網絡化數字調音臺系統及其傳輸應用

陶建新，周建國，高茂水，花衛華

（1. 華匯音響顧問有限公司，北京 100022；2. 上海舞臺技術研究所，上海 200032）

1 概述

近年來，隨著信息處理技術的飛速發展，在音頻擴聲領域中，網絡化、數字化浪潮也已經從周邊處理器、功率放大器逐步發展到調音臺這個系統核心部分。目前，為了更好地扮演系統核心的角色，大型數字調音臺不再只是簡單的音頻處理混合和路由調配設備，而是大都作為整個音頻系統的大型多通道調度分配核心矩陣，并實現多種數字格式、協議之間的相互轉換，還可以進行遠距離多通道的信號傳輸，同時具備更強大的周邊設備處理功能。

在當前的技術條件下，大量設備可以直接通過局域網、光纖網組成網絡化音頻擴聲系統，而數字調音臺內置各種處理模塊，并具有網絡接口，音頻網絡內的所有信號可直接輸入調音臺，真正實現了調音的核心功能。

2 數字化音頻系統的優勢

2.1 模擬音頻信號存在的問題

音頻系統中，模擬信號是與原始信號完全對應且連續變化的不規則信號，在傳輸、處理、存儲等方面都容易出現一定的問題，尤其是在遠程傳輸時，信號損失和電磁干擾將無法避免。模擬信號常會產生下列問題：

（1）信號經長距離有線或者無線傳輸時，易受強電、燈光控制硅箱、空調系統、變壓器或其他輻射等干擾源干擾，從而使信噪比變小、失真加大；

（2）音頻信號存儲載體的信號動態范圍只有50 dB～75 dB，遠低于節目源的最大信號動態范圍（120 dB）；

（3）在信號編輯和變換中（節目編輯、轉錄和延時效果處理等），隨著變換次數的增加，音質會迅速惡化；

（4）模擬信號不支持多通道傳輸，同時為保證傳輸質量，對線徑也有一定要求。因此，大型音頻擴聲系統在前期施工及后期維護管理的工作量大，且效率較低。

對于大型的擴聲系統，模擬信號遠距離傳輸所帶來的問題就成為嚴重的缺陷。這類系統線路的敷設安裝工藝復雜，費時費工，易出差錯，還要避開強電、燈光設備等干擾源。所以，解決模擬音頻系統傳輸中的問題，是數字音頻發展的主要動力和目標之一。

2.2 數字化音頻信號的優點

（1）數字編碼信號的振幅變化僅為高電平/低電平（1/0）兩個狀態，因此，非常適宜于各種媒介的存儲和傳輸。其信號的動態范圍取決于采樣頻率和量化位數，易于實現大于90 dB的動態范圍。目前做得最好的模擬系統，其動態范圍不超過85 dB；

（2）數字音頻信號的信息量包含在脈沖序列的變化中，而這種序列的變化相對易于識別。雖然數字音頻信號傳輸時也會由于各種原因產生噪聲，但其只造成脈沖幅度和幅寬的變化，通過對編碼脈沖的補償、糾錯等處理，可相對容易地去除噪聲。因此，數字音頻信號的信噪比極高，聲音純真清晰；

（3）數字音頻信號可以進行反復錄制、編輯和變換，而不會加大音頻信號的失真；

（4）數字信號便于加工處理和控制，在音頻周邊設備中獲得了廣泛的應用。

3 數字調音臺的特點

隨著數字調音臺技術的迅速發展，近幾年在音頻行業中顯露出較強的優勢。除處理功能全面而強大、操作靈活和擴展方便等優點之外，數字調音臺還有以下特點：

（1）高信噪比

系統全數字化處理，減少了離散處理設備之間數模/模數轉換中的信號損失和本底噪聲疊加。

（2）模塊化結構提高了物理穩定性

系統各模塊（主控系統、中心處理系統、通道接口等）相對獨立，通常具備獨立的熱備份冗余電源和獨立的冗余處理電路。因此，數字調音臺的物理穩定性高于帶熱備份冗余電源的模擬調音臺。

（3）資源共享，提高了系統安全性和靈活性

調音臺內部DSP處理芯片單元模塊實現了資源共享，支持熱拔插，相互熱備份。一塊DSP模塊出現問題時，其他DSP模塊可以自動代替工作，并具備自診斷功能，隨時提醒用戶是哪個區域、哪個模塊出現問題，并可隨時解決。同時，數字調音臺的操控界面（控制按鍵及物理推子）與音頻物理通路沒有直接關系，每一個物理通路接口可以任意分配到任意物理推子。物理推子出現任何故障時，可隨時調換到其他推子進行音頻處理。

（4）強大的處理功能提高了使用操作的便利性

場景快照（SNAPSHOT）、控制編組（CONTROLGROUPS）、啞音編組（MUTEGROUPS）、通道鏈接（LINK）、自動混錄（AUTOMATION）、環繞聲像搖桿（PAN）及通道全處理（均衡EQ、壓限LIM/COMP、延時DELAY、聲像PAN）等功能給調音師的操作帶來了極大的便利。

總之，音頻擴聲系統以及直播、錄制系統選用數字調音臺，一方面可以使控制功能更加強大和集成化，同時也可以大大提高音頻擴聲系統與直播錄制系統的安全性、穩定性、靈活性及操作便捷性。

