隨著中國經(jīng)濟的快速發(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)等幾個部分，見圖1。根據(jù)劇場的特點一般也分為觀眾廳擴聲系統(tǒng)、舞臺返送監(jiān)聽系統(tǒng)、效果聲擴聲系統(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、彌補建筑聲學(xué)的缺陷、補償電聲設(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)組成一個擴聲系統(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運算的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、激勵器、效果器、降噪器等多種設(shè)備的工作。類似多個設(shè)備的功能全部集成在一個設(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，因為數(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聲器時，模擬功放電路的工作狀態(tài)會受到負(fù)載（揚聲器）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（揚聲器）的阻值（4-8Ω）完全可以忽略不計，因此不存在與揚聲器的匹配問題。

　　揚聲器（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，而目前任何一種揚聲器都難以滿足寬頻聲音重放的需要。因為播放低音需要重、大、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聲器單元結(jié)合組成的系統(tǒng)。

　　一般劇場觀眾席區(qū)揚聲器聲場系統(tǒng)分為聲橋揚聲器、臺框兩側(cè)揚聲器、臺唇揚聲器、補聲揚聲器、效果聲揚聲器等。聲橋揚聲器通常采用左中右三組布局，臺框兩側(cè)揚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。臺唇揚聲器是針對觀眾席前3排中央?yún)^(qū)域進(jìn)行補聲，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聲器覆蓋較差的兩側(cè)觀眾席區(qū)域，則需要安裝補聲揚聲器。效果聲揚聲器產(chǎn)生一些特殊效果，如環(huán)繞效果、天空效果等。

　　考慮到劇場擴聲系統(tǒng)通常會設(shè)置多個調(diào)音位，個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房，而需要進(jìn)行多通道的信號分配。通常的設(shè)計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.大型音頻擴聲系統(tǒng)在后期的維護管理工作量大，且效率低。

　　數(shù)字化音頻信號具有以下優(yōu)點：

　　a.數(shù)字編碼信號的振幅變化僅為0和1兩個狀態(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現(xiàn)對遠(yuǎn)程揚聲器、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，因為網(wǎng)路設(shè)備等多種因素可能造成信號傳輸存在延時，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”傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，使信號傳輸存在一定的延時，延時為1/3~5 ms，這還未包括A/D、D/A轉(zhuǎn)換的時間，延時長短隨數(shù)據(jù)包的大小而變化。對于音頻信號傳輸，不確定的延時對信號產(chǎn)生不確定的相位失真，1/3～5 ms的延時對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（時分多路復(fù)用）式傳輸，由于光速（3 x108 m/s）非?？?，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時間非?？?，可忽略不計，信號的傳輸延時僅為A/D、D/A的轉(zhuǎn)換時間，而這個時間是固定的。對于音頻信號，固定的延時使信號產(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

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　　劇場等場所的音頻系統(tǒng)設(shè)計應(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。

　　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)布線費用相對較低。實現(xiàn)節(jié)點間的環(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)兩個節(jié)點之間單條線路故障時，系統(tǒng)及時切換到備份線路，不影響系統(tǒng)的正常運行。

　　當(dāng)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一個節(jié)點故障或關(guān)機時其它節(jié)點仍然能正常運行（星型結(jié)構(gòu)中心節(jié)點除外）。但同時出現(xiàn)兩個節(jié)點故障或關(guān)機時（如圖4和圖5所示），環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)將癱瘓，采用星型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剩余節(jié)點仍然能運行。

　　圖4環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng) 圖5星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)

　　兩個節(jié)點故障或關(guān)機時 兩個節(jié)點故障或關(guān)機時

　　建議星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用雙中心節(jié)點設(shè)計（如圖6和圖7所示），這樣能保證線路和中心節(jié)點的雙冗余備份，系統(tǒng)的故障恢復(fù)能力會更強。

　　圖6 單中心節(jié)點 圖7 雙中心節(jié)點

　　中心節(jié)點故障時 一個中心節(jié)點故障時

　　通過比較可以看出星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：

　　①由于星型拓樸結(jié)構(gòu)所有信息都要經(jīng)過中心節(jié)點來支配，所以布線、維護、管理比較容易。

　?、谙到y(tǒng)重新配置靈活，移動、增加或拆除某一節(jié)點比較方便，僅涉及所連接的設(shè)備，不影響整個系統(tǒng)。

　?、酃收细綦x檢測容易。

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