改变数码的“0”、“1”码序，才能使D/A变换后的模拟信号幅度变化。（1）循环移位寄存器能用来存放一组二进制的同步时序电路称为寄存器，而可以按照时钟脉冲将所寄存的数据向左或向右依次顺序移一位的寄存器即为移位寄存器。（2）累加操作两个8位二进制码相加会变更8位二进制码的“0”、“1”排序，若一个8位二进制码n次自身相加，会得到这个二进制码的2n倍数值。2、数字频率效果处理器数字频率效果处理器亦称为数字频率均衡处理器。音频工程中常用的数字频率效果处理器有：数字滤波器、数字图示均衡器、数字参量均衡器、数字实时频谱分析仪、数字变调器和数字反馈抑制器等。（1）数字滤波器图3是数字滤波器连同接口的混合系统，它的前后分别为A/D及D/A变换器。模拟输入信号e（t）变为数字信号e（k），送入数字滤波器，滤波器的转移函数Hd（z）由滤波要求确定，它能把输入信号转变成所需要的数字信号y（k），D/A变换器再将数字输出信号变换成模拟输出信号y（t）。这时输出信号y（t）与输入信号e（t）波形形状不同，其变化取决于所要求的滤波我。以上过程是用输入信号e（t）与滤波器的脉冲响应h（t）相卷积来完成的。FdHd（z）D/AA/De（t）e（k）y（k）y（tFdHd（z）D/AA/D图3数字滤波器系统在数字音频中常用有限脉冲响应数字滤波器（FIR数字滤波器）构成频率均衡。它是通过输入信号e（t）与低通滤波器的脉冲响应特性h（t）的卷积来完成的。可用硬件或软件完成两者卷积。图5-7给出利用延时器、乘法器及加法器等硬件构成的FIR数字滤波器结构图，从中可看其过程是多个样值的求和。（2）数字时间效果处理器数字时间效果处理器亦称为数字延时处理器。音频工程中常用的数字时间效果处理器有：数字延时器、数字混响器、数字变速处理器（可以把电台播放节目的时间延长或缩短，而音调不变——变速不变调）和数字变调处理器（变调不变速，常用于卡拉OK）等。数字延时器亦称为数字延迟器，其基本原理是将模拟信号转换为数字信号，采用移位寄存器或随机寄存器，把数字信号存储在存储器中直到获得所希望的延时时间以后再取出信号，从而达到将信号延时的效果。和模拟式延时器相比，模拟方式的存储时间约为150ms，超过这个数值，其信噪比将降低；而数字形式存储时间的长短几乎没有限制。图4所示为用移位寄存器的方式的数字延时器的框图。t0t0tttt数字移位寄存器低通采样低通滤波器采样器开关滤波器音频延迟信号信号输入输出图4数字延时器框图（3）数字混响器数字式混响器以房间反射声的产生原理为依据，先将信号经过A/D转换，把音频信号变为数字信号存储在移位寄存器（MOS）和随机延迟存储器（RAM）的存储单元中，经编码后的数字信号由计算机对其进行运算、处理，最后再经过D/A转换，以获得所需的各种混响声和自然效果声。采用数字式混响器对信号的电平、集团、延迟时间心脏混响信息均可自由控制，无频率畸变和染色失真现象，所以获得更为自然的混响效果，以及自然界根本无法得到的特殊音响效果，故以被称为效果器。图5所示为数字式混响器原理框图。输入的音频信号经过低通滤波器后，将有碍信号处理的高次谐波成分滤去，接着再用低频（25Hz）脉冲信号去调制，通过A/D转换器将调制后的信号编为12比特的数码送入移位寄存器（MOS）中，从而可以获得延时量。经延时后的数码信号被送入中央处理器（CPU）进行处理。处理后的数码信号，经过D/A转换器，转换为具有混响的音频信号，由衰减特性良好的低通滤波器控制输出。叠加器输出带有Σ混响效果的原声高切电路高切电路混合器数字延迟电路原声输入早期高切电路高切电路混合器数字延迟电路反射早中期扩散器Ⅰ控制小于50ms扩散器Ⅰ后期扩散器Ⅱ扩散器Ⅱ 图5数字混响器的工作原理3、数字均衡器均衡器是一种用来对频响曲线调节的音频设备，换名话说，均衡器能对不同频率的声音信号进行不同的提升或衰减国；因此，它能补偿由于各种原因造成的信号欠缺的频率成分，也能抑制频率为60～250Hz的低频交流声，也可以抑制频率为6～12kHz的调频噪声；还可以进行单调调节和音色加工。