楊 逴，楊國(guó)松

（北京廣電通系統(tǒng)集成有限公司，北京 101318）

隨著體育館商業(yè)化運(yùn)作的發(fā)展，其功能不只局限于體育賽事，演唱會(huì)、發(fā)布會(huì)、電競(jìng)賽事、年會(huì)等多種用途，成為舉辦演藝、文化活動(dòng)的重要場(chǎng)所。為保障國(guó)際、國(guó)內(nèi)重大賽事以及各項(xiàng)活動(dòng)的正常進(jìn)行，需要選用品質(zhì)上乘、穩(wěn)定性好的設(shè)備，需要更加穩(wěn)定、安全的擴(kuò)聲系統(tǒng)解決方案。

針對(duì)當(dāng)前體育館的使用功能、技術(shù)發(fā)展的變化，對(duì)于體育館擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的整體安全性，而采用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和技術(shù)是很有效的方法。筆者以北京五棵松凱迪拉克中心擴(kuò)聲系統(tǒng)升級(jí)改造的設(shè)計(jì)為例，闡述提高系統(tǒng)安全性的備份解決方案，分析多重主備架構(gòu)設(shè)計(jì)思路及其自動(dòng)倒備方式的實(shí)現(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)思路

北京五棵松凱迪拉克中心是北京承辦國(guó)際、國(guó)內(nèi)重大賽事、大型活動(dòng)的主要場(chǎng)館之一，使用率極高。為迎接2019年男籃世界杯、2022年北京冬奧會(huì)，對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)進(jìn)行了整體改造，在滿足擴(kuò)聲基本功能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)提升其安全性，最大程度地保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)仍能正常運(yùn)行，避免對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用產(chǎn)生影響；提升安全性的另一措施是，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少操作環(huán)節(jié)。

圖1 改造前凱迪拉克中心的擴(kuò)聲系統(tǒng)

改造前的擴(kuò)聲系統(tǒng)，音頻傳輸多采用模擬信號(hào)，并且僅使用了1臺(tái)調(diào)音臺(tái)，沒有考慮備份設(shè)計(jì)，如圖1所示，缺乏對(duì)突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)能力，一旦某個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，將會(huì)波及整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

改造后的擴(kuò)聲系統(tǒng)，采用成熟、穩(wěn)定的技術(shù)及冗余的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)設(shè)備采用模擬信號(hào)與Dante數(shù)字信號(hào)兩種方式同時(shí)傳輸，Dante數(shù)字信號(hào)為首選方式，Dante系統(tǒng)同時(shí)具備一套備份系統(tǒng)；系統(tǒng)中設(shè)置2臺(tái)調(diào)音臺(tái)，同時(shí)將音頻信號(hào)送至功率放大器。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任意一條線路或調(diào)音臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)可以無(wú)縫切換到其他線路，實(shí)現(xiàn)不間斷、低延時(shí)的實(shí)時(shí)切換，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖2 改造后凱迪拉克中心的擴(kuò)聲系統(tǒng)

2 擴(kuò)聲系統(tǒng)的多種備份方案

2.1 Dante/OMENO音頻傳輸技術(shù)特點(diǎn)

Dante數(shù)字音頻傳輸技術(shù)是一種基于三層的IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（在這里不做贅述），體育館擴(kuò)聲系統(tǒng)采用該技術(shù)，主要原因如下。

（1）低延遲、更小的信號(hào)衰減及更強(qiáng)的抗干擾性

首先，體育館通常是一個(gè)很大的空間，尤其是凱迪拉克中心，擁有18 000個(gè)席位的體育館，無(wú)論從場(chǎng)地的信號(hào)接口位置到控制室，還是控制室到揚(yáng)聲器點(diǎn)位，布線距離都非常長(zhǎng)，因此，傳輸延遲、信號(hào)衰減量顯得至關(guān)重要。

Dante信號(hào)相較于Cobranet等其他數(shù)字音頻技術(shù)，通道更多，延遲更小，千兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采用48 kHz采樣率可以支持1 024雙向通道，并且延遲0.08 ms[1]。長(zhǎng)距離傳輸介質(zhì)還可以選擇光纖，可使信號(hào)的衰減更小。同時(shí)，體育館擁有各種龐大復(fù)雜的電氣管線系統(tǒng)，當(dāng)音頻信號(hào)線經(jīng)過這些線纜的公共路由時(shí)也會(huì)被其干擾，使用光纖傳輸Dante信號(hào)可以避免其他線纜對(duì)音頻信號(hào)產(chǎn)生干擾。

（2）容錯(cuò)率高、兼容性強(qiáng)

Dante信號(hào)傳輸穩(wěn)定，同時(shí)擁有多重自我修復(fù)機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障。Dante信號(hào)兼容性強(qiáng)，可與TCP/IP協(xié)議等不同協(xié)議的信號(hào)同在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下傳輸，無(wú)需單獨(dú)建網(wǎng)，可以提升擴(kuò)聲系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性，降低維護(hù)難度。在體育館擴(kuò)聲系統(tǒng)中，除音頻信號(hào)，同時(shí)也有如中控信號(hào)等其他信號(hào)，音響設(shè)備多支持Dante協(xié)議，它們之間可以很好地兼容并進(jìn)行信號(hào)傳輸。

