数字音频扩声系统的发展趋势与体验式技术路线

周其麟

（深圳市宝业恒实业发展有限公司，广东 深圳 518000）

当今数字技术发展日新月异，数字技术应用中以系统观点整合产品成为未来产业升级和可持续发展的重要方向。本文力求使音频技术从业者在应用中建立系统概念，以应对当前和未来的挑战。

1 建立“数字音频系统”概念

数字音频系统的定义是：以数字技术为核心的产品组成的音频系统。从用途上分为数字存储系统、数字录音合成与编辑系统、数字录音播出与监审系统、数字扩声系统、数字消防和公共广播系统、数字电视音频系统等。本文主要阐述数字音频扩声系统。组成音频系统的数字核心技术有DSP处理技术、数字通信传输技术（网络技术）、自动化控制技术和数字放大技术（当前应用最为广泛的是D类放大技术）、高频开关电源技术（涉及微波测量和控制技术）等。在音频电声还原技术中，超声波技术和音频相位控制技术也正在进入音响行业中。

1.1 数字音频扩声系统的构成

数字音频系统由输入A/D、DSP处理、存储和传输、输出D/A构成，见图1。

1.2 数字网络传输的基本结构

从传输距离看，模拟系统的传输有限性被数字传输的无限性取代，在概念表达上可以称为“云”，指可以传输的内容。在数字系统解决方案中的表述方式为平台，即由传输网络和平台软件共同组成了数字音频系统的基础，见图2。

输入节点或模块的选择是多样的。数字混音技术和芯片技术已经完全在部件和芯片级上解决了数字听感和采样速率，根据专业扩声需要和标准，全数字调音台解决方案可以涵盖最大输入要求并能联机扩展，并根据从业人员的使用习惯任意选配。需要指出的是，绝大部分从业人员的使用习惯目前仍然是模拟调音台，因此，满足用户体验的设计在未来变得相当重要。

图1 数字音频扩声系统的基本结构框图

输出节点和模块的选择也是多样的。在未来发展中，环境噪声的控制逐渐成为城市管理的强制要求，声源设计中将常用到分散扩声，这也使数字音频扩声系统的流行成为必然。基于数字音频扩声系统的传输特点，输出节点将主要采用有源节点。

一直以来，有源音箱基本上都是使用内置的模拟功放，其与生俱来的低效率、高耗能、高热量、可靠性差和体积笨重等缺点，与社会发展和节能、环保、低碳的消费需求极不适应。随着D类放大技术和网络音频技术的飞速发展，内置D类功放模块和网络传输、处理模块的有源音箱将成为市场主流，彻底改变模拟功放有源音箱的工作方式，突出体现智能、轻便、节能、保真度高和可靠性高等特点。

以C-MARK K系列网络有源音箱为例，这类音箱同时带有模拟音频输入接口和数字音频传输接口，采用网络传输协议与外部连接，真正做到了只用一根网线解决所有问题。可直接与网络音频系统连接，不但可以输出音频，同时还具备DSP处理功能，可以实时监测温度、音量、电压等，在中英文控制软件界面里随时显示上述信息。这类音箱的另一个功能就是可实现无线网络控制，方便使用者对整个音响系统的搭建与控制，增强了系统的灵活性。网络数字功放与传统音箱的完美结合，使网络数字有源音箱成为音响发展的必然趋势。

1.3 数字音频扩声系统的特性

数字音频扩声系统的特性由传输特点、输入的用户体验方式、输出环境要求及强制限定要求所决定。具体如下：

（1）开放交互性：数字传输网络的网内开放性和互联性，使得点对点与点对多点的传输简单明了，软件的使用习惯与系统的架构表示易于理解。设计的要点和功能的预留在结构完成后，主要取决于设备的选用和设计师对数字结构的理解。极大地发挥了人的主观能动性，使得系统开放交互性突出。

（2）抗扰安全性：数字扩声设备的设计具有实时信号转切功能，这是可靠性的保障，其传输的是数据流，这使抗扰性极大提高，组网节点设计的可控性以及平台软件的定制性，使数字系统具有模拟系统无可比拟的安全性。

（3）主动体验性：数字系统功能设计完成前的创意沟通，可以提高用户和客户的体验，功能模拟可以在任意计算机上进行，功能设计可以存储于DSP处理器，使用时只需一键调用，同时，在需要创意场合可以随时提前改变设置并重新定义系统结构。

（4）节能节约性：数字系统的输出设备选用D类放大器或由D类放大器组成的有源音箱，可提高使用的能效，因其传输特性的线材选用5类或6类网线，远距离传输选用光缆，耗材大幅下降，节能节约性显著。

数字音频系统的特性决定了系统集成的简便性，它改变了以往总线控制设计的方法，使得设计中的功能与系统布线的关联减小。也就是说，可以将数字音频系统当作设计平台，简化了集成的工作，摆脱了总线设计的自动化专业知识要求。

1.4 数字音频扩声系统的优势

以太网络的发展使得交换机的选取简单化，综合布线的设计能力决定了数字音频系统的传输能力，只需要适当选择数字音频传输器和DSP处理器，就可以组建数字音频系统。简言之，简单就是最大的优势。

