1、保密类别 编 号 本 科 毕 业 论 文基于演唱会的数字音频系统设计院(系)别 传媒技术学院专 业 广播电视工程班 级 10 广电工姓 名 任俊凯学 号 20100816122指导教师 段永良中国传媒大学南广学院2014 年 4 月 3 日I摘 要随着信息化、智能化、网络化的发展，音频系统已成为当今演唱会要求最高的系统之一，各种各样的系统设备在应用数量上己经大大超过了通用计算机。同时数字音频技术在社会生活中的应用也己经非常广泛，WAV、MPEG、MP3 和 WMA 等相继出现。结合演唱会系统的数字音频技术研究有着广阔的前景，大型演唱会数字音频设备以其高性价比、高发展速度等优点受到世界各国演艺设
2、备公司的广泛关注。本文结合市场发展需要，提出了一个比较优化的解决方案，并从理论和实践两方面对该方案进行了分析。 本论文主要是在使用 SOUNDCRAFT 调音台的基础上，使用 YAMAHA PM5D 系列调音台、线阵列扬声器系统完成现场扩声系统，使用 D B of J series and Q series speaker system designed a concert audio system, including the hardware selection, design, audio coding decoding chip device driver and Applicatio
3、n program design of the system. The whole concert audio system is an independent and extensible system, the system can complete audio acquisition, processing and playback function.Keywords:Digital audio; Audio-processing matrix; Transmission system目 录摘 要 .IABSTRACT.II绪 论 .1一、数字音频系统相关概念及技术描述 .1（一）发展状
4、况 .2（二）功能与特点 .2（三）分类与构成 .3二、主控系统设计 .7（一）总体设计 .7（二）音源服务器设计 .9（三）主控服务器设计 .9（四）调音台设计 .10三、 扩声、监听与电视混音系统设计 .12（一）现场扩声系统 .13（二）舞台监听系统 .16（三）电视播出混音系统 .16结 语 .18参考文献 .19后 记 .20中国传媒大学南广学院本科毕业论文1绪 论即时传输技术和数字压缩技术的发展对现代社会产生了巨大的冲击，通过调音台、地面监听设备和放大器来传输音频信号早已在人们观看的演唱会中广泛应用。音频系统也正向数字化、即时化发展，数字音频技术代表了未来演唱会音频广播系统的发展方
5、向。随着时代的飞速发展，音频所能传输的信息包罗万象。在国内，目前的演唱会系统中大多数仍以传输模拟信号的音频电缆作为设备之间的连接线，即使是设有综合布线的高楼，其综合布线也只承担电话、灯光、安全等信息的传输及办公的计算机信息的传输，音频信号仍由单独的音频电缆系统完成。传统音频信号的传输一般是一个信号占用一对线，采用平衡方式传输则需 3 根线，如需要传输多路音频信号，就必须采用多芯电缆或多根电线，系统布线十分复杂、成本较高。无法实现音频信号更加灵活的分发和音频信号的远程监控及音频设备的遥控和远程管理。由于音频信号可以在内部网上采用标准互联网包的形式传递，基于其数字化的基本特征，动态范围、信噪比、失
6、真系数、频率响应等技术指标均大大高于模拟方式，改善了音频信号的传输质量，实现音频信号的多路实时分发和传输，大大简化了系统结构，降低了系统成本。因此，急需对演唱会音频系统进行数字化改造，以适应演唱会发展的要求。随着电子技术的发展，各种各样的微处理器相继出现，而性价比也越来越高，这为音频系统的发展提供了良好的前提条件。另一方面，随着社会的进步和人们生活质量的不断提高，对演唱会听觉质量的要求也越来越高，数字音频系统就是以低价位、高性能而著称的。因此，数字音频系统的空前繁荣是必然的。 1近几年，数字音频系统已由原先单一的非实时控制系统发展成多元的实时控制系统。数字音频系统的性能越来越完善，使得它的应用