（3）直觀、操作簡(jiǎn)便

通常情況下，體育館很難做到齊備地配置音頻工程師、調(diào)音師等專業(yè)人員，而體育館的使用模式又多種多樣，因此，一個(gè)直觀的、操作簡(jiǎn)便的系統(tǒng)更便于場(chǎng)館與活動(dòng)使用方進(jìn)行對(duì)接。如采用ZeroConf零網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議的Dante技術(shù)可以自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備接口分配IP，不用進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)置，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選取主時(shí)鐘，加入網(wǎng)絡(luò)的其他設(shè)備便會(huì)自動(dòng)同步；主時(shí)鐘設(shè)備下線后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選舉下一個(gè)可用主時(shí)鐘設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)“即插即用”不局限于網(wǎng)絡(luò)接口的IP地址[2]。

OMNEO傳輸協(xié)議是一種基于Dante再次開發(fā)的數(shù)字音頻傳輸技術(shù)，在兼容Dante的基礎(chǔ)上，還可以傳輸控制信號(hào)，用于控制功率放大器實(shí)現(xiàn)調(diào)試聲場(chǎng)、檢測(cè)揚(yáng)聲器、產(chǎn)生工作狀態(tài)報(bào)告及熱備切換等功能。

2.2 擴(kuò)聲系統(tǒng)的多重備份架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)擴(kuò)聲系統(tǒng)不間斷的運(yùn)行，為凱迪拉克中心的擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)了包含多種備份方式的系統(tǒng)架構(gòu)，具有熱備份功能的主、備Dante數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)模擬信號(hào)線路。主調(diào)音臺(tái)從數(shù)字網(wǎng)絡(luò)接收信號(hào)并通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)輸出至數(shù)字功率放大器；備份調(diào)音臺(tái)通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)接入比賽場(chǎng)地的信號(hào)，通過模擬信號(hào)線路接收控制室設(shè)備的信號(hào)，并通過模擬線路輸出至數(shù)字功率放大器，最后由功率放大器根據(jù)設(shè)定條件判斷選擇。由此，形成雙重?cái)?shù)字備份與模擬備份的多重備份架構(gòu)，保證系統(tǒng)的安全性。

擴(kuò)聲系統(tǒng)的數(shù)字音頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，核心節(jié)點(diǎn)為一主一備份2臺(tái)交換機(jī)，組成兩個(gè)獨(dú)立的、平行的網(wǎng)絡(luò)，其他設(shè)備均通過交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和信號(hào)路由完全相同，其作用為數(shù)字音頻信號(hào)的熱備份，當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的無(wú)縫切換。

2臺(tái)調(diào)音臺(tái)同時(shí)進(jìn)行音頻信號(hào)處理，由主調(diào)音臺(tái)通過Dante信號(hào)輸出，由備份調(diào)音臺(tái)輸出模擬信號(hào)。信號(hào)選擇順序依次為主調(diào)音臺(tái)Dante主信號(hào)、主調(diào)音臺(tái)Dante備份信號(hào)、備份調(diào)音臺(tái)模擬信號(hào)。由于功率放大器同時(shí)接收主、備、模送來(lái)的信號(hào)，因此，功率放大器的判斷邏輯為首先由功率放大器選擇是否使用數(shù)字信號(hào)，在使用數(shù)字信號(hào)的情況下，Dante網(wǎng)絡(luò)自行選擇網(wǎng)絡(luò)中各部分信號(hào)是否使用主信號(hào)，如圖4所示。

需要注意的是，Dante接口分為“PRIMARY”與“SECONDARY”，任何設(shè)備接反都會(huì)使主網(wǎng)絡(luò)與備網(wǎng)絡(luò)相連造成故障。后期如需添加設(shè)備也應(yīng)以同樣方式接入交換機(jī)。

圖3 多重?zé)醾浞莸南到y(tǒng)架構(gòu)

圖4 末端信號(hào)路由的判斷邏輯

3 系統(tǒng)熱備份切換方式

在此系統(tǒng)框架下，如何在遇到故障的情況下做到音頻信號(hào)的無(wú)縫切換，需要做到2臺(tái)調(diào)音臺(tái)同時(shí)獲得數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的輸入。

3.1 數(shù)字調(diào)音臺(tái)與鏡像切換器的使用

在本系統(tǒng)中綜合考慮了功能性、操作直觀與便捷性等多種因素，使用了2臺(tái)Soundcraft的Si Performer 3數(shù)字調(diào)音臺(tái)配置1臺(tái)ACE Link-Si鏡像切換器。

