隨著中國經濟的快速發展、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一步的發展。劇場自然也是其中之一，此文將介紹劇場數字音頻系統組成及其傳輸網絡。

　　一、典型劇場音頻系統組成及各部分功能

　　一個典型的劇場音頻系統應該包括聲源、調音臺、周邊設備、信號處理設備、功放、音箱和傳輸系統等幾個部分，見圖1。根據劇場的特點一般也分為觀眾廳擴聲系統、舞臺返送監聽系統、效果聲擴聲系統、控制室監聽監視系統、周邊電聲處理輔助系統、拾音及音源播放系統。

　　圖1 劇場音頻系統組成

　　一個大型的劇場音頻系統主要包括觀眾廳、舞臺部分的聲音還原系統、控制室監聽監視系統，以及音像錄制和存儲系統等。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聽系統。

　　音頻系統一般通過設置在舞臺上的話筒拾取現場各種聲音，轉換成電流信號，經過傳輸線纜送至音頻系統中心控制設備：經調音臺（又稱混音控制臺），對各種輸入聲源信號進行匹配、放大、混合、調音和分配控制等。

　　電聲系統控制包括兩方面，一方面是音質的處理，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。

　　周邊處理設備對各種節目信號進行加工處理和潤色、彌補建筑聲學的缺陷、補償電聲設備性能的不足和產生特殊聲音效果。

　　信號處理設備是劇場音頻系統中重要的組成部分，也是系統調試的關鍵設備。傳統的信號處理方法是把不同功能、不同用途的各種處理設備用很多專用線纜與調音臺和功放等設備互聯組成一個擴聲系統。而現代的信號處理方法是在一臺設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據算法可以代替傳統均衡器、激勵器、效果器、降噪器等多種設備的工作。類似多個設備的功能全部集成在一個設備上，且處理前后信號都是數字化的。

　　功放顧名思義就是“功率放大器”，它的作用就是放大調音臺和周邊設備（信號處理設備）送來的低電平音頻信號，使它的其輸出功率足以驅動配接的揚聲器負載。傳統功放是模擬類功放，即把連續變化的音頻信號（模擬信號）直接進行線性放大。現代的功放也已經向數字化網絡化過渡，數字功放的過載能力遠遠高于模擬功放，不會產生交越失真，因為數字功放采用數字信號放大，使輸出信號與輸入信號相位完全一致，相移為零，因此聲像定位準確。傳統模擬功放中的功放管內阻較大，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會受到負載（揚聲器）大小的影響。而數字功放內阻不超過0.2Ω（開關管的內阻加濾波器內阻），相對于負載（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）是一種把電能轉換為聲能的轉換器， 劇場音頻系統希望還原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合組成的系統。

　　一般劇場觀眾席區揚聲器聲場系統分為聲橋揚聲器、臺框兩側揚聲器、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排中央區域進行補聲，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觀眾席區域，則需要安裝補聲揚聲器。效果聲揚聲器產生一些特殊效果，如環繞效果、天空效果等。

　　考慮到劇場擴聲系統通常會設置多個調音位，個別演出可能還需要進行電視錄像或轉播，拾音器信號不能只送到主控機房，而需要進行多通道的信號分配。通常的設計方式是在舞臺附近設置一間技術用房，舞臺、樂池、燈光橋等地的拾音器信號首先匯集于此，經專用分配系統分配后，再分別送至上述各調音位或電視播出專用接口。

