网络化数字调音台系统及其传输应用

陶建新，周建国，高茂水，花卫华

（1. 华汇音响顾问有限公司，北京 100022；2. 上海舞台技术研究所，上海 200032）

1 概述

近年来，随着信息处理技术的飞速发展，在音频扩声领域中，网络化、数字化浪潮也已经从周边处理器、功率放大器逐步发展到调音台这个系统核心部分。目前，为了更好地扮演系统核心的角色，大型数字调音台不再只是简单的音频处理混合和路由调配设备，而是大都作为整个音频系统的大型多通道调度分配核心矩阵，并实现多种数字格式、协议之间的相互转换，还可以进行远距离多通道的信号传输，同时具备更强大的周边设备处理功能。

在当前的技术条件下，大量设备可以直接通过局域网、光纤网组成网络化音频扩声系统，而数字调音台内置各种处理模块，并具有网络接口，音频网络内的所有信号可直接输入调音台，真正实现了调音的核心功能。

2 数字化音频系统的优势

2.1 模拟音频信号存在的问题

音频系统中，模拟信号是与原始信号完全对应且连续变化的不规则信号，在传输、处理、存储等方面都容易出现一定的问题，尤其是在远程传输时，信号损失和电磁干扰将无法避免。模拟信号常会产生下列问题：

（1）信号经长距离有线或者无线传输时，易受强电、灯光控制硅箱、空调系统、变压器或其他辐射等干扰源干扰，从而使信噪比变小、失真加大；

（2）音频信号存储载体的信号动态范围只有50 dB～75 dB，远低于节目源的最大信号动态范围（120 dB）；

（3）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；

（4）模拟信号不支持多通道传输，同时为保证传输质量，对线径也有一定要求。因此，大型音频扩声系统在前期施工及后期维护管理的工作量大，且效率较低。

对于大型的扩声系统，模拟信号远距离传输所带来的问题就成为严重的缺陷。这类系统线路的敷设安装工艺复杂，费时费工，易出差错，还要避开强电、灯光设备等干扰源。所以，解决模拟音频系统传输中的问题，是数字音频发展的主要动力和目标之一。

2.2 数字化音频信号的优点

（1）数字编码信号的振幅变化仅为高电平/低电平（1/0）两个状态，因此，非常适宜于各种媒介的存储和传输。其信号的动态范围取决于采样频率和量化位数，易于实现大于90 dB的动态范围。目前做得最好的模拟系统，其动态范围不超过85 dB；

（2）数字音频信号的信息量包含在脉冲序列的变化中，而这种序列的变化相对易于识别。虽然数字音频信号传输时也会由于各种原因产生噪声，但其只造成脉冲幅度和幅宽的变化，通过对编码脉冲的补偿、纠错等处理，可相对容易地去除噪声。因此，数字音频信号的信噪比极高，声音纯真清晰；

（3）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；

（4）数字信号便于加工处理和控制，在音频周边设备中获得了广泛的应用。

3 数字调音台的特点

随着数字调音台技术的迅速发展，近几年在音频行业中显露出较强的优势。除处理功能全面而强大、操作灵活和扩展方便等优点之外，数字调音台还有以下特点：

（1）高信噪比

系统全数字化处理，减少了离散处理设备之间数模/模数转换中的信号损失和本底噪声叠加。

（2）模块化结构提高了物理稳定性

系统各模块（主控系统、中心处理系统、通道接口等）相对独立，通常具备独立的热备份冗余电源和独立的冗余处理电路。因此，数字调音台的物理稳定性高于带热备份冗余电源的模拟调音台。

（3）资源共享，提高了系统安全性和灵活性

调音台内部DSP处理芯片单元模块实现了资源共享，支持热拔插，相互热备份。一块DSP模块出现问题时，其他DSP模块可以自动代替工作，并具备自诊断功能，随时提醒用户是哪个区域、哪个模块出现问题，并可随时解决。同时，数字调音台的操控界面（控制按键及物理推子）与音频物理通路没有直接关系，每一个物理通路接口可以任意分配到任意物理推子。物理推子出现任何故障时，可随时调换到其他推子进行音频处理。

（4）强大的处理功能提高了使用操作的便利性

场景快照（SNAPSHOT）、控制编组（CONTROLGROUPS）、哑音编组（MUTEGROUPS）、通道链接（LINK）、自动混录（AUTOMATION）、环绕声像摇杆（PAN）及通道全处理（均衡EQ、压限LIM/COMP、延时DELAY、声像PAN）等功能给调音师的操作带来了极大的便利。