7、涉及到很多领域。目前，应用最为广泛的领域诸如: 信息电器、移动计算设备、网络设备、工控、仿真、医疗仪器等。此外，随着 Internet 用户的不断增多，数字音频系统今后的发展无疑要面向系统化、网络化 。 一、数字音频系统相关概念及技术描述数字音频系统是由数字音频产品组成的音频系统。从用途上分为数字存储系统、数字录音合成与编辑系统、数字录音播出与监审系统、数字扩声系统、数字消防应急1 Maresca Z B， Mighiardi MPEG coding of highwaymonitoring video segquences JGenoa，Italy：Universityof Geno，Int
8、ernal Report DIST，2006中国传媒大学南广学院本科毕业论文2和公共广播系统、数字电视音频系统等。本文主要阐述数字音频扩声系统、数字录音合成与编辑系统、数字录音播出与监审系统、数字扩声系统、公共广播系统几个部分。组成音频系统的数字核心技术有 DSP 处理技术、数字通信传输技术（网络技术） 、自动化控制技术和数字放大技术（当前应用最为广泛的是 D 类放大技术） 、高频开关电源技术（涉及微波测量和控制技术）等。在音频电声还原技术中，超声波技术和音频相位控制技术也正在进入音响行业中。（一）发展状况入世之后，中国演艺的发展是迅速的。已经走到专业化程度的今天，在满足人民文化需求的同时，其
9、娱乐化的走向也日益明显。可以说，中国演艺正处于娱乐文化背景下的跨越发展阶段。意识形态的总体要求、艺术成分的重要构成、符合观众观赏要求的东方文化特点以及传播宣传艺术表现功能的共存，都是演艺的基本要求。 1中国演唱会在现代所获得的成就与影响日渐重要，在一定程度上体现了中国社会现代化进程。第一，建立了融合并超越古代戏剧欣赏习惯的现场艺术欣赏规范，在借鉴戏剧娱乐文化因素的基础上，吸收西方影像语言和东方观影的习惯特点，形成了演唱会艺术的表现形式和接受习惯的中国电影形态。第二，创立了适应中国现实的现实主义审美音效观念和艺术创作方法。第三，融合东方传统文化的精髓和具有中国民族风格的诗意传统，形成具有独有的东
10、方抒情方式。随着技术的发展，在大型现场中音频系统设备也由原来的模拟设备发展到数字设备，特别是数字调音台、数字音频处理矩阵、数字音频传输系统等都以经有了较为全面的应用。这些设备的应用，完全摒弃了传统模拟设备的弊端，并且具备明显的技术优势系统的输入输出通道可以根据需要进行调整、扩充，系统的信噪比达到了很高的水平，场景的预置调用方便迅速，可以精准的调整各通道的延时特性、压限特性、均衡特性等，调试、操控极为方便。数字系统与传统模拟系统相比更具特色的是系统搭接简单，可靠性高，并且可以进行远程控制及远程故障诊断。（二）功能与特点这次系统设计主要是了解要使用的数字化的音视频设备，分析这些设备的发展概况和这个
11、行业的发展情况，最终构建大型现场演唱会中的音频系统。由于是演唱会，节目采用表演者真唱加现场电声乐队伴奏的演出模式，对音响提出了很高的要求。首1 李歆遒，祁才君.数字音频网络处理的系统设计J，电声技术，2006中国传媒大学南广学院本科毕业论文3先，舞台返听的设计要保证表演者及乐队在舞台上能听好，才能拥有最佳的演出状态和出色的发挥；其次，为了实现台上歌手与观众的完全互动，观众情绪“High”起来的爆棚状态，现场扩声不仅音质需达到高保真，声压级、声场均匀度等指标也要非常高；最后，一场音质优美、现场气氛异常火爆的电视晚会以直播形式播出，电视观众在家收看会被节目内容吸引和现场情绪感染。 作为广播电视工程
12、专业的毕业生，要了解在演唱会中所要使用的音视频系统的需求，在了解了需求和可行性之后，怎样去设计、实施、完成音视频系统。并且在保证能够完成每个节目之后，还要能够在一些突发情况下解决一些意外问题，通过紧急预案保证演唱会的正常运行。（三）分类与构成数字音频系统主要由四个系统构成，分别是：数字录音与编辑系统、数字录音播出与监审系统、数字扩音系统和公共广播系统。这几个系统分工合作，构成了完整了数字音频系统。1.数字录音合成与编辑系统数字录音合成分为 FM 合成和波表合成。FM 合成是通过振荡器产生正弦波，然后再叠加成各种乐器的波形。由于振荡器成本较高，即使是 OPL3 这类高档的 FM 合成器也只提供了
