现代剧院扩声系统的冗余设计
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摘 要：本文分析了如何采用现有技术对剧院扩声系统进行冗余设计，并分别对组成扩声系统的信号源、调音台、信号传输系统、扬声器系统、配电系统等各个部分的冗余设计方法进行了详细阐述，对我国今后新建剧院的扩声系统设计有一定的参考价值。
关键词：剧院；扩声系统；冗余；扬声器系统；配电
0 引言
随着数字技术的迅速发展，专业音频已从模拟时代跨入了数字时代。然而，数字产品带给我们优点的同时，也给我们带来了价格高、系统不稳定、维护困难等新的问题。近年来，随着制造成本的逐步降低、产品可靠性的不断提高，数字音频产品的优势日趋明显，因此越来越多的用户开始选用数字音频产品，而许多用户因数字产品的相对不稳定性仍然坚守模拟阵营。2011年，MIDAS和Allen&Heath已宣布将逐步停产高端模拟调音台，不管你接不接受，扩声系统的数字化时代已经全面到来。
对扩声系统而言，其安全可靠性一直都是音频系统工程师和使用者最为重视的问题。为满足剧院内多种形式节目对扩声系统安全性的要求，全面、可靠的冗余系统是不可或缺的。冗余系统是当扩声主系统出现故障时能确保系统继续正常工作的应急系统，它要求专业音频工程师全面考虑现场可能出现的各种突发问题，设计一个完整的解决方案，并在主系统出现故障时尽可能在最短的时间内启用冗余系统，确保系统安全。
面对日渐“被数字化”的扩声系统，我们该采取什么样的技术手段保证扩声系统的安全性？下面针对目前常用的扩声系统结构，分析如何采用现有技术对不同结构的扩声系统进行冗余设计，并对扩声系统的信号传输系统、信号源、扬声器系统、调音台、配电系统的冗余设计分别进行探讨。
1 剧院扩声系统结构
扩声系统最基本的功能是将声源信号经传输、混合分配、处理、放大后还原成声音，并最终传递到观众耳朵。按照这一还原过程，我们将扩声系统分为信号源、调音台、信号传输、信号处理、扬声器系统、声学信号传输六大部分，如图1所示。
图1 剧场扩声系统结构剧院扩声系统的信号传输设计，通常以声控室、舞台信号交换机房、功放机房、现场调音位作为整个剧院的主要信号节点。按照信号在这几个主要节点间传输格式的不同，这里将扩声系统结构分为三种：模拟扩声系统、数字扩声系统、混合型扩声系统。
2 模拟扩声系统
在数字音频传输技术出现前，早期剧院扩声系统通常使用模拟接口设备，包括早期推出的数字设备：如数字效果器、一体化数字调音台、数字音频处理器、媒体矩阵、扬声器处理器等，因此扩声系统音频信号传输全部采用模拟线路。图2为常规模拟扩声系统结构，被早期的剧院广泛使用，这种系统在调音台、处理器等关键设备产生故障时会导致信号中断，通常采用跳线盘跳过故障设备作为系统应急使用。
图2 常规模拟扩声系统框图图3为具有完全冗余设计的模拟扩声系统结构，能满足大型剧院使用。系统采用主备调音台的方式，输出信号在多台DSP处理器内部进行混合，并分别输出给相应的功放通道，主备调音台可以实时在线。
图3 模拟扩声系统冗余结构该系统最大的优点是稳定可靠；缺点是系统设备较多，线路复杂，改变路由麻烦，只能使用跳线盘跳接。模拟信号传输方式主要采用屏蔽线缆传输，存在传输损耗、易受电磁干扰，其传输质量受传输长度和传输环境的影响较大，不宜作长距离传输，一般通过选用优质低容抗低阻抗的4芯星绞集成线缆并通过屏蔽、接地防护等综合手段提高传输质量。
3 数字扩声系统
数字音频产品的出现，改变了我们对扩声系统的认识。大同小异的模拟调音台被各式各样的数字台所替代，除了最基本的混缩功能之外，数字调音台还内置了门、压缩、限幅、效果、均衡、延时等多种处理模块，其强大的功能足以替换几乎所有的模拟周边设备，这是传统模拟台所不可能达到的；而众多的网络音频传输技术的出现，使得复杂的模拟传输线路被简洁的数字音频网络所替代，解决了模拟传输时代无法面对的一系列问题：如远距离传输、多线路的布线困难、传输干扰、自动冗余、数据共享等问题，模拟时代困扰音频工程师的众多问题迎刃而解。
