周其麟

（深圳市寶業(yè)恒實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000）

當(dāng)今數(shù)字技術(shù)發(fā)展日新月異，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用中以系統(tǒng)觀點(diǎn)整合產(chǎn)品成為未來產(chǎn)業(yè)升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展的重要方向。本文力求使音頻技術(shù)從業(yè)者在應(yīng)用中建立系統(tǒng)概念，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來的挑戰(zhàn)。

1 建立“數(shù)字音頻系統(tǒng)”概念

數(shù)字音頻系統(tǒng)的定義是：以數(shù)字技術(shù)為核心的產(chǎn)品組成的音頻系統(tǒng)。從用途上分為數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)字錄音合成與編輯系統(tǒng)、數(shù)字錄音播出與監(jiān)審系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)U聲系統(tǒng)、數(shù)字消防和公共廣播系統(tǒng)、數(shù)字電視音頻系統(tǒng)等。本文主要闡述數(shù)字音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)。組成音頻系統(tǒng)的數(shù)字核心技術(shù)有DSP處理技術(shù)、數(shù)字通信傳輸技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）、自動(dòng)化控制技術(shù)和數(shù)字放大技術(shù)（當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是D類放大技術(shù)）、高頻開關(guān)電源技術(shù)（涉及微波測(cè)量和控制技術(shù)）等。在音頻電聲還原技術(shù)中，超聲波技術(shù)和音頻相位控制技術(shù)也正在進(jìn)入音響行業(yè)中。

1.1 數(shù)字音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)的構(gòu)成

數(shù)字音頻系統(tǒng)由輸入A/D、DSP處理、存儲(chǔ)和傳輸、輸出D/A構(gòu)成，見圖1。

1.2 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕窘Y(jié)構(gòu)

從傳輸距離看，模擬系統(tǒng)的傳輸有限性被數(shù)字傳輸?shù)臒o限性取代，在概念表達(dá)上可以稱為“云”，指可以傳輸?shù)膬?nèi)容。在數(shù)字系統(tǒng)解決方案中的表述方式為平臺(tái)，即由傳輸網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)軟件共同組成了數(shù)字音頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)，見圖2。

輸入節(jié)點(diǎn)或模塊的選擇是多樣的。數(shù)字混音技術(shù)和芯片技術(shù)已經(jīng)完全在部件和芯片級(jí)上解決了數(shù)字聽感和采樣速率，根據(jù)專業(yè)擴(kuò)聲需要和標(biāo)準(zhǔn)，全數(shù)字調(diào)音臺(tái)解決方案可以涵蓋最大輸入要求并能聯(lián)機(jī)擴(kuò)展，并根據(jù)從業(yè)人員的使用習(xí)慣任意選配。需要指出的是，絕大部分從業(yè)人員的使用習(xí)慣目前仍然是模擬調(diào)音臺(tái)，因此，滿足用戶體驗(yàn)的設(shè)計(jì)在未來變得相當(dāng)重要。

圖1 數(shù)字音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖

輸出節(jié)點(diǎn)和模塊的選擇也是多樣的。在未來發(fā)展中，環(huán)境噪聲的控制逐漸成為城市管理的強(qiáng)制要求，聲源設(shè)計(jì)中將常用到分散擴(kuò)聲，這也使數(shù)字音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)的流行成為必然?；跀?shù)字音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)的傳輸特點(diǎn)，輸出節(jié)點(diǎn)將主要采用有源節(jié)點(diǎn)。

一直以來，有源音箱基本上都是使用內(nèi)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(diǎn)，與社會(huì)發(fā)展和節(jié)能、環(huán)保、低碳的消費(fèi)需求極不適應(yīng)。隨著D類放大技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)音頻技術(shù)的飛速發(fā)展，內(nèi)置D類功放模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸、處理模塊的有源音箱將成為市場(chǎng)主流，徹底改變模擬功放有源音箱的工作方式，突出體現(xiàn)智能、輕便、節(jié)能、保真度高和可靠性高等特點(diǎn)。

以C-MARK K系列網(wǎng)絡(luò)有源音箱為例，這類音箱同時(shí)帶有模擬音頻輸入接口和數(shù)字音頻傳輸接口，采用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議與外部連接，真正做到了只用一根網(wǎng)線解決所有問題。可直接與網(wǎng)絡(luò)音頻系統(tǒng)連接，不但可以輸出音頻，同時(shí)還具備DSP處理功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、音量、電壓等，在中英文控制軟件界面里隨時(shí)顯示上述信息。這類音箱的另一個(gè)功能就是可實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)控制，方便使用者對(duì)整個(gè)音響系統(tǒng)的搭建與控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字功放與傳統(tǒng)音箱的完美結(jié)合，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)字有源音箱成為音響發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.3 數(shù)字音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)的特性