均衡器的愿意是将传输系统中不平衡的频率特性用相反的特性曲线进行频率均衡，在此基础上增加了单色加工的美化的功能。均衡器的作用主要表现在：（1）校正各种音频设备产生的频率失真，以获得平坦响应；（2）改善室内声场，改善由于房间共振特性或吸声特性不均匀而造成的传输增益（频率）失真，确保其频率特性平直；（3）抑制声反馈，提高系统传声增益，改善扩声音质；（4）提高语言清晰度和自然度；（5）在音响艺术创作中，用于刻画乐器和赏的音色个性，提高音响艺术的表现效果。运用数字滤波器技术组成的均衡器称为数字均衡器。它的特点是不仅技术性能高，而且可以方便地组成各种不同用途的均衡器，既可组成双通道或更多通道的图示均衡器，又可组成各类参数均衡器，还可与电子分频器、反馈抵制器等组合成一个多功能、多通道信号处理装置，近年来已有许多这类新产品面世。数字均衡器性能优异、功能众多、配套简单、使用灵活，是均衡器发展的一种潮流。4、数字反馈抑制器在扩声系统中如何抑制由于声反馈引起的啸叫，是一个令人头痛的不易解决的问题。多年来众使用了高指向性话筒和高指向性扬声器，调整摆位，采用移频器以及目前公认较为有效的1/3倍频程图示均衡器等多种办法，但要达到既抵制啸叫，又不破坏音质，而且调整简便等要求仍有很大距离。31段均衡器应当说效果不错，但它把20Hz～20kHz这么宽的频带只分成31段，它的带宽只有3/1oct，在实际环境中反馈频率绝不会那么巧刚好落在均衡器的中心频率点上，这样的频率就很难滤掉。无办法时就只好勉强通过用丙级滤波器（即拉下两个电位器）来衰减一个反馈频率，这样一来，过宽的滤波频带有如在音乐信号频谱上挖了一个大“洞”，必然会破坏音质，令声音发闷和失去太多的声音能量。数字反馈抑制器，属于数字式频率效果处理器的一个品种。实际上它是具有多通道处适应数字滤波器的装置。这种滤波器能在1s内自动检测反馈，自动跟踪反馈频点，在反馈频点上设定一个带宽很窄的数字滤波器，其带宽只有3/1octEQ频点带宽的1/10，从而抑制了该频点的反馈。同理，可以通过另一通道的相同电路，抑制另一频点的反馈。美国SabineFBX系列就是基于这种原理反馈抑制器，它具有多个通道，可抑制多个频点的反馈，甚至可使扩声系统的增益提高9dB。图6所示为FBX反馈抑制器滤波器与频率均衡器滤波器在抑制反馈过程中对频率信号影响的比较。图7所示为FBX自动反馈抑制器原理图。图6FBX反馈抑制器滤波器与频率均衡器滤波器性能的比较模/数转换数/模转换D/ADSP反馈中心频率检测和吸收深度控制A/DD/ADSP反馈中心频率检测和吸收深度控制A/D削波电平调节削波电平调节滤波器1滤波器2滤波器8滤波器91/5或1/10倍频程波器 旁通开关 XLRTRSTRSXLR图7自动反馈抑制器原理图3网络数字音频系统设计3.1网络型音频有线扩音（PA）系统的建立3.1.1常用或传统的（PAPA系统是用于寻呼/内部通信和扩音的系统，其扩音系统有两个主要部件，即放大器和扬声器，其组成见图1示意框图，一个放大器带4个16Ω的扬声器，PBX（Privatebranchexchange）用户交换机是把外面的电话线接到某个建筑住宅或办公室分机上，而PBX系统功能包括呼叫转移、快速拨号、内部/外部寻呼和呼叫详细记录等。公用PA系统16Ω16ΩPA放大器PBXPA放大器PBX用户交换机Z＝16Ω16Ω16Ω到X区的寻呼输出信号输入图8公用PA系统PA系统工作时，接线员用广播、寻呼形式对人员播发若干信息，如“所有工作人员请注意，正在测试火警系统”，或“主管人员请到化学品库报到”，等等。对这类系统人们常常采用传统的独立布线和基础结构的技术就可实现了。3.1.2网络型有线扩音（PA现在，如果将这个系统搬到网络上则情况会有所不同，不仅可以省掉独立的音频布线，而且还可以使系统变得更加智能。这是由于寻呼系统已与各建筑物的访问控制系统或某个网络服务器相连接，从而使接线员很方便知道某个人员所处的位置。而且，这种计算机化的网络型PA系统还能够自动重复某个消息，从而使接线员能够被解放出来去处理更多的呼叫。