3.1 数字音频传输技术介绍
要利用现有技术进行扩声系统的冗余设计，我们首要了解下现有成熟的数字音频传输技术。自开始发展到现在，AV行业先后出现了十几种依赖专有系统的数字音频传输技术，每种技术都有各自的特点，主要有如下几种成熟的技术。
3.1.1 点对点音频传输技术：主要有音频工程师协会AES研发的双通道数字传输协议AES3、AES10(MADI)传输协议，和模拟音频一样，AES3、MADI已成为工业标准音频格式。
3.1.2 基于网络的音频传输技术
A.基于一层网络Layer1(物理层)的技术：包括法国Digigram的EtherSound、美国AVIOM的ANet、德国RIEDEL的Rocknet 、英国Midas Klarkteknik的AES50(SuperMAC)、Gibson的MaGIC、日本Fostex的NetCIRA和日本Roland的REAC等。
B.基于二层网络Layer2(数据链路层)的技术：使用标准的以太网数据包；包括能够使ATM通过AES3音频实现在线服务的AES51、美国PeakAudio的CobraNet、美国QSC的RAVE、英国Calrec的Hydra、Harman集团的HiQnet、以太网协议IEEE 802.1 AVB技术等。
C.基于三层网络Layer3(网络层)的技术：使用标准的IP数据包；包括澳大利亚Audinate的DANTE、美国QSC的QLAN等。
3.1.3 基于FDDI(光纤分布式数据接口)的音频传输技术：使用TDM(时分多路复用)技术；包括德国的Optocore光纤传输系统、德国StageTec的Nexus光纤传输系统、德国Lawo的Dallis光纤传输系统。
在这些技术中，CobraNet、Ethersound和DANTE是独立的第三方厂家开发的，授权给设备生产厂商使用，支持厂家相对较多，应用最为广泛；而AVB技术是开放标准，最具发展前景，被视为音视频行业未来的标准；而其余大部分技术则基本上属于制造商的专有系统。
按照其网络拓扑结构，数字音频传输技术可分为点对点型、链形、环网型和星形四种。
3.1.4 主要音频传输技术对比
技 术 Cobranet EtherSound DANTE AVB QSC
Q_LAN Stagetec
Nexus Star Lawo
Nova 73 HD Optocore
网络结构 星形，环形 链，环形 星形 星形 星形 双星形全
冗余结构 双星形全
冗余结构 双环网
单链路音频
传输通道 单向64 单向512
@1000BaseT 单向48 单向64 单向512 256 512 单向512
最大音频
传输通道 视网络
规模而定 512*512 视网络
规模而定 视网络
规模而定 2048*2048 4096*4096 8192
*8192 512*512
延时 最小1.33ms 最小125μs 最小25μs
@1000BaseT 最小80μs
@1000BaseT 1ms 125μs 0.72ms
同步方式 同步数据 自同步 IEEE1588 IEEE1588 IEEE1588 支持多种
外部时钟和
内部时钟
视 频 支持 支持
DMX512灯光
控制信号 支持 支持
RS232/422
/485Z信号传输 支持 支持 支持 支持 支持 支持 支持 支持
主要应用场合 固定安装、
公共广播 现场扩声
/录音 固定安装、现场扩声、电视台、录音和后期制作
3.2 点对点型传输系统
点对点型传输结构是在两台设备间通过单线路连接实现数字音频传输，是最简单的结构形式。基于AES10协议的数字总线技术MADI采用这种结构形式，它支持56路24bit采样率的音频单向传输。点对点型传输结构通过倍增传输设备和线路即可实现冗余设计。
