簡析劇場數(shù)字音頻系統(tǒng)的組成與發(fā)展 - 全文

　　隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、綜合國力的大大提高，人民群眾對精神文化的需求也越來越高，文化生活已成為普通百姓生活中不可缺少的一部分。在這種大背景下，滿足精神文化需要的各種平臺得到了進(jìn)一步的發(fā)展。劇場自然也是其中之一，此文將介紹劇場數(shù)字音頻系統(tǒng)組成及其傳輸網(wǎng)絡(luò)。

　　一、典型劇場音頻系統(tǒng)組成及各部分功能

　　一個(gè)典型的劇場音頻系統(tǒng)應(yīng)該包括聲源、調(diào)音臺、周邊設(shè)備、信號處理設(shè)備、功放、音箱和傳輸系統(tǒng)等幾個(gè)部分，見圖1。根據(jù)劇場的特點(diǎn)一般也分為觀眾廳擴(kuò)聲系統(tǒng)、舞臺返送監(jiān)聽系統(tǒng)、效果聲擴(kuò)聲系統(tǒng)、控制室監(jiān)聽監(jiān)視系統(tǒng)、周邊電聲處理輔助系統(tǒng)、拾音及音源播放系統(tǒng)。

　　圖1 劇場音頻系統(tǒng)組成

　　一個(gè)大型的劇場音頻系統(tǒng)主要包括觀眾廳、舞臺部分的聲音還原系統(tǒng)、控制室監(jiān)聽監(jiān)視系統(tǒng)，以及音像錄制和存儲系統(tǒng)等。舞臺部分包含演員表演時(shí)聲音的拾取和傳送，以及幫助演員把握演出效果的舞臺返送監(jiān)聽系統(tǒng)。

　　音頻系統(tǒng)一般通過設(shè)置在舞臺上的話筒拾取現(xiàn)場各種聲音，轉(zhuǎn)換成電流信號，經(jīng)過傳輸線纜送至音頻系統(tǒng)中心控制設(shè)備：經(jīng)調(diào)音臺（又稱混音控制臺），對各種輸入聲源信號進(jìn)行匹配、放大、混合、調(diào)音和分配控制等。

　　電聲系統(tǒng)控制包括兩方面，一方面是音質(zhì)的處理，如均衡器、激勵(lì)器、效果器、降噪器等，另一方面是信號的控制，如壓限器、分配器、分頻器、音箱處理器等。

　　周邊處理設(shè)備對各種節(jié)目信號進(jìn)行加工處理和潤色、彌補(bǔ)建筑聲學(xué)的缺陷、補(bǔ)償電聲設(shè)備性能的不足和產(chǎn)生特殊聲音效果。

　　信號處理設(shè)備是劇場音頻系統(tǒng)中重要的組成部分，也是系統(tǒng)調(diào)試的關(guān)鍵設(shè)備。傳統(tǒng)的信號處理方法是把不同功能、不同用途的各種處理設(shè)備用很多專用線纜與調(diào)音臺和功放等設(shè)備互聯(lián)組成一個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)。而現(xiàn)代的信號處理方法是在一臺設(shè)備中采用專用高精度浮點(diǎn)運(yùn)算的DSP處理芯片，輔之以各種高效的音頻數(shù)據(jù)算法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)均衡器、激勵(lì)器、效果器、降噪器等多種設(shè)備的工作。類似多個(gè)設(shè)備的功能全部集成在一個(gè)設(shè)備上，且處理前后信號都是數(shù)字化的。

　　功放顧名思義就是“功率放大器”，它的作用就是放大調(diào)音臺和周邊設(shè)備（信號處理設(shè)備）送來的低電平音頻信號，使它的其輸出功率足以驅(qū)動配接的揚(yáng)聲器負(fù)載。傳統(tǒng)功放是模擬類功放，即把連續(xù)變化的音頻信號（模擬信號）直接進(jìn)行線性放大?，F(xiàn)代的功放也已經(jīng)向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化過渡，數(shù)字功放的過載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬功放，不會產(chǎn)生交越失真，因?yàn)閿?shù)字功放采用數(shù)字信號放大，使輸出信號與輸入信號相位完全一致，相移為零，因此聲像定位準(zhǔn)確。傳統(tǒng)模擬功放中的功放管內(nèi)阻較大，所以在匹配不同阻值的揚(yáng)聲器時(shí)，模擬功放電路的工作狀態(tài)會受到負(fù)載（揚(yáng)聲器）大小的影響。而數(shù)字功放內(nèi)阻不超過0.2Ω（開關(guān)管的內(nèi)阻加濾波器內(nèi)阻），相對于負(fù)載（揚(yáng)聲器）的阻值（4-8Ω）完全可以忽略不計(jì)，因此不存在與揚(yáng)聲器的匹配問題。