总之，音频扩声系统以及直播、录制系统选用数字调音台，一方面可以使控制功能更加强大和集成化，同时也可以大大提高音频扩声系统与直播录制系统的安全性、稳定性、灵活性及操作便捷性。

4 数字调音台的网络传输形式

通过网络技术，数字调音台可以组成网络音频系统，从而在完成传统意义上的音频制作任务之外，还可实现音频信号的远距离传输、数据共享等其他功能。传输形式主要包括基于以太网和基于分布式光纤网两种传输形式。

4.1 基于以太网的传输形式

基于以太网的数字音频传输技术是专业音频行业的一个技术焦点，其不依赖于控制系统而独立存在。不仅解决了多线路问题，还解决了远距离传输、数据备份、自动冗余等一系列在模拟传输时代无法解决的问题。

目前比较成熟的以太网音频传输技术主要有CobraNet和EtherSound技术，这两种技术出现较早，技术特点也各有千秋。在此基础上，Audinate于2003年推出了Dante这种融合了很多新技术的数字音频传输技术。

基于上述传输技术的成熟度，目前很多专业音频设备生产厂家可以提供兼容上述技术的设备，如英国的DIGICO SD系列数字调音台。英国DIGICO调音台利用Dante技术专利提供的一个简化的、自配置的即插即用标准的高速网络系统，通过一个千兆交换机就可以组网，调音台直接在网络环境中收取并处理数据包，并以相同的数据包返回网络中供其他调音台和设备使用。在这个过程中，调音台全部的信号接线设置可以使用一一对应的通道名称完成整个路由分配过程，这大大减轻了断点设备的配置复杂性，完成了信号传输、共享工作。

4.2 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，使用多路复用技术进行传输。由于光速非常快，数据在网络中的传输延时可忽略不计，信号的总体延时仅为A/D（模/数）、D/A（数/模）的转换时间，而这个时间是固定的。

剧场、演播厅等的音频扩声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1）和星型（见图2），究竟采用哪种组网形式，应根据具体工程项目情况和主要设备选型而定。

图1 环型拓扑结构

图2 星型拓扑结构

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。上述英国DIGICO调音台是基于MADI的大型光纤系统，能以双环的形式组网，传输系统安全、强大。

5 网络化数字调音台在剧场和演播厅的应用

网络化数字调音台所具有的众多技术优势和广阔的市场应用前景，使各专业厂商越来越重视对其的研发，也为业内提供了很多各具特色的品牌和产品系列，如德国的STAGETEC和LAWO、英国的MIDAS和DIGICO、瑞士的STUDER等。这些调音台已经越来越多地应用于世界各地的剧场以及广电中心等众多场所。以下笔者仅以DIGICO为例，对其在类似场所的应用进行简单介绍。

现代化大型剧场音频扩声系统中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、多位置的信号分配。通过数字音频网络可以轻松解决信号远程传输以及信号共享问题，给调音和制作带来了极大的便利性和可扩展性。

5.1 大型剧场音频信号传输系统的设计

在大型剧场中，为了提高系统信号的传输质量及可靠性，设计中主要考虑两个方面：

（1）在声控室、功放机房、媒体中心、调音位、舞台基站之前全部采用光纤传输，全部音频流程节点共同形成一个网络；

（2）数字调音台之间应可以实现信号共享，非常方便。

5.2 大型剧场DIGICO SD系列数字调音台设备布置

在DIGICO SD系列光纤网络中，共设置了3个光纤基站（不含本地MADI基站）和3个独立的音控机房（见图3）。数字调音台可直接设置信号的接口分配，使所有的调音台共享接口箱的输入，并可独立控制，同时，所有接口箱的输出也可分配到任何一个调音台，且调音台之间可以实现56个通道路由的分配。此外，整个DIGICO光纤网络可以容纳14个光纤基站（不包含本地MADI基站）、10个调音台或5个主备调音台系统，在采样频率为96 kHz时候，网络同时容纳448路输入和448路输出。

实际应用中，可按剧场的实际情况，分别设计多个主要功能用房或点位，包括：声控室、媒体服务中心、制作中心、录音中心、现场调音位、舞台信号交换机房及功放室等，各功能位置均有基站，各基站均配置光纤接口，满足各功能位置使用的需要。

综上所述，使用网络化数字调音台技术可以给用户带来以下好处：

（1）信号资源的共享以及可以统一调配的资源，减少不必要的重复工作；

（2）远距离传输中音频信号的一致性和高保真特点；

（3）降低了劳动强度，提高工作效率；

（4）可以监控系统中音频信号的状态，方便快捷。