某省级大剧院音乐厅数字音频传输系统设计

王　杰， 杨程程, 杨广权, 陈鸿荣

(广州大学 机械与电气工程学院， 广东 广州　510006)



某省级大剧院音乐厅数字音频传输系统设计

王杰， 杨程程, 杨广权, 陈鸿荣

(广州大学 机械与电气工程学院， 广东 广州510006)

以某省级大剧院音乐厅为实例进行数字音频网络传输系统的设计，基于设计目标给出设计方案以及相应设备连接和系统图，并进行产品选型.该设计保证实时音频在传输过程中的同步和实时性，实现多路音频的路由功能及数字信号处理功能，较好地达到了设计目标.

数字音频； 音频路由矩阵； 实时音频； 网络传输系统

数字音频网络因为其系统的灵活性、智能性已成为当前专业音频系统的主流.“某省级大剧院音乐厅”数字音频传输系统项目包括音乐厅内音频系统的前期设计与优化、设备选型，到工程的安装、调试与投入使用等工作，并保证音乐厅的日常维护.

本文首先分析目前各种数字音频传输系统的技术特点,确定了某省级大剧院数字音频传输系统的设计目标，然后采用多种先进的数字音频技术，如光纤或网络传输、数字调音台、网络冗余设计、数字信号交换分配及集中控制、功放实时监控网络化以及多重冗余设计的音视频系统等，设计了网络化数字音频传输系统，并对设计方案进行了说明和分析.

1　网络数字音频传输系统发展动态

目前的网络音频传输技术[1-5]主要有CobraNet、Dante、YAMAHA公司的mLAN，Steinberg VST System Link，EhterSound和Axia等.

表1中分析和比较了多种音频传输协议的应用特性.

数字音频网络传输系统设计的关键问题在于选择合适的网络形式,结合音频信号传输的特点，采用最佳的信号传输方式及采用何种传输协议保证实时音频在传输过程中的同步和实时性，实现多路音频的路由功能及数字信号处理功能[6].

2　某省级大剧院音乐厅数字音频传输系统

2.1设计目标

某省级大剧院音乐厅的网络音频传输系统的设计目标是完成实时音频网络传输、路由设置、数字信号处理、状态检测和参数设置，保证系统未来可以在原有基础上进行扩展，数字控制设备可以通过软固件升级、模块升级等方式更新换代的一个完整的系统.利用远程监控功能，实时掌握剧场内分布于异处的设备的工作状态，一旦发现异常，及时干预；通过数字网络传输音频信号，解决长距离输对信号质量的影响，降低线材投资(一根数字电缆支持几十甚至上百路的信号传输)，并实现所有技术点位信号资源的共享，包括能兼容第三方设备的快速接入.

2.2系统设计和构成

数字音频网络传输形式主要有基于以太网[7-8]和基于分布式光纤网2种[9].结合某省级大剧院音乐厅实际情况，本文选用基于分布式光纤网的数字传输网络.

多通道音频路由功能的实现主要有中心音频矩阵[10]和分布式音频矩阵[3]2种，后者能实现更为灵活、方便和可靠的音频传输和切换，基于项目需要，本文选用后者.

根据设计目标以及以上确定的传输形式与路由功能的实现形式，某省级大剧院音乐厅的数字音频传输系统主要由以下几部分组成：数字调音台系统、备份系统、数据网络系统、功率放大器系统、舞台监督系统，见图1.

表1　不同音频传输协议的比较

图1　音频传输系统

下面分别进行各部分的设计.

数字调音台系统及音频矩阵路由是整个扩声系统的核心部分[11]，音频矩阵的路由处理能力、系统冗余备份的功能直接影响扩声系统的稳定性及数据安全性.因此，数字调音台系统本身需要极高的安全稳定性，本音乐厅采用德国STAGETEC数字调音台系统1套，另外配置1套YAMAHA CL5的数字调音台系统，2张调音台可以独立使用，也可以互为备份，可以做到一键无缝切换(音频不中断).STAGETEC数字调音台安装于音控室内，也可以流动至现场调音位使用；YAMAHA CL5数字调音台流动使用也可作为现场调音台或监听调音台，通过现场调音位、监听调音位预留的MADI接口快速连接入系统中，当YAMAHA CL5数字调音台在做应急备份使用时，也可通过音控室、现场调音位、监听调音位的MADI接口接入系统中使用.STAGETEC数字调音台和YAMAHA CL5数字调音台的音频矩阵路由、接口基站、控制界面均采用双电源配置和传输系统冗余备份.其中，STAGETEC数字调音台与中央路由及接口箱之间均通过光纤冗余传输信号，YAMAHA CL5数字调音台可通过光纤、同轴等传输介质接收MADI数字信号.