更为新颖的是：系统亦可以接入公司范围内的邮件系统，实现邮件到语音的转换服务；或者通过一个能够输入传呼请求的网站发布消息，而无须人工干预。那么怎样才能建立这样一种网络型PA系统呢?首先，至少需要一台运行WEB界面和电子邮件网关并带麦克风的服务器，我们称这台服务器为主控服务器（Mastercontrolserver）。下一步，需要一些扬声器模块，如DS80C400网络型微控制器、具有能够驱动扬声器的数模转换器（DAC）。这些扬声器单元的价格要求低廉，而且要求现场安装相当容易。图9展示了网络型音频PA系统架构示意图。该网络型PA系统在两座建筑物M与L之间实现网络运行，它包括7个扬声器单元和一个主控服务器；建筑物之间的网络连接采用了一个路由器（Router），而不是网桥。在本网络型PA系统中，DS80C400网络微控制器驱动扬声器单元。由于这类网络型PA系统无须很高的带宽和处理能力，因而该DS80C400控制器所具备的PC系统的处理能力和存储资源足以支撑系统运行。为此，对采样率在22.05kHz×8位的非压缩单声道音频带宽要求，足以在180Kbps以内提供优异的话音质量。而且也不用为硬件解压缩支付成本，从而大大提高了本网络型PA系统的性能价格比。整个系统由主控服务器和网络音频装置两大部分组成，主控系统至少需要1台运行WEB界面、电子邮件网关并带有传声器或相似设备的服务器。网络音频装置的数量根据需要设定，基本功能是接收主控系统通过以太网传来的信息并还原为音频信号，在设计时应充分考虑制造成本和安装的简易性。在大型的系统中，往往是由多个建筑物组成的建筑群（如校园网系统），为减少网络音频装置的设计难度，在这些建筑物之间采用路由器连接（事实上当前的网络系统基本上都通过三层交换机的路由连接，而很少采用网桥连接）。网络音频装置的设计基于成本考虑，不必具备最新PC系统的处理能力和存储资源，同时这类设备也不须很高的带宽和处理速度。采样频率在22.05kHzx8bit的非压缩单声道音频带宽下，需要180Kbps的网络传输速率，这种模式已可提供较优异的话音质量，以CD音质（44.1kHzx16bit双声道）传输时则需要1.4Mbps，此时，为减少对网络系统的传输压力，可考虑采用MP3音频压缩算法，这样所需的带宽仍可控制在180Kbps以内。对于当前10M/100M 建筑物M 主控服务器以太网建筑物L 路由器 以太网图9网络型音频PA系统架构示意图图10为该类网络型音频系统的相对带宽需求示意图。图10中所示的剖面线为网络型音频PA系统带宽区域，说明该类网络型音频系统的音频带宽只需要0.25Mbps，即使在早期的网络（半双工式）10Mbps上（见图10坐标纵轴），相对于本网络型PA系统具备5Mbps有效带宽的容量来说，那音频带宽（0.25Mbps）也仅使用了其中5％的容量。与当今的大多数以太网带宽需要100Mbps相比，显得极低，大大节省了容量。10Mbps5Mbps10Mb网络的最大可用带宽0.25Mbps用于PA设备的最大带宽图10网络型音频系统的相对带宽需求示意图基于IP网的网络数字音频系统结构新型的智能楼宇系统和校园网络系统的设计包括了数据信息交换系统、语音信息交换系统、广播系统和消防系统等多种技术的综合应用。数据和语音信息交换系统应用了较为成熟的综合布线技术，有较强的通用性和可管理性。而广播系统仍采用模拟信号的总线传输模式，在应用中有几个缺点：（1）必须独立敷设专用的音频线路，尚无通用的可遵循的标准。（2）布线缺乏灵活性，无法通过简单的管理设备改变线路的功能。（3）同一总线内的广播信息完全相同，无法实现动态分组广播或单点广播。（4）对重复信息、文本信息、邮件信息的处理均需有播音员的人工介入，智能程度差。（5）由于采用单向传输方式，系统的调试和维护需人工逐个进行。与传统方式相比，采用基于网络传输的广播系统具有以下特点：（1）以太网在传输音频信号的同时，还可同时传输控制信号，从而对系统的分组模式和重复信息、文本信息、邮件信息等进行智能化管理。如在大厦的火警广播时，为实现人群的分批疏散，应采用分层告示。