3.3 链形传输系统
链形传输结构是将设备进行简单的级联实现数字音频传输，是一种手拉手结构，如图4所示。典型应用有Ethersound系统。这种传输结构的优点是网络连接容易；它的缺点是，除了两端设备之外，任一设备发生故障，都将使传输网络一分为二。冗余设计方法是将链两头的设备进行连接，形成环形网络，如图5所示。
图4
图5 链形传输系统冗余结构3.4 环网型传输系统
环网型数字音频传输系统其本身就是一种冗余结构，网络中的数据流可以在环中顺时针或逆时针方向传输。其优点在于环中的某条线路出现故障，不会影响该线路两端设备的数据正常传输；环中的某个设备出现故障，不会影响网络中其他设备的正常使用。缺点是添加或减少设备必须重新接线。为了获得更高的可靠性，可以使用主环和冗余环双环网设计，如图6所示，Optocore光纤传输系统使用这种结构。
图6 环网型传输系统冗余结构3.5 星形传输系统
星形拓扑结构是目前数字音频传输系统应用最为广泛的一种结构形式，它以核心路由为中心，I/O设备通过点对点传输线路与核心路由连接，I/O设备间的通信都通过核心路由进行，如图7所示。CobraNet、Q_LAN、AVB、Nexus、DALLIS、Optocore等技术都使用星形结构。它的优点是，可以在不影响系统其他设备工作的情况下，非常容易地增加和减少设备，单个I/O设备的故障不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于维护；它的缺点是，处于网络中心的核心路由设备一旦出现故障，将导致系统瘫痪。
图7常用的冗余设计方法采用双星形结构。双星形拓扑结构具有完全的冗余路由，系统自核心路由、交换机、I/O接口箱到传输线路都配置了100%的冗余设备。当系统中主网络设备故障或链接中断时，系统能够自动切换到冗余网络，切换过程是快速无缝的，任何故障都不需要人工干预，系统自动切换不会造成音频信号中断。这种结构潜在地提高了发生各种错误时的容错能力，是安全性最高的信号传输系统。
目前国内正大量建设的大型剧院，可以采用光纤作为传输介质的双星形结构信号传输系统，轻松实现局院内歌剧院、音乐厅和多功能厅等多厅共享。
应用双星型网络拓扑结构设计的典型系统有：德国Stagetec的Nexus系统、美国QSC公司的Q_Sys系统、德国Lawo的DALLIS系统等，图8所示为Q_Sys(上图)和Nexus系统(下图)在大型剧院扩声系统中应用的全冗余结构传输网络。
图8 双星型拓扑结构网络信号传输系统3.6 数字扩声系统结构
现有数字扩声系统有几种结构，第一是利用控制界面和接口箱分离式设计的小型数字调音系统，这种系统一般采用点对点技术或单星形结构的信号传输网络，不具备冗余能力，一般只支持单台控制界面，适合于中小型剧院。第二种是选用自带冗余网络的大型数字调音台系统，也支持多台调音控制界面同时使用，可实现接口、数据共享，互为备份，适合大中型剧院。第三种是选用独立的信号传输系统，传输系统采用环形或双星形拓扑结构，可接入多台调音台，具有完善的冗余机制，适合于重要的大型剧院。图9所示为全冗余结构数字扩声系统。
图9 全冗余结构数字扩声系统4 混合型扩声系统
数字模拟混合型扩声系统是一种全冗余结构的扩声系统，信号主网络采用数字传输系统，备份网络采用模拟传输系统，两系统自调音台开始至处理器输出均完全独立且互为备份，信号在数字功放或DSP处理器实现混合，当其中任何一方发生灾难性事故时，音频信号均能通过备份网络保持传输的畅通，确保系统可靠运行，系统结构如图10所示。
图10 混合型扩声系统结构5 音源系统冗余设计
音源系统包括声源拾取设备和重放设备。声源拾取设备包括各类有线、无线话筒，重放设备包括卡座、MD机、CD机、DVD机、固态硬盘录音机、电脑、数字音频工作站(DAW)等。
5.1 话筒安全冗余设计
