數字音頻擴聲系統的發展趨勢與體驗式技術路線

周其麟

（深圳市寶業恒實業發展有限公司，廣東 深圳 518000）

當今數字技術發展日新月異，數字技術應用中以系統觀點整合產品成為未來產業升級和可持續發展的重要方向。本文力求使音頻技術從業者在應用中建立系統概念，以應對當前和未來的挑戰。

1 建立“數字音頻系統”概念

數字音頻系統的定義是：以數字技術為核心的產品組成的音頻系統。從用途上分為數字存儲系統、數字錄音合成與編輯系統、數字錄音播出與監審系統、數字擴聲系統、數字消防和公共廣播系統、數字電視音頻系統等。本文主要闡述數字音頻擴聲系統。組成音頻系統的數字核心技術有DSP處理技術、數字通信傳輸技術（網絡技術）、自動化控制技術和數字放大技術（當前應用最為廣泛的是D類放大技術）、高頻開關電源技術（涉及微波測量和控制技術）等。在音頻電聲還原技術中，超聲波技術和音頻相位控制技術也正在進入音響行業中。

1.1 數字音頻擴聲系統的構成

數字音頻系統由輸入A/D、DSP處理、存儲和傳輸、輸出D/A構成，見圖1。

1.2 數字網絡傳輸的基本結構

從傳輸距離看，模擬系統的傳輸有限性被數字傳輸的無限性取代，在概念表達上可以稱為“云”，指可以傳輸的內容。在數字系統解決方案中的表述方式為平臺，即由傳輸網絡和平臺軟件共同組成了數字音頻系統的基礎，見圖2。

輸入節點或模塊的選擇是多樣的。數字混音技術和芯片技術已經完全在部件和芯片級上解決了數字聽感和采樣速率，根據專業擴聲需要和標準，全數字調音臺解決方案可以涵蓋最大輸入要求并能聯機擴展，并根據從業人員的使用習慣任意選配。需要指出的是，絕大部分從業人員的使用習慣目前仍然是模擬調音臺，因此，滿足用戶體驗的設計在未來變得相當重要。

圖1 數字音頻擴聲系統的基本結構框圖

輸出節點和模塊的選擇也是多樣的。在未來發展中，環境噪聲的控制逐漸成為城市管理的強制要求，聲源設計中將常用到分散擴聲，這也使數字音頻擴聲系統的流行成為必然。基于數字音頻擴聲系統的傳輸特點，輸出節點將主要采用有源節點。

一直以來，有源音箱基本上都是使用內置的模擬功放，其與生俱來的低效率、高耗能、高熱量、可靠性差和體積笨重等缺點，與社會發展和節能、環保、低碳的消費需求極不適應。隨著D類放大技術和網絡音頻技術的飛速發展，內置D類功放模塊和網絡傳輸、處理模塊的有源音箱將成為市場主流，徹底改變模擬功放有源音箱的工作方式，突出體現智能、輕便、節能、保真度高和可靠性高等特點。

以C-MARK K系列網絡有源音箱為例，這類音箱同時帶有模擬音頻輸入接口和數字音頻傳輸接口，采用網絡傳輸協議與外部連接，真正做到了只用一根網線解決所有問題。可直接與網絡音頻系統連接，不但可以輸出音頻，同時還具備DSP處理功能，可以實時監測溫度、音量、電壓等，在中英文控制軟件界面里隨時顯示上述信息。這類音箱的另一個功能就是可實現無線網絡控制，方便使用者對整個音響系統的搭建與控制，增強了系統的靈活性。網絡數字功放與傳統音箱的完美結合，使網絡數字有源音箱成為音響發展的必然趨勢。

1.3 數字音頻擴聲系統的特性

數字音頻擴聲系統的特性由傳輸特點、輸入的用戶體驗方式、輸出環境要求及強制限定要求所決定。具體如下：

（1）開放交互性：數字傳輸網絡的網內開放性和互聯性，使得點對點與點對多點的傳輸簡單明了，軟件的使用習慣與系統的架構表示易于理解。設計的要點和功能的預留在結構完成后，主要取決于設備的選用和設計師對數字結構的理解。極大地發揮了人的主觀能動性，使得系統開放交互性突出。

（2）抗擾安全性：數字擴聲設備的設計具有實時信號轉切功能，這是可靠性的保障，其傳輸的是數據流，這使抗擾性極大提高，組網節點設計的可控性以及平臺軟件的定制性，使數字系統具有模擬系統無可比擬的安全性。

（3）主動體驗性：數字系統功能設計完成前的創意溝通，可以提高用戶和客戶的體驗，功能模擬可以在任意計算機上進行，功能設計可以存儲于DSP處理器，使用時只需一鍵調用，同時，在需要創意場合可以隨時提前改變設置并重新定義系統結構。

（4）節能節約性：數字系統的輸出設備選用D類放大器或由D類放大器組成的有源音箱，可提高使用的能效，因其傳輸特性的線材選用5類或6類網線，遠距離傳輸選用光纜，耗材大幅下降，節能節約性顯著。

數字音頻系統的特性決定了系統集成的簡便性，它改變了以往總線控制設計的方法，使得設計中的功能與系統布線的關聯減小。也就是說，可以將數字音頻系統當作設計平臺，簡化了集成的工作，擺脫了總線設計的自動化專業知識要求。

1.4 數字音頻擴聲系統的優勢

以太網絡的發展使得交換機的選取簡單化，綜合布線的設計能力決定了數字音頻系統的傳輸能力，只需要適當選擇數字音頻傳輸器和DSP處理器，就可以組建數字音頻系統。簡言之，簡單就是最大的優勢。