传统的广播系统一般采用多组总线分别对各层进行控制的模式，增加了布线的复杂性和安装成本，而且只能实现固定分组，灵活性较差。如果采用智能化网络音频设备则可通过控制信号实现动态分组广播或单点广播，提高了系统的灵活性。对于重复信息、文本信息、邮件信息的处理则可通过计算机直接播发而不需要人工干预。（2）安装、维护便捷。基于网络传输的广播系统作为一种网络终端设备，可方便地嵌入到原有的网络系统中，从而省却线缆敷设和传输设备的安装，使安装便捷；另外，由于系统采用双向传输模式，可方便地定位故障设备的位置，使维护简便。（3）以太网系统的综合布线技术、传输模式和传输协议均有可遵循的国际标准，从而保证了系统的可靠性、灵活性、兼容性和可扩展性。（4）低成本。目前局域网和广域网都基于以太网构建，以太网设备大量应用于生产和生活，价格很低。将其引入到广播系统，则很多原有的网络设备可直接使用，不存在兼容问题，使广播系统的造价大为降低。基于网络传输的广播系统可方便地应用于已建成的以太网系统中，可采用成熟的综合布线技术和网络传输设备，便于扩展和管理，智能性较强，能动态分组或单点广播，是一种新型的智能有线广播系统。整个系统模型由主控服务器、网络主机和网络音频装置三部分组成。系统主要采用客户/服务器（Client/Server）框架结构和浏览器/服务器（Brower/Server）框架结构相结合的方式，以C/S结构来处理服务器和网络音频装置之间的数据传递，用B/S结构来处理服务器与网络主机访问之间的互动。用SQLServer2000数据库作为主要的后台服务器数据库，用以存放音乐资料和重复文字信息等（包括管理信息等）。系统的结构模型示意图如图11所示。服务器服务器网络主机局域网网络主机图11音频广播系统模型结构示意图主控系统主要负责将音频数据压缩打包，通过Socket传送到指定IP地址，接受网络主机的访问、留言，故至少需要一台带有麦克风或相似传声器设备，运行Web界面、电子邮件网关的服务器。网络音频装置是一些扬声器模块。这些模块是一些网络单元，具有能够驱动扬声器的数模转换器（DAC），以完成接收网络传来的音频信息并还原为语音输出的功能。网络主机为任何架设在网络上的主机，可通过网络访问服务器，根据权限实现查看改动节目表信息，发表留言（促使服务器自动广播留言消息）等工作。一般来说，运用到广播系统的楼宇都有一定的规模，如学校，机场等。在建筑物之间，我们可以通过路由器来连接。这也为主控服务器对网络音频装置进行组播创造了条件。3.3主控服务器子系统主控服务器子系统包括音频服务器，Web服务器和后台数据库三部分。其中音频服务器主要负责对音频数据的处理，是主控服务器中最重要的部分。由于楼宇音频广播系统具有语音实时广播，背景音乐播放，重复文本广播等功能，故对于不同的音频数据，音频服务器就可采用不同的传送方式进行网络音频传送。对于实时语音广播，音频服务器就要完成语音信号的采集、信号的压缩，以及用组播方式发送压缩数据这三项工作，并且要求这些工作是并发执行的。对于mp3音乐文件则可直接打包下载到网络音频装置端，对于一些预先录制完并存储于数据库的常用警示语等，更可将其完全下载到网络音频装置端后，按指定时间播出。音频实时广播的发送方式如图12所示： 采集第N块 采完第N块压缩第N块 采集第N＋1块 发送第N块 采完第N＋1块 压缩第N＋1块 采集第N＋2块 发送第N＋1块图12音频实时广播的发送方式图广播系统中，语音互动的实时性要求远远高于系统中的其他要素，因为音频部分如果时间稍长，就会产生很明显的断续感，以致收听者根本无法分辨语音所承载的语义从而严重影响广播质量。所以，为了达到实时的目的，音频服务器采用了边采集、边压缩的发送方式。当第N个时间片数据采样结束时，一个继续在对N+1个时间片的数据采样，一边开始对第N个时间片的数据进行压缩，并把压缩后的数据以组播方式送上网络。Web服务器作为B/S框架结构的Server，为网络主机的访问提供了服务。服务器通过响应网络主机发出的HTTP协议方式请求，根据要求向数据库发出SQL数据请求，实现了常规的