數(shù)字音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)的特性由傳輸特點(diǎn)、輸入的用戶體驗(yàn)方式、輸出環(huán)境要求及強(qiáng)制限定要求所決定。具體如下：

（1）開放交互性：數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)開放性和互聯(lián)性，使得點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸簡(jiǎn)單明了，軟件的使用習(xí)慣與系統(tǒng)的架構(gòu)表示易于理解。設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和功能的預(yù)留在結(jié)構(gòu)完成后，主要取決于設(shè)備的選用和設(shè)計(jì)師對(duì)數(shù)字結(jié)構(gòu)的理解。極大地發(fā)揮了人的主觀能動(dòng)性，使得系統(tǒng)開放交互性突出。

（2）抗擾安全性：數(shù)字?jǐn)U聲設(shè)備的設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)切功能，這是可靠性的保障，其傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)流，這使抗擾性極大提高，組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可控性以及平臺(tái)軟件的定制性，使數(shù)字系統(tǒng)具有模擬系統(tǒng)無可比擬的安全性。

（3）主動(dòng)體驗(yàn)性：數(shù)字系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)完成前的創(chuàng)意溝通，可以提高用戶和客戶的體驗(yàn)，功能模擬可以在任意計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，功能設(shè)計(jì)可以存儲(chǔ)于DSP處理器，使用時(shí)只需一鍵調(diào)用，同時(shí)，在需要?jiǎng)?chuàng)意場(chǎng)合可以隨時(shí)提前改變?cè)O(shè)置并重新定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（4）節(jié)能節(jié)約性：數(shù)字系統(tǒng)的輸出設(shè)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(wǎng)線，遠(yuǎn)距離傳輸選用光纜，耗材大幅下降，節(jié)能節(jié)約性顯著。

數(shù)字音頻系統(tǒng)的特性決定了系統(tǒng)集成的簡(jiǎn)便性，它改變了以往總線控制設(shè)計(jì)的方法，使得設(shè)計(jì)中的功能與系統(tǒng)布線的關(guān)聯(lián)減小。也就是說，可以將數(shù)字音頻系統(tǒng)當(dāng)作設(shè)計(jì)平臺(tái)，簡(jiǎn)化了集成的工作，擺脫了總線設(shè)計(jì)的自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)要求。

1.4 數(shù)字音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

以太網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得交換機(jī)的選取簡(jiǎn)單化，綜合布線的設(shè)計(jì)能力決定了數(shù)字音頻系統(tǒng)的傳輸能力，只需要適當(dāng)選擇數(shù)字音頻傳輸器和DSP處理器，就可以組建數(shù)字音頻系統(tǒng)。簡(jiǎn)言之，簡(jiǎn)單就是最大的優(yōu)勢(shì)。

2 數(shù)字音頻系統(tǒng)集成案例

2.1 案例概述

將數(shù)字音頻系統(tǒng)當(dāng)作設(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)，擴(kuò)聲系統(tǒng)將變得簡(jiǎn)單易行。參看圖2設(shè)計(jì)實(shí)例。

（1）技術(shù)目標(biāo)：

交互式多媒體控制系統(tǒng)主要完成AV系統(tǒng)中的控制、傳輸、處理、存儲(chǔ)等幾方面的工作，把以前系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的有線（限）變成無線（限），由以前的分網(wǎng)異步傳輸整合成同網(wǎng)同步傳輸，真正實(shí)現(xiàn)多媒體和網(wǎng)絡(luò)音頻同步傳輸及處理。在應(yīng)用層面上，由以前的分散管理變成集中管理，基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)平臺(tái)，由以前的專用平臺(tái)控制或單一平臺(tái)，轉(zhuǎn)換成多平臺(tái)進(jìn)行控制。

（2）開發(fā)內(nèi)容：

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化、分布式的組成方式，系統(tǒng)可分為：多媒體編碼器（含軟件編碼器）、多媒體解碼器、網(wǎng)絡(luò)型音頻處理器、網(wǎng)絡(luò)型控制界面、交互式控制面板（屏）、MICS（Media Image Cruise System）服務(wù)器、環(huán)境控制接口機(jī)和多媒體信息存儲(chǔ)服務(wù)器。

（3）開發(fā)工作：

① 多媒體輸入編碼接口機(jī)

② 電腦端軟件編碼器

③ 多媒體解碼接口機(jī)

④ 多媒體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能要求

基于B/S架構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理；可作為網(wǎng)絡(luò)播放機(jī)；可同時(shí)支持5路多媒體信號(hào)，1路立體聲音頻，并能以文件形式進(jìn)行保存，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)上任意編碼器端的信號(hào)進(jìn)行錄制；在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上設(shè)有硬盤存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)交換接口（USB），能與外部存儲(chǔ)設(shè)備交換文件；