13、 4 个振荡器，仅能产生 20 种复音。因此 MIDI 音乐听起来生硬呆板带有明显的人工合成色彩，即所谓的电子声。波表合成是采用真实的声音样本进行回放。声音样本记录了各种真实乐器的波形采样并保存在声卡上的 ROM 或 RAM 中。通过波表合成的声音比 FM 合成的声音更为丰富和真实但由于需要额外的存储器贮存音色库，因此成本也较高。而且音色库越大所需的存储器就越多，相应地成本也就越高。多媒体个人计算机 MPC(Multimedia PC)规范就要求 PC 声卡上必须有这样的声音模块，称为合成器(synthesizer)。数字录音编辑系统,具有数字化录音,语音图形化编辑等特征。不管何种语言,只要通
14、过话筒将话音转变成模拟电信号,输入到插在计算机扩展槽中的声卡,由声卡的A/D 转换器转换成计算机能处理的数字信号,并以音频波形文件(后缀为.WAV),储存于计算机硬盘内。灌录后(.WAV)文件便可即时重放,或调出该文件进行加工编辑。值得一提的是，该音频信号虽经多次剪辑,信号毫无衰减和失真之迹象,这是其它模拟设备无法做到的,所制的录音带声音清澈、失真度小,是多媒体计算机开发应用的一个典范。整个设备投资少,性价比高且易实现。 12.数字录音播出与监审系统数字录音播出与监审系统利用目前 PC 机强大的 CPU 处理能力，用专门设计的自有产权的软压缩、软解压控件，替代专用硬件 DSP；自行设计的波形显
15、示 AEW 文件，1 陈浩 AES/EBU 数字音频格式在现场扩声系统中的应用 期刊论文 电声技术 2007(10) 中国传媒大学南广学院本科毕业论文4带有显示波形所必须的幅度信息以及其他的定位等相关信息，大小只有实际压缩数据的数百分之一；可以无限次撤销（或恢复）编辑动作而不影响音质的编辑结构，编辑程序记录每一个编辑动作，并由此产生编辑文件（OPL 文件） ；每部分音频文件都只需要最少次数（一次或不进行）的解压缩压缩过程，保证了音质，并且提高了效率。解决了单音轨简单编辑时（剪切，移动等电台中使用频率最高的操作）的反应速度和音质降低等问题；针对的编辑对象是 AEW 文件，而不是直接针对音频文件，
16、所以只需要将 AEW 文件读入内存进行波形显示和编辑操作。对于大数据量音频文件编辑时，由于不需要将全部音频文件读入内存，只在需要播放和合成时才读入需要的部分，因此内存占用少，反应速度快。在系统中，采用了播出工作站数据库多指向技术。在播出工作站本地硬盘建立本地节目库，通过节目预载技术，使其和服务器节目库中若干天的节目内容以及预选类型的音频节目保持同步，同时利用网络状态智能判断技术，实时监视和判断当前网络状态，当发现播出网络出现故障时，自动改变音频文件和数据库指向，将其指向到播出站本地节目库，从而保证了工作站的正常播出，最大限度地保证了播出的安全性。音频节目库是播出安全的基础，通常它存储在磁盘阵列
17、上，一旦磁盘阵列出现问题，或者是主服务器出现问题，会造成节目库的瘫痪，进而造成整个电台的播出数据丢失，造成不可恢复的灾难。为了彻底避免这种损失，保证音频资料的安全，设计了音频节目库自动备份和灾难恢复功能，通过自动备份恢复模块，根据设定的条件，将资料实时的备份并且恢复到备份服务器上。在正常状态下，播出系统指向主服务器播出，在服务器出现问题的状况下，可以立即将整个播出系统切换到备服务器上正常播出。由于本系统运行在以太网平台上，为了防止网络风暴、网络堵塞等各种异态环境下，声音播放的断续打嗝，专门采用了音频数据流多级缓存设计，最大缓冲时间可达10 秒，有效地保证了音频信号播出的流畅性。在一些特殊情况下
18、，如：播出站死机或紧急更改系统设置等，需要工作人员退出播出工作站进行操作，操作结束后，需要重新登录，并尽快恢复正常播出。而此时往往需要人为手动拖放进度条，去校准播出时间，效率低，且准确性差。为此，设计了播出节目时间自动校准的功能，一旦登录进入播出站，工作站会自动比对当前系统母钟时间，迅速、准确地找到当前播放位置，并自动播放，从而最大限度地缩短了播出故障时间，提高了系统的自动恢复能力。 13.数字扩音系统组成音频扩音系统的数字核心技术有 DSP 处理技术、数字通信传输技术（网络技术） 、自动化控制技术和数字放大技术（当前应用最为广泛的是 D 类放大技术） 、高频开关电源技术（涉及微波测量和控制技