　　揚(yáng)聲器（音箱）是一種把電能轉(zhuǎn)換為聲能的轉(zhuǎn)換器，劇場音頻系統(tǒng)希望還原20～20kHz范圍的聲音，而目前任何一種揚(yáng)聲器都難以滿足寬頻聲音重放的需要。因?yàn)椴シ诺鸵粜枰亍⒋?、厚的紙盆振膜，而播放高音需要輕、薄的振膜，因此重放全音域的揚(yáng)聲器系統(tǒng)一般都是由高音、中音和低音三種不同類型的揚(yáng)聲器單元結(jié)合組成的系統(tǒng)。

　　一般劇場觀眾席區(qū)揚(yáng)聲器聲場系統(tǒng)分為聲橋揚(yáng)聲器、臺框兩側(cè)揚(yáng)聲器、臺唇揚(yáng)聲器、補(bǔ)聲揚(yáng)聲器、效果聲揚(yáng)聲器等。聲橋揚(yáng)聲器通常采用左中右三組布局，臺框兩側(cè)揚(yáng)聲器是用來覆蓋觀眾席，拉低聲像位置，讓觀眾感覺聲音不是從聲橋等高位置傳來的而是從舞臺傳來的。臺唇揚(yáng)聲器是針對觀眾席前3排中央?yún)^(qū)域進(jìn)行補(bǔ)聲，并拉低聲像位置。對于上層觀眾席對下層觀眾席的遮擋部分及主揚(yáng)聲器覆蓋較差的兩側(cè)觀眾席區(qū)域，則需要安裝補(bǔ)聲揚(yáng)聲器。效果聲揚(yáng)聲器產(chǎn)生一些特殊效果，如環(huán)繞效果、天空效果等。

　　考慮到劇場擴(kuò)聲系統(tǒng)通常會設(shè)置多個(gè)調(diào)音位，個(gè)別演出可能還需要進(jìn)行電視錄像或轉(zhuǎn)播，拾音器信號不能只送到主控機(jī)房，而需要進(jìn)行多通道的信號分配。通常的設(shè)計(jì)方式是在舞臺附近設(shè)置一間技術(shù)用房，舞臺、樂池、燈光橋等地的拾音器信號首先匯集于此，經(jīng)專用分配系統(tǒng)分配后，再分別送至上述各調(diào)音位或電視播出專用接口。

　　二、劇場音頻系統(tǒng)發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)

　　1、音頻系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展趨勢

　　隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)一步的應(yīng)用，大量的音頻設(shè)備正逐步數(shù)字化。筆者先說明一下音頻系統(tǒng)為何要數(shù)字化？

　　音頻信號屬于連續(xù)變化的不規(guī)則信號（模擬信號），這種信號在傳輸、存儲和變換過程中常會產(chǎn)生下列問題：

　　a.信號經(jīng)長距離有線或者無線傳輸后，使信/噪比變壞和失真加大；

　　b.音頻信號存儲載體的信號動態(tài)范圍只有40～50 dB，遠(yuǎn)低于節(jié)目源的最大信號動態(tài)范圍（120 dB）;

　　c.在信號編輯和變換中（節(jié)目編輯、轉(zhuǎn)錄和延時(shí)效果處理等）隨著變換次數(shù)的增加，音質(zhì)會迅速惡化；

　　d.大型音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)在后期的維護(hù)管理工作量大，且效率低。

