简析剧场数字音频系统的组成与发展

木槿子 · 发表于 2006-6-17 20:29:00

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　随着中国经济的快速发展、综合国力的大大提高，人民群众对精神文化的需求也越来越高，文化生活已成为普通百姓生活中不可缺少的一部分。在这种大背景下，满足精神文化需要的各种平台得到了进一步的发展。剧场自然也是其中之一，此文将介绍剧场数字音频系统组成及其传输网络。
　　一、典型剧场音频系统组成及各部分功能
　　一个典型的剧场音频系统应该包括声源、调音台、周边设备、信号处理设备、功放、音箱和传输系统等几个部分，见图1。根据剧场的特点一般也分为观众厅扩声系统、舞台返送监听系统、效果声扩声系统、控制室监听监视系统、周边电声处理辅助系统、拾音及音源播放系统。
　　
　　图1 剧场音频系统组成
　　一个大型的剧场音频系统主要包括观众厅、舞台部分的声音还原系统、控制室监听监视系统，以及音像录制和存储系统等。舞台部分包含演员表演时声音的拾取和传送，以及帮助演员把握演出效果的舞台返送监听系统。
　　音频系统一般通过设置在舞台上的话筒拾取现场各种声音，转换成电流信号，经过传输线缆送至音频系统中心控制设备：经调音台（又称混音控制台），对各种输入声源信号进行匹配、放大、混合、调音和分配控制等。
　　电声系统控制包括两方面，一方面是音质的处理，如均衡器、激励器、效果器、降噪器等，另一方面是信号的控制，如压限器、分配器、分频器、音箱处理器等。
　　周边处理设备对各种节目信号进行加工处理和润色、弥补建筑声学的缺陷、补偿电声设备性能的不足和产生特殊声音效果。
　　信号处理设备是剧场音频系统中重要的组成部分，也是系统调试的关键设备。传统的信号处理方法是把不同功能、不同用途的各种处理设备用很多专用线缆与调音台和功放等设备互联组成一个扩声系统。而现代的信号处理方法是在一台设备中采用专用高精度浮点运算的DSP处理芯片，辅之以各种高效的音频数据算法可以代替传统均衡器、激励器、效果器、降噪器等多种设备的工作。类似多个设备的功能全部集成在一个设备上，且处理前后信号都是数字化的。
　　功放顾名思义就是“功率放大器”，它的作用就是放大调音台和周边设备（信号处理设备）送来的低电平音频信号，使它的其输出功率足以驱动配接的扬声器负载。传统功放是模拟类功放，即把连续变化的音频信号（模拟信号）直接进行线性放大。现代的功放也已经向数字化网络化过渡，数字功放的过载能力远远高于模拟功放，不会产生交越失真，因为数字功放采用数字信号放大，使输出信号与输入信号相位完全一致，相移为零，因此声像定位准确。传统模拟功放中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载（扬声器）大小的影响。而数字功放内阻不超过0.2Ω（开关管的内阻加滤波器内阻），相对于负载（扬声器）的阻值（4-8Ω）完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。
　　扬声器（音箱）是一种把电能转换为声能的转换器，剧场音频系统希望还原20～20kHz范围的声音，而目前任何一种扬声器都难以满足宽频声音重放的需要。因为播放低音需要重、大、厚的纸盆振膜，而播放高音需要轻、薄的振膜，因此重放全音域的扬声器系统一般都是由高音、中音和低音三种不同类型的扬声器单元结合组成的系统。
　　一般剧场观众席区扬声器声场系统分为声桥扬声器、台框两侧扬声器、台唇扬声器、补声扬声器、效果声扬声器等。声桥扬声器通常采用左中右三组布局，台框两侧扬声器是用来覆盖观众席，拉低声像位置，让观众感觉声音不是从声桥等高位置传来的而是从舞台传来的。台唇扬声器是针对观众席前3排中央区域进行补声，并拉低声像位置。对于上层观众席对下层观众席的遮挡部分及主扬声器覆盖较差的两侧观众席区域，则需要安装补声扬声器。效果声扬声器产生一些特殊效果，如环绕效果、天空效果等。
　　考虑到剧场扩声系统通常会设置多个调音位，个别演出可能还需要进行电视录像或转播，拾音器信号不能只送到主控机房，而需要进行多通道的信号分配。通常的设计方式是在舞台附近设置一间技术用房，舞台、乐池、灯光桥等地的拾音器信号首先汇集于此，经专用分配系统分配后，再分别送至上述各调音位或电视播出专用接口。