2 数字音频系统集成案例

2.1 案例概述

将数字音频系统当作设计平台时，扩声系统将变得简单易行。参看图2设计实例。

（1）技术目标：

交互式多媒体控制系统主要完成AV系统中的控制、传输、处理、存储等几方面的工作，把以前系统设计中的有线（限）变成无线（限），由以前的分网异步传输整合成同网同步传输，真正实现多媒体和网络音频同步传输及处理。在应用层面上，由以前的分散管理变成集中管理，基于B/S网络架构平台，由以前的专用平台控制或单一平台，转换成多平台进行控制。

（2）开发内容：

整个系统采用模块化、分布式的组成方式，系统可分为：多媒体编码器（含软件编码器）、多媒体解码器、网络型音频处理器、网络型控制界面、交互式控制面板（屏）、MICS（Media Image Cruise System）服务器、环境控制接口机和多媒体信息存储服务器。

（3）开发工作：

① 多媒体输入编码接口机

② 电脑端软件编码器

③ 多媒体解码接口机

④ 多媒体网络服务器功能要求

基于B/S架构进行网络管理；可作为网络播放机；可同时支持5路多媒体信号，1路立体声音频，并能以文件形式进行保存，可以对网络上任意编码器端的信号进行录制；在网络服务器上设有硬盘存储器和数据交换接口（USB），能与外部存储设备交换文件；

⑤ 系统软件

针对系统使用特点，把系统软件规划为以下几类：MICS多媒体影像漫游系统服务器软件，系统编程软件，系统控制软件，PC端解码器软件和多媒体存储管理软件。

系统编程软件可实现对当前所有的音频、视频以及其他控制设备进行模块化设计，将所有的设备抽象成一个个功能组件。在该控制软件中用户可以根据系统的实际配置情况选择需要的组件，并根据指定连接方式完成所需系统的后台逻辑构建。用户可以对这些组件之间的连接方式、连接逻辑进行修改。同时这个系统创建和修改的过程是可视化的，使用简单方便。

用户控制界面是提供给用户对系统进行控制的人机界面，该控制界面是由系统编程软件根据配置自动生成。

2.2 系统编程软件 UI设计及功能设计

系统编程软件分为两个部分：后台逻辑设计部分和前台控制界面设计。在软件的左边有一个Tab页面分别是“拓扑结构”和“控制界面”。

当系统设计者点击“拓扑结构”页面的时候，左边控件栏中显示了当前系统支持的所有硬件设备。用户通过鼠标拖拽相应的设备到中间的主绘图区，就会显示一个设备控件。该控件有许多引脚，每一个引脚的功能都是事先定义和封装好的。用户通过多次拖拽即可建立起一个系统逻辑图，如图3所示。

用户设计好系统逻辑拓扑图后，可对用户界面进行配置，点击Tab页面中的“控制界面”标签即可显示如图4所示的界面。在该界面的左边是当前系统设备列表。在设备列表中显示的所有设备都是在系统逻辑界面中添加的设备。中间部分是主视图区，在该区域可以导入由使用方提供的真实场景布局图片。用户控制界面是在该实景图的基础上进行配置的，用户可以根据场景内实物摆放位置，将左边设备栏中的设备控件直接拖放到指定的位置。

在本例中，会议室的正前方是一个投影屏，把TV的图标拖拽到投影屏的地方，完成位置摆放后还可以通过调整图标的大小来确定响应区域。在软件的右边是属性栏，显示的是当前选中控件的位置参数。最后一个参数是“显示图标”，其功能是拖放到用户控制界面上的图标可以显示出来，也可以隐藏起来。

图2 扩声系统组成图示

图3 系统逻辑控制软件逻辑设计界面

图4 用户控制界面示意图

图5 用户控制界面

图6 TV控制界面

图7 用户界面

图8 卫星天线控制界面

2.3 用户控制软件

本系统采用B/S架构来实现，用户登录后可看到前面设计好的控制界面，如图5所示。在这个界面中用户用鼠标点击实景图中正前方的投影屏就可以弹出如图6所示的TV控制对话框。 当用户点击如图7所示的用户界面的虚线框内时，就会弹出如图8所示的卫星天线控制界面。同样，当用户点击控制界面中DVD或AV Receiver图标时也会弹出相应的控制界面。

2.4 系统控制板卡需求分析

（1）整体设计

该板卡主要分为核心控制模块和接口模块，所有的程序控制和主要芯片均在核心控制模块，所有的接口、接口芯片和电源部分全部在通讯模块。二者之间通过数字接口和模拟接口实现连接。数字接口主要包括通用IO接口、SPI接口、IIC接口、UART接口，模拟接口主要包括AD和DA接口，保证了两个主要模块的独立性。

（2）核心模块设计

为了保证运行的可靠性，核心模块至少采用四层板设计，同时核心模块元件采用双面放置，以提高核心模块的元件密度，缩小核心模块的面积。模块包括主CPU、RAM、FLASH、时钟、以太网控制器等主要芯片。

（3）接口模块设计

考虑到接口的种类和数量较多，接口板的面积较大，接口板采用两层板设计。模块包括电源芯片、接口芯片、端口防护芯片和多种接口。主要接口包括RJ-45、RS-485、RS-232、红外、继电器、TTL。

通过数字音频系统的阐述以及应用案例的分析，可以预见数字音频系统在扩声应用中的再创作和用户体验是未来的发展方向。