为了彻底的、全方位的解决音乐厅音频系统的稳定性及应急能力问题，总结国外多个知名品牌系统集成的成功范例，考虑各种可能出现的特殊情况，设计了一套全方位的系统备份解决方案：①系统的“数-数”热备份：在系统连接上2张数字调音台，分别担任主控调音台和备份调音台，2台之间通过信号传输系统相互连接、相互为热备份.所有信号通过备份光纤输出卡系统一分为二，并分别进入主、备调音台；实现在紧急情况下主、备调音台的实时无痕切换，音频系统可方便、快捷、安全、可靠的进行正常运转.它们将通过LAWO的NOVA光纤传输系统联结起来，构成一个采用环状与星型结合的网络整体系统，2张调音台的音频子系统既可以独立使用，又可以实现相互的备份.所有的信号在进入NOVA光纤传输系统以后，即可实现资源的共享，也就是音频子系统的数字调音台YAMAHA CL5可通过光纤传输系统调用音频子系统zirkon的音频信号进行调整、控制；反之亦然.②内部“数-数”备份：在本音频设计方案中所采用的LAWO主控调音台基站及光纤传输系统内部均采用冗余备份设计；处理中心的音频处理卡、电源供应器等实现在线热备份，当万一某张处理卡不工作时，备份马上投入系统工作；在光纤传输系统方面，采用了稳定性最高、应急能力最强的双环光纤回路设计，联接各基站、处理中心及调音台控制面板等，在出现紧急情况时，如某一光纤回路不工作或受损时，系统将不受任何影响；在主输出信号同样也作了充分备份，除1个导播信号，还设计了2个备份导播信号供播控采用.

数据网络系统见图2，戏剧厅内配置1套千兆网络系统，网络系统采用光纤、7类网线及2层光纤交换机传输数据，通过配置12口的光纤配线架及24口网络配线架改变路由，音乐厅内的音频、视频、内部通讯数据均可通过该网络传输，数据网络系统能满足音乐厅任何数据从一个网络点传输至任一终端点.为了对网络上的任何数据进行备份，安装了1套磁盘阵列RAID冗余的数据存储系统.

图2　音乐厅数据网络系统

功率放大器系统由KS Audio原厂配套，具有强大的DSP处理能力，具有实时查看状态、调整参数、保存/调用场景通过远程软件，以及对功放进行监测及控制等功能.所有的数字功率放大器的DSP处理器技术采用了FIRTEC DSP 有限脉冲响应技术，见图3.

图3　FIRTEC DSP 有限脉冲响应

舞台监督系统中，内部通讯矩阵主机兼具电视转播、录音录像的内部通讯功能.内通系统的矩阵主框架安装在中央交换机房内，内部通讯键盘站布置于信号交换机房、舞台监督台、声控室、灯控室、舞台机械控制室、电视转播机房直播、录音/录像等电位、VIP单人化妆间，在排练厅、化妆区走廊通道、录音室、舞台接口箱、预留接口，可随时接入导演的控制键盘站.

2.3系统特性分析

结合系统需要满足的功能，本文设计的音频网络传输系统具有以下特性：

(1)整个音乐厅的数字音频网络采用MADI信号传输模式，整个链路只需1次的AD/DA转换，有效地减少因为多次AD/DA转换带来的信号衰减问题.在音控室、中央交换机房、功放室、现场调音位、返送调音位、栅顶接口箱的设备之间的连接全部采用光纤冗余网络连接起来，极大地保证数据的安全性.

(2)所有设备的音频信号进出均经过跳线盘，跳线盘的逻辑关系可自由改变，跳线盘后端采用插拔的方式；数字网络配置多种接口类型，包括AES/EBU接口、模拟接口、DANTE接口、MADI接口等，且接口类型都是国际上通用的接口.

(3)功放系统具有AES/EBU数字信号输入接口和模拟信号输入接口，为系统的数模备份提供了平台.功放的每个通道具有独立的DSP处理器，并且功放系统具有远程监控和控制功能，包括监控电压、阻抗、功率、温度等功能.还可通过远程控制实时调整功放的声场参数，具有设置场景、编组功能.且功放采用DANTE数字信号传输和控制，与整个控制系统可以无缝接入，提高了系统的灵活性及启用应急备份的能力.

3　结　论

在当今快速发展的数字现场扩声领域，网络连接能力变得越来越重要和不可或缺.本套音频传输系统选取了星型拓扑结构作为网络传输形式以及系统的“数-数”热备份，内部“数-数”备份保证系统的稳定安全；采用Dante协议和Stagetec的NEXUS数字音频传输技术保证实时音频在传输过程中的同步和实时性；运用了基于数字音频传输技术的分布式音频矩阵及STAGETEC数字调音台和YAMAHA CL5数字调音台的音频矩阵路由、接口基站、控制界面来实现多路音频的路由功能及数字信号处理功能，最终较好地完成了设计目标，满足了实际需求.

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【责任编辑： 周全】

Design of digital audio transmission system of concert hall of X-provincial opera house

WANG Jie, YANG Cheng-cheng, YANG Guang-quan, CHEN Hong-rong

(School of Mechanical and Electric Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

The digital audio network transmission system in a concert hall of X-provincial opera house is presented in this paper. In accordance with the design goal, the product type is selected, and the design scheme, corresponding equipment arrangement and system diagram are provided. The design can guarantee the synchronization and real-time performance during the audio transmission process, which can realize the routing function of multi-channel audio and digital signal processing.Implementation results shows the goal of the design is achieved.

digital audio; audio routing matrix; real time audio; network transmission system

2016-04-27;

2016-05-05

国家自然科学基金资助项目(61302126,51275099)；广东省高等学校优秀青年教师培养计划资助项目(Yq201403)；广东省教育厅特色创新资助项目(2014KTSCX095)

王杰(1979-),女，教授,硕士生导师，博士. E-mail: cloudsoil@gmail.com

1671- 4229(2016)04-0057-04

TN 912.2

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