多媒體教室擴聲系統探討

段海濤　冀燕麗　王敬

[摘要]目前，多媒體教室已經成為高校教育教學的主要場所，擴聲系統是多媒體教室設備的重要組成部分，但是在多媒體教室密集的教學樓或區域緊湊的教室群，現有技術的有線話筒已經不能滿足應用需求。文章首先介紹了多媒體教室擴聲系統的發展歷程，包括有線（移頻）話筒、紅外線無線話筒等過渡性技術，其次，詳細闡述了四種無線擴聲技術的特點，并做了總結對比，通過技術比較表明，藍牙無線話筒是目前多媒體教室無線話筒的技術發展趨勢。

[關鍵詞]多媒體教室；擴聲系統；藍牙技術；

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）03-0059-05 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.03.012

隨著國家對教育投入的不斷增大，利用多媒體設備開展教學活動已經成為當前日常教學的必要手段，在開展教學活動時，語音擴聲設備的重要性是不容置疑的，其穩定性、抗干擾性、音質的優劣是影響教學活動正常開展的重要因素，擴聲系統已經成為多媒體教室設備的重要組成部分，本文僅對教室的擴聲系統技術、發展、使用、管理進行論述。

一.多媒體教室擴聲系統發展歷程

高校的電化教學教室大都始建于1978年，當時的電化教學教室主要設備包括：幻燈機、透射式投影儀、彩色電視機和音頻擴聲系統。

擴聲系統作為多媒體教室設備的重要組成部分約經歷了四個時期：

1.第一個時期：20世紀80年代初至90年初中期，

教室的擴聲系統主要以手持動圈話筒、V段無線話筒為主，為配合教學工作的擴展，少量單位配備移動式無線話筒，供教師臨時借用。

這個時期擴聲系統采用手持動圈有線話筒，和V段無線話筒。采用手持動圈式話筒授課，受話筒線長度的制約，老師的活動范圍小，妨礙老師講課時的利用肢體語言與學生互動，而使用無線話筒雖然可以隨意走動，但其使用手續繁瑣、電池消耗大、頻點少等弊端制約了V段無線話筒的推廣使用。

2.第二個時期：20世紀90年中期至2004年左右

學校普遍使用界面式話筒和U段無線話筒。盡管排除了話筒線的制約，加大了老師的活動范圍，但擴聲系統產生的嘯叫一直無法得到解決。

3.第三個時期：2004年左右至2010年

隨著科學技術的進步，為解決教室擴聲系統產生的嘯叫問題，科研人員研發了移頻功放。在這里有必要簡單闡述一下擴聲系統產生嘯叫的原因和移頻功放的基本工作原理。

音頻功率放大器產生嘯叫的因素有二，一是反饋同相位，也就是當揚聲器輸出為正向位時，反饋到話筒的音頻相位也為正。二是只有當音頻振幅足夠大時，才會產生嘯叫。這是音頻功率放大器產生嘯叫的兩個原因。這兩個原因缺少一個都不會產生嘯叫。

我們知道，界面式話筒在拾音過程中除了拾取直達聲外，也拾取了從各個界面來的反射聲，直達聲和反射聲的疊加導致相位不同，在某些頻段出現周期性峰谷，滿足產生嘯叫的兩個條件，極易產生嘯叫。

移頻功放，顧名思義，移頻就是移動頻率，移頻功放正是基于通過改變輸入音頻信號的頻率來不斷回避嘯叫點。舉例說明，輸入一個1000Hz信號時，當正方向移頻3-8Hz時，移頻器將會輸出一個1003-1008Hz的信號：當反方向移頻3-8Hz時，移頻器將會輸出一個997-992Hz的信號。移頻的目的是保證輸出的信號相位與反饋相位不一致，從而破壞嘯叫條件之一——相位條件。

采用移頻方式雖然可以防止界面話筒引起的嘯叫，解決電池消耗量大的問題，然而，由于移頻技術的應用，使擴聲系統的音質大打折扣，在教師講課過程中，每句話的末尾由于采用移頻技術帶來的所謂的“金屬撞擊聲”，使語音變調。