4 數字調音臺的網絡傳輸形式

通過網絡技術，數字調音臺可以組成網絡音頻系統，從而在完成傳統意義上的音頻制作任務之外，還可實現音頻信號的遠距離傳輸、數據共享等其他功能。傳輸形式主要包括基于以太網和基于分布式光纖網兩種傳輸形式。

4.1 基于以太網的傳輸形式

基于以太網的數字音頻傳輸技術是專業音頻行業的一個技術焦點，其不依賴于控制系統而獨立存在。不僅解決了多線路問題，還解決了遠距離傳輸、數據備份、自動冗余等一系列在模擬傳輸時代無法解決的問題。

目前比較成熟的以太網音頻傳輸技術主要有CobraNet和EtherSound技術，這兩種技術出現較早，技術特點也各有千秋。在此基礎上，Audinate于2003年推出了Dante這種融合了很多新技術的數字音頻傳輸技術。

基于上述傳輸技術的成熟度，目前很多專業音頻設備生產廠家可以提供兼容上述技術的設備，如英國的DIGICO SD系列數字調音臺。英國DIGICO調音臺利用Dante技術專利提供的一個簡化的、自配置的即插即用標準的高速網絡系統，通過一個千兆交換機就可以組網，調音臺直接在網絡環境中收取并處理數據包，并以相同的數據包返回網絡中供其他調音臺和設備使用。在這個過程中，調音臺全部的信號接線設置可以使用一一對應的通道名稱完成整個路由分配過程，這大大減輕了斷點設備的配置復雜性，完成了信號傳輸、共享工作。

4.2 基于分布式光纖網的傳輸形式

基于FDDI（光纖分布式數據接口）的數字傳輸網絡，使用多路復用技術進行傳輸。由于光速非常快，數據在網絡中的傳輸延時可忽略不計，信號的總體延時僅為A/D（模/數）、D/A（數/模）的轉換時間，而這個時間是固定的。

劇場、演播廳等的音頻擴聲系統設計應通過技術比較選用網絡拓撲結構。目前FDDI組網形式主要有環型（見圖1）和星型（見圖2），究竟采用哪種組網形式，應根據具體工程項目情況和主要設備選型而定。

圖1 環型拓撲結構

圖2 星型拓撲結構

采用環型拓撲結構比星型結構節約線纜，系統布線費用相對較低，實現節點間的環型結構也較為容易。為保證信號傳輸線路的可靠性，一般建議采用雙路布線，當兩個節點之間單條線路故障時，系統及時切換到備份線路，不影響系統的正常運行。上述英國DIGICO調音臺是基于MADI的大型光纖系統，能以雙環的形式組網，傳輸系統安全、強大。

5 網絡化數字調音臺在劇場和演播廳的應用

網絡化數字調音臺所具有的眾多技術優勢和廣闊的市場應用前景，使各專業廠商越來越重視對其的研發，也為業內提供了很多各具特色的品牌和產品系列，如德國的STAGETEC和LAWO、英國的MIDAS和DIGICO、瑞士的STUDER等。這些調音臺已經越來越多地應用于世界各地的劇場以及廣電中心等眾多場所。以下筆者僅以DIGICO為例，對其在類似場所的應用進行簡單介紹。

現代化大型劇場音頻擴聲系統中通常會設置多個調音位，個別演出可能還需要進行電視錄像或轉播，拾音器信號不能只送到主控機房，而需要進行多通道、多位置的信號分配。通過數字音頻網絡可以輕松解決信號遠程傳輸以及信號共享問題，給調音和制作帶來了極大的便利性和可擴展性。

5.1 大型劇場音頻信號傳輸系統的設計

在大型劇場中，為了提高系統信號的傳輸質量及可靠性，設計中主要考慮兩個方面：

（1）在聲控室、功放機房、媒體中心、調音位、舞臺基站之前全部采用光纖傳輸，全部音頻流程節點共同形成一個網絡；

（2）數字調音臺之間應可以實現信號共享，非常方便。

5.2 大型劇場DIGICO SD系列數字調音臺設備布置

在DIGICO SD系列光纖網絡中，共設置了3個光纖基站（不含本地MADI基站）和3個獨立的音控機房（見圖3）。數字調音臺可直接設置信號的接口分配，使所有的調音臺共享接口箱的輸入，并可獨立控制，同時，所有接口箱的輸出也可分配到任何一個調音臺，且調音臺之間可以實現56個通道路由的分配。此外，整個DIGICO光纖網絡可以容納14個光纖基站（不包含本地MADI基站）、10個調音臺或5個主備調音臺系統，在采樣頻率為96 kHz時候，網絡同時容納448路輸入和448路輸出。

實際應用中，可按劇場的實際情況，分別設計多個主要功能用房或點位，包括：聲控室、媒體服務中心、制作中心、錄音中心、現場調音位、舞臺信號交換機房及功放室等，各功能位置均有基站，各基站均配置光纖接口，滿足各功能位置使用的需要。

綜上所述，使用網絡化數字調音臺技術可以給用戶帶來以下好處：

（1）信號資源的共享以及可以統一調配的資源，減少不必要的重復工作；

（2）遠距離傳輸中音頻信號的一致性和高保真特點；

（3）降低了勞動強度，提高工作效率；

（4）可以監控系統中音頻信號的狀態，方便快捷。