　　二、劇場音頻系統發展趨勢及實現

　　1、音頻系統數字化發展趨勢

　　隨著數字技術的發展和進一步的應用，大量的音頻設備正逐步數字化。筆者先說明一下音頻系統為何要數字化？

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

　　a.信號經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范圍只有40～50 dB，遠低于節目源的最大信號動態范圍（120 dB）;

　　c.在信號編輯和變換中（節目編輯、轉錄和延時效果處理等）隨著變換次數的增加，音質會迅速惡化；

　　d.大型音頻擴聲系統在后期的維護管理工作量大，且效率低。

　　數字化音頻信號具有以下優點：

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

　　b.數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，因此數字音頻信號的信/噪比極高，聲音純真清晰。

　　c.數字音頻信號可以進行反復錄制、編輯和變換，而不會加大音頻信號的失真。

　　d.數字信號便于加工處理和控制，因此在周邊設備中獲得了廣泛的應用。

　　e.數字化遠程通信，可以非常方便地在控制室實現對遠程揚聲器、功放等設備的監控。

　　2、數字化網絡傳輸形式

　　現代音頻系統數字化網絡傳輸形式主要包括：基于以太網的傳輸形式和基于分布式光纖網的傳輸形式。

　　2.1 基于以太網的傳輸形式

　　以太網基于TCP/IP傳輸協議，因為網路設備等多種因素可能造成信號傳輸存在延時，所以采用以太網技術的數字化音頻系統不適用于現場演出、劇場、音樂廳等場所。

　　會議、廣播、體育場館等專業音頻網絡，為提升傳輸質量，甚至不采用TCP/IP傳輸協議，而越來越多地采用CobraNet傳輸協議，網絡傳輸層采用OX8819協議，以數據包的形式傳輸。但為了“透明”地通過集線器、網橋、網關和交換機等網絡設備，數據包最大不超過1500=bit，限制了網絡“同時”傳輸的數據量，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轉換的時間，延時長短隨數據包的大小而變化。對于音頻信號傳輸，不確定的延時對信號產生不確定的相位失真，1/3～5 ms的延時對lkHz信號產生的相位滯后為120°~180°。

　　2.2 基于分布式光纖網的傳輸形式

　　基于FDDI（光纖分布式數據接口）的數字傳輸網絡，使用TDM（時分多路復用）式傳輸，由于光速（3 x108 m/s）非常快，數據在網絡中的傳輸時間非常快，可忽略不計，信號的傳輸延時僅為A/D、D/A的轉換時間，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 基于以太網和分布式光纖網傳輸形式的比較

　　3、FDDI組網形式的選擇

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　　劇場等場所的音頻系統設計應通過技術比較選用網絡拓撲結構，目前FDDI組網形式主要有環型（見圖2）和星型（見圖3），究竟采用哪種組網形式應根據工程情況而定。下面比較二者的優缺點。

　　圖2 環型拓撲結構 圖3星型拓撲結構

　　圖3 拓撲結構符號

　　采用環型拓撲結構比星型結構節約線纜，系統布線費用相對較低。實現節點間的環型結構也較為容易。為保證信號傳輸線路的可靠性，一般建議采用雙路布線，當兩個節點之間單條線路故障時，系統及時切換到備份線路，不影響系統的正常運行。

　　當兩種拓撲結構中出現一個節點故障或關機時其它節點仍然能正常運行（星型結構中心節點除外）。但同時出現兩個節點故障或關機時（如圖4和圖5所示），環型拓撲結構整個系統將癱瘓，采用星型結構的系統剩余節點仍然能運行。

　　圖4環型拓撲結構系統 圖5星型拓撲結構系統

　　兩個節點故障或關機時 兩個節點故障或關機時

　　建議星型網絡拓撲結構采用雙中心節點設計（如圖6和圖7所示），這樣能保證線路和中心節點的雙冗余備份，系統的故障恢復能力會更強。

　　圖6 單中心節點 圖7 雙中心節點

　　中心節點故障時 一個中心節點故障時

　　通過比較可以看出星型拓撲結構具有如下優點：

　　①由于星型拓樸結構所有信息都要經過中心節點來支配，所以布線、維護、管理比較容易。

　　②系統重新配置靈活，移動、增加或拆除某一節點比較方便，僅涉及所連接的設備，不影響整個系統。

　　③故障隔離檢測容易。

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