对于话筒的安全冗余设计，采用两种方式。首先，可以采用话筒分配器，将话筒信号分配后同时输出给主备系统(主备调音台或主备I/O接口箱)。其次，对于更重要的应用，如政府会议场合，可以采用主备话筒的方式，两支话筒的摆放位置及角度保持一致，确保能拾取到相同的声音信号，主备话筒信号均经过话筒分配器分配，分别送至主备调音台或主备I/O接口箱。
由于无源话筒信号分配器只有直通输出回路能通过幻象电源，对于需要幻象供电的电容话筒，主备话筒48V幻象电源可分别取自主备I/O接口箱，如图11所示。
图11 话筒安全冗余设计5.2 重放信号安全冗余设计
对重要的重放音源信号，可以采用三种方式。对于只有模拟接口的设备，采用无源分配器，将音源信号分配后同时输出给主备调音台。对于同时拥有AES数字音频和模拟音频输出的播放设备，可将数字和模拟音频输出分别送给主备调音台。更重要的应用，可以采用主备音源设备的方法，当某一重放设备产生故障时，备用设备可以接替主设备继续工作。
图12 重放信号安全冗余设计
6 输出系统冗余设计
因扬声器有无源和有源之分，我们习惯把功放和扬声器视为一个整体，称为扬声器系统。扬声器系统作为扩声系统的最终输出端，因其数量相对较多，一台功放或音箱的故障不会造成大范围影响，是扩声系统中故障率最低的部分。但是输入信号的中断则会造成整组或全部扬声器无声音输出，因此如何将输出信号和DSP处理器及功放进行合理的衔接显得尤为重要。
图13 利用数字功放作信号混合随着数字技术的发展，功放也实现了数字化，内部集成了DSP处理器，并且可同时支持数字和模拟信号输入，数字包括AES、DANTE、Cobranet或其他格式。数字功放配置远程控制端口，采用RS485、CAN、Echelon等协议，利用专用软件通过网络实现对功放的远程控制和工作状态监视。
图14 利用DSP处理器作信号混合剧院内最常用的冗余设计方法是将数字功放或DSP处理器作为主备传输网信号输出的混合端，利用其音源切换功能实现系统备份，分别如图13、图14所示。主输入信号来自主调音台，通过信号主传输网络输出给功放或DSP处理器的数字接口；来自备份调音台的信号，则通过冗余传输网络输出给功放或DSP处理器的第二个数字接口或模拟接口。
目前有两种类型的DSP处理器和数字功放可选择。第一类是当数字信号中断时，须通过远程控制软件手动切换至模拟输入实现备份；现有大部分产品属于这一类。图15为德国D&B的R1控制软件，图示窗口可同时对系统所有功放的音源进行切换(Input Type：数字或模拟)，也可在分组界面内单独对每台功放进行切换。这种方法的缺点是会造成信号暂时中断，时间视操作人员的反应程度而异。
图15对于重要的剧院，可以选择另一类DSP处理器和数字功放。这类功放具有自动音源切换功能：当数字音源信号中断时，能自动无缝切换至模拟音源或其他音源。目前拥有这种技术的成熟产品有LAB.Gruppen的Lake处理器、Audemat的处理器、LAB.Gruppen内置Lake处理器的PLM系列功放、LAcoustics的LA功放、Crown支持PIPUSP3/CN模块卡的系列功放等。图16为LAcoustics的LNet控制软件的功放输入音源选择界面，左图Input Selection为模拟或数字音源选择，Analog Fallback Mode为模拟信号备份模式选择，有三种选项：不备份/启用备份且设备工作在最佳延时模式(数字3.5ms、模拟3.9ms，信号切换存在延时差)/启用备份且设备工作在相同延时模式(数字和模拟均为3.9ms，信号切换不会存在延时差)；右图表示音源选择界面的工作状态显示，分别表示：选择了数字音源且信号正常/选择数字音源但信号出错处于模拟备份状态/处于模拟备份状态且数字音源已恢复正常可手动恢复。
图167 调音台冗余设计