19、术）等。在音频电声还原技术中，超声波技术和音频相位控制技术也正在进入音响行业中。数字扩音音频系统由输入 A/D. DSP 处理、存储和传输、输出 D/A 构成，如图 1 所示。1 钱军. 数字音频技术在广播电视领域中的应用J. 中国有线电视, 2009 (1): 66-70.中国传媒大学南广学院本科毕业论文5图 1 数字扩声系统图示从传输距离看，模拟系统的传输有限性被数字传输的无限性取代，在概念表达上可以称为“云” ，指可以传输的内容。 1在数字系统解决方案中的表述方式为平台， 即由传输网络和平台软件共同组成了数字音频系统的基础，如图 2 所示。图 2 扩声系统组成图示输入节点或模块的选择是多
20、样的。数字混音技术和芯片技术已经完全在部件和芯片级上解决了数字听感和采样速率，根据专业扩声需要和标准，全数字调音台解决方1 Shien SGudie to MPEG-I audio standand JIEEETransactions onBmadeasting，1994，40(4) ：35-39 中国传媒大学南广学院本科毕业论文6案可以涵盖最大输入要求并能联机扩展，并根据人们的使用习惯任意选配。需要指出的是，绝大部分从业人员的使用习惯目前仍然是模拟调音台，因此，满足用户体验的设计在未来变得相当重要。输出节点和模块的选择也是多样的。在未来发展中，环境噪声的控制逐渐成为城市管理的强制要求，声源设
21、计中将常用到分散扩声，这也使数字音频扩声系统的流行成为必然。基于数字音频扩声系统的传输特点，输出节点将主要采用有源节点。一直以来，有源音箱基本上都是使用内置的模拟功放，其与生俱来的低效率、高耗能、高热量、可靠性差和体积笨重等缺点，与社会发展和节能、环保、低碳的理念极不适应。随着 D 类放大技术和网络音频技术的飞速发展，内置 D 类功放模块和网络传输、处理模块的有源音箱将成为市场主流，彻底改变模拟功放有源音箱的工作方式，突出体现智能、轻便、节能、高保真和高可靠性等特点。以 C-MARK K 系列网络有源音箱为例，这类音箱同时带有模拟音频输入接口和数字音频传输接口，采用网络传输协议与外部连接，真正
22、做到了只用一根网线解决所有问题。可直接与网络音频系统连接，不但可以输出音频，同时还具备 DSP 处理功能，可以实时监测温度、音量、电压等，在中英文控制软件界面里随时显示上述信息。这类音箱的另一个功能就是可实现无线网络控制，方便使用者对整个音响系统的搭建与控制，增强了系统的灵活性。网络数字功放与传统音箱的完美结合，使网络数字有源音箱成为音响发展的必然趋势。数字音频扩声系统的特性由传输特点、输入的用户体验方式、输出环境要求及强制限定要求所决定。具体如下：(1)开放交互性：数字传输网络的网内开放性和互联性，使得点对点与点对多点的传输简单明了，软件的使用习惯与系统的架构表示易于理解。设计的要点和功能的
23、预留在结构完成后，主要取决于设备的选用和设计师对数字结构的理解。极大地发挥了人的主观能动性，使得系统开放交互性突出。(2)抗扰安全性：数字扩声设备的设计具有实时信号转切功能，这是可靠性的保障，其传输的是数据流，这使抗扰性极大提高，组网节点设计的可控性以及平台软件的定制性，使数字系统具有模拟系统无可比拟的安全性。(3)主动体验性：数字系统功能设计完成前的创意沟通，可以提高用户和客户的体验，功能模拟可以在任意计算机上进行，功能设计可以存储于 DSP 处理器，使用时只需一键调用，同时，在需要创意场合可以随时提前改变设置并重新定义系统结构。(4)节能节约性：数字系统的输出设备选用 D类放大器或由 D 类放大器组成的有源音箱，可提高使用的能效，因其传输特性的线材选用 5 类或 6 类网线，远距离传输选用光缆，耗材大幅下降，节能节约性显著。数字音频系统的特性决定了系统集成的简便性，它改变了以往总线控制设计的方法，使得设计中的功能与系统布线的关联减小。也就是说，可以将数字音频系统当作设计平台，简化了集成的工作，摆脱了总线设计的自动化专业知识要求。以太网的发展使得交换机的选取简单化，综合布线的设计能力决定了数字音频系统的传输能力，只需要适当选择数字音频传输器和 DSP 处理器，就可以组建数字音频