风险投资 · 发表于 2006-6-17 20:39:00

二、剧场音频系统发展趋势及实现
　　1、音频系统数字化发展趋势
　　随着数字技术的发展和进一步的应用，大量的音频设备正逐步数字化。笔者先说明一下音频系统为何要数字化？
　　音频信号属于连续变化的不规则信号（模拟信号），这种信号在传输、存储和变换过程中常会产生下列问题：
　　a.信号经长距离有线或者无线传输后，使信/噪比变坏和失真加大；
　　b.音频信号存储载体的信号动态范围只有40～50 dB，远低于节目源的最大信号动态范围（120 dB）;
　　c.在信号编辑和变换中（节目编辑、转录和延时效果处理等）随着变换次数的增加，音质会迅速恶化；
　　d.大型音频扩声系统在后期的维护管理工作量大，且效率低。
　　数字化音频信号具有以下优点：
　　a.数字编码信号的振幅变化仅为0和1两个状态，其变化范围最多为20dB，因此非常适宜于各种媒体的存储。音频信号的动态范围仅取决于采样频率和量化的bit数，很容易实现大于90dB的动态范围，目前做得最好的模拟系统，其动态范围不超过75dB。
　　b.数字音频信号的信息量包含在脉冲序列的变化中，而不是编码脉冲的幅度宽，虽然数字音频信号传输时也会有噪声叠加在它上面，但通过对编码脉冲的削波／限幅可完全去除噪声，因此数字音频信号的信/噪比极高，声音纯真清晰。
　　c.数字音频信号可以进行反复录制、编辑和变换，而不会加大音频信号的失真。
　　d.数字信号便于加工处理和控制，因此在周边设备中获得了广泛的应用。
　　e.数字化远程通信，可以非常方便地在控制室实现对远程扬声器、功放等设备的监控。

红黄蓝 · 发表于 2006-6-17 23:48:00

　2、数字化网络传输形式
　　现代音频系统数字化网络传输形式主要包括：基于以太网的传输形式和基于分布式光纤网的传输形式。
　　2.1 基于以太网的传输形式
　　以太网基于TCP/IP传输协议，因为网路设备等多种因素可能造成信号传输存在延时，所以采用以太网技术的数字化音频系统不适用于现场演出、剧场、音乐厅等场所。
　　会议、广播、体育场馆等专业音频网络，为提升传输质量，甚至不采用TCP/IP传输协议，而越来越多地采用CobraNet传输协议，网络传输层采用OX8819协议，以数据包的形式传输。但为了“透明”地通过集线器、网桥、网关和交换机等网络设备，数据包最大不超过1500=bit，限制了网络“同时”传输的数据量，使信号传输存在一定的延时，延时为1/3~5 ms，这还未包括A/D、D/A转换的时间，延时长短随数据包的大小而变化。对于音频信号传输，不确定的延时对信号产生不确定的相位失真，1/3～5 ms的延时对lkHz信号产生的相位滞后为120°~180°。
　　2.2 基于分布式光纤网的传输形式
　　基于FDDI（光纤分布式数据接口）的数字传输网络，使用TDM（时分多路复用）式传输，由于光速（3 x108 m/s）非常快，数据在网络中的传输时间非常快，可忽略不计，信号的传输延时仅为A/D、D/A的转换时间，而这个时间是固定的。对于音频信号，固定的延时使信号产生整齐的相位滞后，对电信号处理和声音还原不会造成新的相位失真。
　　2.3 两种传输形式的比较（见表1）

　
　　表1 基于以太网和分布式光纤网传输形式的比较

lostkings · 发表于 2006-6-19 23:08:00

3、FDDI组网形式的选择

　　剧场等场所的音频系统设计应通过技术比较选用网络拓扑结构，目前FDDI组网形式主要有环型（见图2）和星型（见图3），究竟采用哪种组网形式应根据工程情况而定。下面比较二者的优缺点。

　　图2 环型拓扑结构图3星型拓扑结构

　　图3 拓扑结构符号

　　采用环型拓扑结构比星型结构节约线缆，系统布线费用相对较低。实现节点间的环型结构也较为容易。为保证信号传输线路的可靠性，一般建议采用双路布线，当两个节点之间单条线路故障时，系统及时切换到备份线路，不影响系统的正常运行。

　　当两种拓扑结构中出现一个节点故障或关机时其它节点仍然能正常运行（星型结构中心节点除外）。但同时出现两个节点故障或关机时（如图4和图5所示），环型拓扑结构整个系统将瘫痪，采用星型结构的系统剩余节点仍然能运行。

　　图4环型拓扑结构系统图5星型拓扑结构系统

　　两个节点故障或关机时两个节点故障或关机时

　　建议星型网络拓扑结构采用双中心节点设计（如图6和图7所示），这样能保证线路和中心节点的双冗余备份，系统的故障恢复能力会更强。

　　图6 单中心节点图7 双中心节点

　　中心节点故障时一个中心节点故障时

　　通过比较可以看出星型拓扑结构具有如下优点：

　　①由于星型拓朴结构所有信息都要经过中心节点来支配，所以布线、维护、管理比较容易。

　　②系统重新配置灵活，移动、增加或拆除某一节点比较方便，仅涉及所连接的设备，不影响整个系统。

　　③故障隔离检测容易。

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