⑤ 系統(tǒng)軟件

針對(duì)系統(tǒng)使用特點(diǎn)，把系統(tǒng)軟件規(guī)劃為以下幾類：MICS多媒體影像漫游系統(tǒng)服務(wù)器軟件，系統(tǒng)編程軟件，系統(tǒng)控制軟件，PC端解碼器軟件和多媒體存儲(chǔ)管理軟件。

系統(tǒng)編程軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前所有的音頻、視頻以及其他控制設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將所有的設(shè)備抽象成一個(gè)個(gè)功能組件。在該控制軟件中用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際配置情況選擇需要的組件，并根據(jù)指定連接方式完成所需系統(tǒng)的后臺(tái)邏輯構(gòu)建。用戶可以對(duì)這些組件之間的連接方式、連接邏輯進(jìn)行修改。同時(shí)這個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)建和修改的過程是可視化的，使用簡(jiǎn)單方便。

用戶控制界面是提供給用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的人機(jī)界面，該控制界面是由系統(tǒng)編程軟件根據(jù)配置自動(dòng)生成。

2.2 系統(tǒng)編程軟件 UI設(shè)計(jì)及功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)編程軟件分為兩個(gè)部分：后臺(tái)邏輯設(shè)計(jì)部分和前臺(tái)控制界面設(shè)計(jì)。在軟件的左邊有一個(gè)Tab頁面分別是“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”和“控制界面”。

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者點(diǎn)擊“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”頁面的時(shí)候，左邊控件欄中顯示了當(dāng)前系統(tǒng)支持的所有硬件設(shè)備。用戶通過鼠標(biāo)拖拽相應(yīng)的設(shè)備到中間的主繪圖區(qū)，就會(huì)顯示一個(gè)設(shè)備控件。該控件有許多引腳，每一個(gè)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(gè)系統(tǒng)邏輯圖，如圖3所示。

用戶設(shè)計(jì)好系統(tǒng)邏輯拓?fù)鋱D后，可對(duì)用戶界面進(jìn)行配置，點(diǎn)擊Tab頁面中的“控制界面”標(biāo)簽即可顯示如圖4所示的界面。在該界面的左邊是當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)備列表。在設(shè)備列表中顯示的所有設(shè)備都是在系統(tǒng)邏輯界面中添加的設(shè)備。中間部分是主視圖區(qū)，在該區(qū)域可以導(dǎo)入由使用方提供的真實(shí)場(chǎng)景布局圖片。用戶控制界面是在該實(shí)景圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行配置的，用戶可以根據(jù)場(chǎng)景內(nèi)實(shí)物擺放位置，將左邊設(shè)備欄中的設(shè)備控件直接拖放到指定的位置。

在本例中，會(huì)議室的正前方是一個(gè)投影屏，把TV的圖標(biāo)拖拽到投影屏的地方，完成位置擺放后還可以通過調(diào)整圖標(biāo)的大小來確定響應(yīng)區(qū)域。在軟件的右邊是屬性欄，顯示的是當(dāng)前選中控件的位置參數(shù)。最后一個(gè)參數(shù)是“顯示圖標(biāo)”，其功能是拖放到用戶控制界面上的圖標(biāo)可以顯示出來，也可以隱藏起來。

圖2 擴(kuò)聲系統(tǒng)組成圖示

圖3 系統(tǒng)邏輯控制軟件邏輯設(shè)計(jì)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(wèi)星天線控制界面

2.3 用戶控制軟件

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，用戶登錄后可看到前面設(shè)計(jì)好的控制界面，如圖5所示。在這個(gè)界面中用戶用鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)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(duì)話框。 當(dāng)用戶點(diǎn)擊如圖7所示的用戶界面的虛線框內(nèi)時(shí)，就會(huì)彈出如圖8所示的衛(wèi)星天線控制界面。同樣，當(dāng)用戶點(diǎn)擊控制界面中DVD或AV Receiver圖標(biāo)時(shí)也會(huì)彈出相應(yīng)的控制界面。

2.4 系統(tǒng)控制板卡需求分析

（1）整體設(shè)計(jì)

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(shù)字接口和模擬接口實(shí)現(xiàn)連接。數(shù)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(gè)主要模塊的獨(dú)立性。

（2）核心模塊設(shè)計(jì)

為了保證運(yùn)行的可靠性，核心模塊至少采用四層板設(shè)計(jì)，同時(shí)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(shí)鐘、以太網(wǎng)控制器等主要芯片。

（3）接口模塊設(shè)計(jì)

考慮到接口的種類和數(shù)量較多，接口板的面積較大，接口板采用兩層板設(shè)計(jì)。模塊包括電源芯片、接口芯片、端口防護(hù)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(shù)字音頻系統(tǒng)的闡述以及應(yīng)用案例的分析，可以預(yù)見數(shù)字音頻系統(tǒng)在擴(kuò)聲應(yīng)用中的再創(chuàng)作和用戶體驗(yàn)是未來的發(fā)展方向。