2 數字音頻系統集成案例

2.1 案例概述

將數字音頻系統當作設計平臺時，擴聲系統將變得簡單易行。參看圖2設計實例。

（1）技術目標：

交互式多媒體控制系統主要完成AV系統中的控制、傳輸、處理、存儲等幾方面的工作，把以前系統設計中的有線（限）變成無線（限），由以前的分網異步傳輸整合成同網同步傳輸，真正實現多媒體和網絡音頻同步傳輸及處理。在應用層面上，由以前的分散管理變成集中管理，基于B/S網絡架構平臺，由以前的專用平臺控制或單一平臺，轉換成多平臺進行控制。

（2）開發內容：

整個系統采用模塊化、分布式的組成方式，系統可分為：多媒體編碼器（含軟件編碼器）、多媒體解碼器、網絡型音頻處理器、網絡型控制界面、交互式控制面板（屏）、MICS（Media Image Cruise System）服務器、環境控制接口機和多媒體信息存儲服務器。

（3）開發工作：

① 多媒體輸入編碼接口機

② 電腦端軟件編碼器

③ 多媒體解碼接口機

④ 多媒體網絡服務器功能要求

基于B/S架構進行網絡管理；可作為網絡播放機；可同時支持5路多媒體信號，1路立體聲音頻，并能以文件形式進行保存，可以對網絡上任意編碼器端的信號進行錄制；在網絡服務器上設有硬盤存儲器和數據交換接口（USB），能與外部存儲設備交換文件；

⑤ 系統軟件

針對系統使用特點，把系統軟件規劃為以下幾類：MICS多媒體影像漫游系統服務器軟件，系統編程軟件，系統控制軟件，PC端解碼器軟件和多媒體存儲管理軟件。

系統編程軟件可實現對當前所有的音頻、視頻以及其他控制設備進行模塊化設計，將所有的設備抽象成一個個功能組件。在該控制軟件中用戶可以根據系統的實際配置情況選擇需要的組件，并根據指定連接方式完成所需系統的后臺邏輯構建。用戶可以對這些組件之間的連接方式、連接邏輯進行修改。同時這個系統創建和修改的過程是可視化的，使用簡單方便。

用戶控制界面是提供給用戶對系統進行控制的人機界面，該控制界面是由系統編程軟件根據配置自動生成。

2.2 系統編程軟件 UI設計及功能設計

系統編程軟件分為兩個部分：后臺邏輯設計部分和前臺控制界面設計。在軟件的左邊有一個Tab頁面分別是“拓撲結構”和“控制界面”。

當系統設計者點擊“拓撲結構”頁面的時候，左邊控件欄中顯示了當前系統支持的所有硬件設備。用戶通過鼠標拖拽相應的設備到中間的主繪圖區，就會顯示一個設備控件。該控件有許多引腳，每一個引腳的功能都是事先定義和封裝好的。用戶通過多次拖拽即可建立起一個系統邏輯圖，如圖3所示。

用戶設計好系統邏輯拓撲圖后，可對用戶界面進行配置，點擊Tab頁面中的“控制界面”標簽即可顯示如圖4所示的界面。在該界面的左邊是當前系統設備列表。在設備列表中顯示的所有設備都是在系統邏輯界面中添加的設備。中間部分是主視圖區，在該區域可以導入由使用方提供的真實場景布局圖片。用戶控制界面是在該實景圖的基礎上進行配置的，用戶可以根據場景內實物擺放位置，將左邊設備欄中的設備控件直接拖放到指定的位置。

在本例中，會議室的正前方是一個投影屏，把TV的圖標拖拽到投影屏的地方，完成位置擺放后還可以通過調整圖標的大小來確定響應區域。在軟件的右邊是屬性欄，顯示的是當前選中控件的位置參數。最后一個參數是“顯示圖標”，其功能是拖放到用戶控制界面上的圖標可以顯示出來，也可以隱藏起來。

圖2 擴聲系統組成圖示

圖3 系統邏輯控制軟件邏輯設計界面

圖4 用戶控制界面示意圖

圖5 用戶控制界面

圖6 TV控制界面

圖7 用戶界面

圖8 衛星天線控制界面

2.3 用戶控制軟件

本系統采用B/S架構來實現，用戶登錄后可看到前面設計好的控制界面，如圖5所示。在這個界面中用戶用鼠標點擊實景圖中正前方的投影屏就可以彈出如圖6所示的TV控制對話框。 當用戶點擊如圖7所示的用戶界面的虛線框內時，就會彈出如圖8所示的衛星天線控制界面。同樣，當用戶點擊控制界面中DVD或AV Receiver圖標時也會彈出相應的控制界面。

2.4 系統控制板卡需求分析

（1）整體設計

該板卡主要分為核心控制模塊和接口模塊，所有的程序控制和主要芯片均在核心控制模塊，所有的接口、接口芯片和電源部分全部在通訊模塊。二者之間通過數字接口和模擬接口實現連接。數字接口主要包括通用IO接口、SPI接口、IIC接口、UART接口，模擬接口主要包括AD和DA接口，保證了兩個主要模塊的獨立性。

（2）核心模塊設計

為了保證運行的可靠性，核心模塊至少采用四層板設計，同時核心模塊元件采用雙面放置，以提高核心模塊的元件密度，縮小核心模塊的面積。模塊包括主CPU、RAM、FLASH、時鐘、以太網控制器等主要芯片。

（3）接口模塊設計

考慮到接口的種類和數量較多，接口板的面積較大，接口板采用兩層板設計。模塊包括電源芯片、接口芯片、端口防護芯片和多種接口。主要接口包括RJ-45、RS-485、RS-232、紅外、繼電器、TTL。

通過數字音頻系統的闡述以及應用案例的分析，可以預見數字音頻系統在擴聲應用中的再創作和用戶體驗是未來的發展方向。