移頻功放主要特點是：

（1）移頻是通過對整個音頻范圍內的某些頻段有意失真達到抑制嘯叫之目的；（2）界面話筒拾音對環境建聲要求比較苛刻，調整難度大；（3）因界面話筒靈敏度的制約，教師只能在界面話筒附近授課。實踐證明，教師離開界面話筒約4米，就無法達到理想擴音效果。

4第四個時期：2010年至今——紅外無線話筒、2.4G無線擴聲與藍牙技術的應用

紅外無線話筒是以紅外光作為聲音信號的載體，實現發射、接收的無線擴音系統。基本原理與普通射頻系統類似。紅外線話筒工作頻率在3G以上，抗干擾能力強。但價格較昂貴，未能得到普及。

2.4Ghz無線話筒工作頻率范圍是2.405GHz-2.485GHz之間，故稱之為2.4G無線技術。2.4GHz無線傳輸技術采用的是自定義傳輸協議，因此制造成本較低。其中藍牙無線話筒的問世與推廣使用，使課堂使用無線擴聲系統的推廣與應用達到高潮。

二.V段、U段、紅外、2.4G、藍牙四種無線擴聲技術比較

1.VHF無線話筒，簡稱V段無線話筒

V段無線話筒工作頻率范圍是30MHz-300MHz。國內準許使用的頻率范圍為169MHz-230MHz，共有61MHz頻點。其與電視6-12頻道所占用的頻率范圍相同。

V段無線話筒使用的61MHz頻點，細分為A、B、C三個波段，即：

VHF（A）為169MHz-185MHz；

VHF（B）為185 MHz-200 MHz；

VHF（C）為200 MHz-230 MHz。

V段無線話筒的工作頻率范圍的傳輸特點是：電磁波除直接輻射外，電磁波能量還具有繞射特性，因此在同樣的發射功率和傳播條件下，傳輸距離可更遠。

V段無線話筒主要缺點：

（1）易受其他系統干擾：因V段無線話筒工作頻率與6-12電視頻道節目發射到空中電磁波、呼叫站和無線電話的工作頻率相同，極易受到其它電波的干擾。

（2）天線尺寸較大：VHF波長為10m-1m，稱為“米波”。天線長度較長，不適合安裝在多媒體機柜中。

V段無線話筒一般使用5號干電池或9V積層干電池，因其功耗大，幾乎需要每天更換一次電池，耗材成本高，電池消耗量大，易造成環境污染。

（3）V段無線話筒采用固定頻點，發射機和接收機只能配對使用，一間教室對應一只話筒。因頻率資源有限，相互干擾。增大管理人員工作量。且有些無線話筒工作頻率在50MHz左右，受到無線電管理委員會有關規定的限制，如松下早期生產的WX-710S無線話筒。

（4）故障率高：早期無線話筒的咪頭與發射機的鏈接為固定焊接式，發射機話筒線是最容易出現故障的部位，在使用過程中，咪頭與連線之間的連接處、連線與發射機之間的連接處極易斷線。頻繁更換電池，電池盒蓋及電池簧片容易損壞；另外，話筒若長期不用，電池忘記取出，電池電解液外泄，會腐蝕電池簧片，造成接觸不良，導致發射機故障。

（5）易串頻：在學校開展教學活動時，有時多個教室使用無需話筒，但V段話筒頻率點非常少，多只V段無線話筒同時在一幢樓宇中使用是不可能的。

2.UHF無線話筒；簡稱U段無線話筒

U段無線話筒工作400-870MHz頻段，超過870MHz的頻段較少采用，因為GSM和CDMA手機使用870-960MHz頻段，960MHz以上的頻段繞射能力逐漸變差，所以目前u段無線話筒的工作頻率范圍是740-870MHz。