传输网络、音源系统、输出系统的冗余设计，可以确保系统连接、设备故障不会造成音频信号中断的严重事故，而调音台作为系统信号的混合中心，其故障则有可能造成音频信号中断。解决方法是采用主备调音台的方式。
近几年来，新建的大型剧院一般都会配置2到3台调音台：主数字调音台、备份模拟台，有的再配置一台流动数字调音台。流动台一般和主台采用同品牌同系列产品，通过信号传输网络与主台共用信号接口箱，因此可以在现场调音位、舞台返听调音位等设置有信号传输网络接口的位置流动使用，同时在主台出现故障时可以直接接替主台继续工作，作为主台的备份。而备份台一般选用模拟调音台，其信号源和主台一样，经由话筒或线路分配器分配后送至模拟台，因此主数字调音台和备份模拟调音台可以做到同时在线，当主台出现故障时，备用调音台可以无缝接替主台工作。
这里特别强调模拟调音台作为备份调音台的意义。数字调音台虽然功能强大，但较模拟台而言其稳定性仍有待提高，因此，为扩声系统配置备份模拟台能够大大提高系统的稳定性和安全性。而对于非驻场演出的剧院，外来演出团体调音师一般很难在短时间内适应一个新的数字调音台，这时模拟调音台也显得尤为重要。
8 配电系统冗余设计
电源是系统中最重要的环节，一旦出现故障会造成整个系统瘫痪，无论你选用多少的冗余设备都无济于事。对于剧院的扩声系统配电，建筑电气一般按照剧院建筑的最高负荷等级进行设计，重要剧院的负荷等级基本上都属于一级。一级负荷为两路高压电源进线，两路电源不会同时停电，经不同的变压器降压后，双电源同时供给扩声系统配电箱，并在配电箱处设置PC级ATSE自动切换开关，当一路电源故障时，能自动切换至另一路，保证扩声系统输入电源的可靠性。
现有很多剧院配电设计存在如下问题：为了方便控制，扩声系统仅设计一总配电箱，设置在声控室内，功放室、信号交换机房末端配电箱和声控室设备电源由该总配电箱单输出回路供给，如图17所示。这种设计相当于把双电源降到了单电源供电，增加了电源风险，在输出线路或保护开关出现故障时，仍然会造成系统供电中断。
图17 单回路输出供电较简单的改进方法是功放室、声控室、信号交换机房均采用双输出回路供电，并设置两只不同的末端配电箱，如图18所示。
图18 双回路输出供电最安全的设计方法是功放室、声控室、信号交换机房配电箱均由变电所供给双电源，并在末端实现自动切换，如图19所示。除了功放设备外，其余设备还可以配置独立的UPS电源或集中式UPS电源作为第三道电源保障。
有了安全可靠的电源设计，自配电箱到设备的供电线路应做到合理的连接才能最终保障供电可靠性。因此，主备系统的音源、调音台、音频传输系统设备的电源，观众主扩系统左中右声道的多台功放电源(或多只有源扬声器电源)，应分别取自不同的末端配电箱或双电源箱的不同输出回路，以分散故障风险，做到真正的冗余设计。
图19
因设备本身的电源故障率相对较高，早期的大型模拟调音台就开始采用双电源供电设计，而现在数字音频产品绝大部分都设计双电源供电模块，如图20所示。因此其电源分别取自不同的供电线路可提供进一步的安全保障。所以，在大型剧院中，现场调音位、舞台监听调音位、乐池调音位等综合接口箱内，均应设计双路电源接口。
图20
9 结束语
采用双星形信号传输的全冗余结构数字扩声系统因具有完全的冗余处理核心、冗余连接路由、冗余PSU以及完善的自我检测功能，是目前最为安全的数字扩声系统结构，但系统造价较高，适合于对可靠性要求非常高的大型剧院、电视台、广播电台、政府会议中心、实况演出等场所使用；全冗余结构的混合型扩声系统兼具数字系统和模拟系统的优点，且性价比高，是系统预算相对较低剧院的首选；而全冗余结构的模拟系统因其线路复杂、维护麻烦，已很少被采用。音频工程师在系统设计时，应对剧院的规模、用途、资金等情况进行综合分析，合理选用满足该剧院实际使用的冗余结构扩声系统。
参考文献：
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