　　數(shù)字化音頻信號具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　a.數(shù)字編碼信號的振幅變化僅為0和1兩個(gè)狀態(tài)，其變化范圍最多為20dB，因此非常適宜于各種媒體的存儲。音頻信號的動態(tài)范圍僅取決于采樣頻率和量化的bit數(shù)，很容易實(shí)現(xiàn)大于90dB的動態(tài)范圍，目前做得最好的模擬系統(tǒng)，其動態(tài)范圍不超過75dB。

　　b.數(shù)字音頻信號的信息量包含在脈沖序列的變化中，而不是編碼脈沖的幅度寬，雖然數(shù)字音頻信號傳輸時(shí)也會有噪聲疊加在它上面，但通過對編碼脈沖的削波／限幅可完全去除噪聲，因此數(shù)字音頻信號的信/噪比極高，聲音純真清晰。

　　c.數(shù)字音頻信號可以進(jìn)行反復(fù)錄制、編輯和變換，而不會加大音頻信號的失真。

　　d.數(shù)字信號便于加工處理和控制，因此在周邊設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　e.數(shù)字化遠(yuǎn)程通信，可以非常方便地在控制室實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程揚(yáng)聲器、功放等設(shè)備的監(jiān)控。

　　2、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸形式

　　現(xiàn)代音頻系統(tǒng)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸形式主要包括：基于以太網(wǎng)的傳輸形式和基于分布式光纖網(wǎng)的傳輸形式。

　　2.1 基于以太網(wǎng)的傳輸形式

　　以太網(wǎng)基于TCP/IP傳輸協(xié)議，因?yàn)榫W(wǎng)路設(shè)備等多種因素可能造成信號傳輸存在延時(shí)，所以采用以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化音頻系統(tǒng)不適用于現(xiàn)場演出、劇場、音樂廳等場所。

　　會議、廣播、體育場館等專業(yè)音頻網(wǎng)絡(luò)，為提升傳輸質(zhì)量，甚至不采用TCP/IP傳輸協(xié)議，而越來越多地采用CobraNet傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用OX8819協(xié)議，以數(shù)據(jù)包的形式傳輸。但為了“透明”地通過集線器、網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，數(shù)據(jù)包最大不超過1500=bit，限制了網(wǎng)絡(luò)“同時(shí)”傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，使信號傳輸存在一定的延時(shí)，延時(shí)為1/3~5 ms，這還未包括A/D、D/A轉(zhuǎn)換的時(shí)間，延時(shí)長短隨數(shù)據(jù)包的大小而變化。對于音頻信號傳輸，不確定的延時(shí)對信號產(chǎn)生不確定的相位失真，1/3～5 ms的延時(shí)對lkHz信號產(chǎn)生的相位滯后為120°~180°。

　　2.2 基于分布式光纖網(wǎng)的傳輸形式

　　基于FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）的數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)，使用TDM（時(shí)分多路復(fù)用）式傳輸，由于光速（3 x108 m/s）非常快，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間非?？?，可忽略不計(jì)，信號的傳輸延時(shí)僅為A/D、D/A的轉(zhuǎn)換時(shí)間，而這個(gè)時(shí)間是固定的。對于音頻信號，固定的延時(shí)使信號產(chǎn)生整齊的相位滯后，對電信號處理和聲音還原不會造成新的相位失真。

　　2.3 兩種傳輸形式的比較（見表1）

　　表1 基于以太網(wǎng)和分布式光纖網(wǎng)傳輸形式的比較

　　3、FDDI組網(wǎng)形式的選擇

　　劇場等場所的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)通過技術(shù)比較選用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前FDDI組網(wǎng)形式主要有環(huán)型（見圖2）和星型（見圖3），究竟采用哪種組網(wǎng)形式應(yīng)根據(jù)工程情況而定。下面比較二者的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　圖2 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖3星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符號

　　采用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比星型結(jié)構(gòu)節(jié)約線纜，系統(tǒng)布線費(fèi)用相對較低。實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的環(huán)型結(jié)構(gòu)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(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間單條線路故障時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)切換到備份線路，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　當(dāng)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障或關(guān)機(jī)時(shí)其它節(jié)點(diǎn)仍然能正常運(yùn)行（星型結(jié)構(gòu)中心節(jié)點(diǎn)除外）。但同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)故障或關(guān)機(jī)時(shí)（如圖4和圖5所示），環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓，采用星型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剩余節(jié)點(diǎn)仍然能運(yùn)行。