U段無線話筒主要優缺點：

（1）頻點多：U段無線話筒工作中使用更高的頻率范圍，因其工作頻段較寬，故頻點較多，只要調開頻點，允許更多的話筒在同一樓宇使用。

（2）噪音低：噪音抑制電路與鑒頻電路的設計更趨合理，接收機噪音低。

（3）保真度高：因通頻帶較寬，故失真度也較低。

（4）電能消耗大：UHF頻段的電磁波是直接輻射的，傳播衰減大，發射機功耗大。

（5）易串頻：當幾十甚至幾百只話筒集中、大規模使用時，由于U段話筒頻率特性，容易受到高次諧波干擾和鏡像干擾，出現竄擾現象。

（6）管理難度高：U段無線話筒也使用5號堿性電池或9V積層電池，電池消耗量大，使用成本高。若使用堿性充電電池，管理難度大。

（7）故障率高：因其外觀與V段無線話筒相同，故障率也相同。

3.紅外無線話筒

紅外線無線話筒工作頻率一般在3G以上，其工作頻率較普通無線系統工作頻率高很多，不易受到其他頻段設備的干擾，但如果使用環境中安裝有紅外攝像頭或等離子平板電視機則不能使用紅外線無線話筒。

紅外線無線話筒是以紅外光作為聲音信號的載體，實現發射、接收的無線擴音系統。基本原理與普通射頻系統類似，在無線發射接收過程中也需要進行聲音信號的調制與解調的過程。但紅外線無線話筒的載波為紅外光。

紅外線話筒工作時，需要有基本的反射面，否則信號接收窗將無法接受到信號。因此紅外線無線話筒不適于在開放的環境下使用（如戶外，面積很大的廳堂等），而在中小型會議室，有相對密閉的環境，使用效果好（如300座以下教室、KTV包房、小型會議室）。

因為光線具有較強的反射性能，發射端送出的光信號不需要直接達到接收端，而只要經過反射面反射、散射后的光信號到達接收窗口就能確保可靠接收。目前紅外線話筒都采用了多點發射和多點接收技術，進一步提高了設備的可靠性，發射端向空間各個方向發射的紅外線信號，經各個反射面的反射、散射后，會在相對密封的空間內形成一個致密的，看不見的，沒有盲點的光網。因此，紅外無線話筒不會因為空間內人的走動，或因發射端的移動而出現通訊中斷現象，故抗干擾性能強。

但紅外無線話筒制造工藝相對復雜，制作成本較高，價格較為昂貴，目前市面上的主流產品仍使用5號干電池，發射機體積較大，但其抗干擾性能、保真度高的特點受到大家的青睞。

4.2.4G無線話筒

2.4GHz無線話筒和藍牙無線話筒都工作在2.405GHz-4GHz頻率之間，但由于它們采用不同的通訊協議，因此在功能和性能上各有偏重。

（1）2.4G無線話筒

2.4Ghz無線話筒工作頻率范圍是2.405GHz-2.485GHz之間，故稱之為2.4G無線技術。2.4GHz無線傳輸技術采用的是自定義傳輸協議，因此制造成本低，但由于該頻段是公共設施使用頻段，社會上大量的無線設備均使用這個頻段，如WIFI、藍牙、ZIGBEE雙向無線通訊技術等。這些設備在改造時會直接干擾2.4G無線話筒的通話質量。在使用過程中，會出現堵塞、掉頻、鎖相不穩等現象，故在較大規模的學校中不建議推廣使用。

通常，2.4G無線話筒使用鋰電池，為節約后期使用成本打下了堅實的基礎。但由于生產廠商不同，2.4G無線話筒的通訊頻點略有差異，一般在40-48個通訊頻點之間，可以滿足一般學校教學需求。

（2）藍牙無線話筒

藍牙無線話筒使用通訊協議與普通2.4G通訊技術使用的通訊協議不同，它除了傳輸音頻信號之外，還要兼顧系統本身的通訊。為了保證一對發射機與接收機通訊工作的暢通無阻，不受其他發射機的干擾，藍牙技術需要將一部分帶寬用于接收與發射之間系統本身的通訊。而2.4GHz無線傳輸技術采用的自定義傳輸協議。故其成本較低。

一般藍牙設備的通信距離是10m，通信速率為1Mbps。采用跳頻（AFH）、擴頻（FHSS）技術，共有79個信道，每個信道占用1MHz帶寬，信號不斷以1600Hz的速率在79個調頻點問隨機跳躍。

藍牙設備一般工作在2400MHz的ISM頻段。ISM的含義是工業、科學及醫學的首字母縮寫，起始頻率為2402MHz，終止頻率為2480MHz，并低端設置了2MHz的保護頻段，高端設置了3.5MHz的保護頻段。

為了避免相互干擾，藍牙采用了自適應跳頻AFH（Adaptive Frequency Hopping）、功率控制、LBT（Listen Before Talk）等獨特的技術措施，避免相互沖突。

藍牙無線話筒特點：

（1）任意匹配，自動對頻

發射機和接收機均無須設置頻點，當發射機與接收機供電電路接通時，發射機與接收機自動對頻，發射機關機后，通訊結束，當另一臺發射機開機后，重新開始對頻，故稱之為任意匹配，做到全部發射機與接收機通用，產品應用、設備管理和設備維護簡單方便。

（2）采用CVC回聲、噪聲抑制技術音質清晰

藍牙無線話筒為提高音質質量，采用了CVC回聲與噪音消除技術，該技術可以自動偵測語音環境。通過獨特的信號提取、分離技術將噪音中的語音信號提取出來，使教室中的擴聲系統能夠收聽或發送更加清晰的語音，實現完美音質信號采集及信號還原。

（3）無串擾，抗干擾

藍牙無線話筒采用的通訊技術，具有辯識碼、數據重傳、錯誤更正，動態數據長度調整等雙向智能功能：系統通過藍牙特有的跳頻和鎖頻技術，使得藍牙無線話筒不存在串頻干擾等現象。即兩只藍牙無線話筒發射機不能在同一教室使用，兩只藍牙無線話筒的發射機中的其中一只先對上頻后，另一只則不能對頻。

藍牙無線話筒為防止微波爐、無繩電話等電子設備的干擾，以及其他通信設備的相互干擾，采用了與眾不同的先進技術。

1）自適應跳頻技術AFH（Adaptive Frequency Hopping）

AFH技術是對原始藍牙跳頻序列的一種改進，它縮減藍牙設備跳頻點的數量，其基本原理是通過分辨出ISM頻段中優良和惡化的信道，從而避免使用被干擾信道，減少受干擾源。當藍牙電路進入AFH狀態后，其跳頻序列可使用的跳頻點N的數量是動態變化的，但規定必須有一個最小值Nmin，即Nmin≤N≤79。

2）跳頻擴頻（FHSS）技術

跳頻技術，英文全稱“Frequency-Hopping SpreadSpectrum”，縮寫為FHSS，是無線通訊最常用的擴頻方式之一。跳頻技術是通過接收機和發射機無線傳輸信號的載波頻率按照預定算法或者規律進行離散變化的通信方式，也就是說，無線通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。從通信技術的實現方式來說，“跳頻技術”是一種用碼序列進行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統。從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上來看，跳頻信號的頻譜是一個寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的。其中：跳頻控制器為核心部件，跳頻控制器包括：產生跳頻圖案、同步、自適應控制等功能；頻合器在跳頻控制器的控制下合成所需頻率：數據終端則對數據進行差錯控制。

①內置鋰電池，節能環保

藍牙無線話筒內置環保無記憶鋰電池，通過Mini-USB接口快速充電，4小時即可充滿；內部采用高效電源管理系統，發射器可連續使用20小時以上，大幅降低電池成本和環境污染。

②權威認證，低輻射

目前市場上主流藍牙無線話筒已經通過國家權威部門認證，藍牙輻射僅為手機的百分之一；產品擁有國家無線電（SRRC）認證證書，為安全低輻射產品。

以上我們討論了各種無線話筒的技術特點，總結如表1。

三.藍牙無線擴聲系統的應用

隨著藍牙無線話筒技術的日趨成熟，目前北京已有十余所學校在多媒體教室安裝了藍牙無線擴聲系統。藍牙無線擴聲系統的安裝使用方法略有差異。

1.設備選型

新建多媒體教室或改造多媒體教室擴聲系統，擴聲設備選型工作十分重要，首先應確認學校規模，地面建筑空間各種無線信號的種類與強度；若學校規模不大，地面建筑空間各種無線信號的種類少與強度弱，建議采用經濟實用的2.4G無線擴聲設備。如若學校規模較大，且建筑空間各種無線信號的種類多與強度大，建議采用便于管理，無串擾、較經濟的藍牙無線擴聲系統。

2.無線擴聲系統的設備連接

在幾百人甚至上千人的多媒體教學環境中，擴聲系統的連接方式、工程施工質量的優劣顯得十分重要，因此在擴聲系統設備連接時，有線擴聲話筒與無線擴聲話筒應同時并存。當無線擴聲話筒正常工作時，有線擴聲話筒處于關閉狀態：當無線擴聲話筒供電不足或出現故障時，有線擴聲話筒應自動啟動，以保證教學活動的正常開展。

3.無線擴聲系統的管理

無線擴聲系統設備屬于學校固定資產，各學校對無線擴聲系統發射機的使用、管理方式也各有不同，主要有幾種：

（1）課前領用，課后歸還

無線擴聲系統的發射機由現代教育技術中心、后勤或教務部門管理，負責無線擴聲系統的發射機充電、清潔、維護等。老師憑證件上課前領用，下課后歸還。這種方式的弊端是管理難度大，教師領用手續繁瑣，不利于傳染疾病的防控。

（2）開學初領用，學期末歸還

無線擴聲系統的發射機現代教育技術中心或教務管理，開學初根據教室大小、課程安排有選擇的向老師發放無線擴聲系統的發射機。其他老師如有需要臨時領用。

（3）任課教師人手一只無線擴聲系統的發射機（簡稱一師一麥）

現代教育技術中心或教務部門根據學校人事處教師名單將無線擴聲系統的發射機發放到每位授課教師手中，發放及管理辦法如下：

1）現代教育技術中心依據教務處、人事處給予的教師名單進行發放；

2）教師下載表格填寫后，領用人需簽名并加蓋所在單位公章，憑工作證領取。

3）教師領用后由本人妥善保管，無線話筒在已安裝無線擴聲系統的多媒體教室均可使用；

4）老師對領用無線擴聲系統的發射機負責，人為損壞、丟失應照價賠償，自然損壞由現代教育技術中心負責維修。

5）無線擴聲系統的發射機為學校固定資產，發射機上的編號是該設備的編號，教師退休或調離，需將無線話筒交回現代教育技術中心。

（4）一師一麥優點

1）無需調整使用方便。無線擴聲系統的發射機和接收器均無須設置頻點，自動對頻，任意匹配，全部通用，使得產品應用、設備管理和設備維護更加簡單方便。

2）關愛教師健康。做到以人為本，有效地防止傳染性疾病的傳播。發射功率小，電磁輻射小。

四.結束語

經上面論述可知，目前多媒體的擴聲系統已經不能滿足現有高校教學的應用需求，U段無線話筒、V段無線話筒、有線（移頻）話筒、紅外線無線話筒、2.4G無線話筒因有各自的技術或應用上的缺陷，也只能作為現有主流技術無線話筒的過渡。經過近兩年藍牙無線話筒在學校中的推廣應用，一師一麥的藍牙無線話筒的應用改善了教學環境，提高了教學效果，得到任課老師充分肯定。隨著教育改革的不斷深入，藍牙無線話筒在音頻擴聲技術上的日趨成熟，以其音質清晰、性能穩定、無耗材、管理簡單、使用方便的優勢，必將成為多媒體教室無線擴聲技術的發展趨勢。

編輯：李婷