該調(diào)音臺(tái)配有HiQnet接口，用以遠(yuǎn)程控制調(diào)音臺(tái)。利用該接口，將2臺(tái)調(diào)音臺(tái)通過鏡像切換器連接。啟動(dòng)調(diào)音臺(tái)后，鏡像切換器會(huì)將首先啟動(dòng)接入的調(diào)音臺(tái)作為主調(diào)音臺(tái)，此時(shí)備份調(diào)音臺(tái)會(huì)鎖定推子和增益旋鈕，所有通道的增益、均衡、壓限等狀態(tài)會(huì)實(shí)時(shí)從主調(diào)音臺(tái)獲得，備份調(diào)音臺(tái)只能進(jìn)行系統(tǒng)菜單操作。當(dāng)主調(diào)音臺(tái)掉線時(shí)，備份調(diào)音臺(tái)的狀態(tài)與主調(diào)音臺(tái)完全相同，此時(shí)備份調(diào)音臺(tái)所有鎖定全部釋放，代替主調(diào)音臺(tái)繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操控。因?yàn)檫@種鏡像同步只對(duì)調(diào)音臺(tái)通道的狀態(tài)進(jìn)行同步，2臺(tái)調(diào)音臺(tái)可以保持各自對(duì)通道的定義（例如主調(diào)音臺(tái)將MIX輸出通道信號(hào)分配至Dante 1，備份調(diào)音臺(tái)將MIX輸出通道信號(hào)分配至LineOut1），這樣即可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)調(diào)音臺(tái)分別以不同方式輸出相同的音頻信號(hào)。

當(dāng)遇到主調(diào)音臺(tái)死機(jī)或主調(diào)音臺(tái)不響應(yīng)操作但并未掉線時(shí)，雖然功率放大器已自動(dòng)將信號(hào)源切換至備份調(diào)音臺(tái)模擬信號(hào)，但仍需要斷開鏡像切換器電源以釋放備份調(diào)音臺(tái)操作鎖定。當(dāng)遇到鏡像切換器故障時(shí)，斷開切換器排除故障，重新連接后即可恢復(fù)2臺(tái)調(diào)音臺(tái)的同步，斷開切換器僅停止2臺(tái)調(diào)音臺(tái)的同步功能并釋放對(duì)備份調(diào)音臺(tái)的鎖定，并不影響2臺(tái)調(diào)音臺(tái)的正常工作。

3.2 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的配置

每臺(tái)調(diào)音臺(tái)具有2個(gè)擴(kuò)展板卡槽位，其中一個(gè)安裝SIO-Dante數(shù)字音頻卡并連接至相應(yīng)主備交換機(jī)；音頻卡將來(lái)自不同音源設(shè)備的各路音頻信號(hào)按使用需求配置給主調(diào)音臺(tái)相應(yīng)通道，備份調(diào)音臺(tái)各輸入輸出通道設(shè)置為對(duì)應(yīng)模擬接口（如場(chǎng)地沒有設(shè)置模擬信號(hào)接口，備份調(diào)音臺(tái)所連接的場(chǎng)地接口使用雙備份的Dante信號(hào)，與主調(diào)音臺(tái)相同）；最后將2臺(tái)調(diào)音臺(tái)的HiQnet接口與鏡像切換器的LAN口連接，即可完成對(duì)調(diào)音臺(tái)的配置。

如有需要，可在另一個(gè)擴(kuò)展卡槽配置MIDI板卡連接舞臺(tái)接口箱，作為擴(kuò)展方案。也可在HiQnet接口與切換器LAN口連接時(shí)串聯(lián)無(wú)線路由器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)音臺(tái)的遠(yuǎn)程控制。

該系統(tǒng)中，所有傳聲器、音源設(shè)備、場(chǎng)地接口箱等輸入信號(hào)按順序分配至調(diào)音臺(tái)A/B兩面各路通道，C面分別設(shè)置東、西、南、北與場(chǎng)地音箱五路混音輸出通道，按使用需要分別混音。

4 音頻信號(hào)的輸出方式及功率放大器的配置

系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)無(wú)縫自動(dòng)切換的功能，功率放大器的作用是至關(guān)重要的。該項(xiàng)目選配的是DYNACORD的IPX系列功率放大器，支持OMNEO傳輸協(xié)議，可以監(jiān)測(cè)導(dǎo)頻信號(hào)、根據(jù)設(shè)定自動(dòng)切換信號(hào)源。當(dāng)檢測(cè)不到信號(hào)中設(shè)定的導(dǎo)頻信號(hào)，將自動(dòng)切換至備用信號(hào)通道。功率放大器跟隨揚(yáng)聲器就近安裝，場(chǎng)地中每個(gè)方向各4臺(tái)功率放大器，編為一組，通過網(wǎng)線、光纖與控制室交換機(jī)相連傳送OMNEO信號(hào)，同時(shí)傳輸音頻信號(hào)與控制信號(hào)；每組分別再用一條模擬音頻信號(hào)線連接備份調(diào)音臺(tái)。

在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，由于無(wú)法直接監(jiān)測(cè)混音后的音頻信號(hào)判斷線路是否正常，所以需要在混音后的信號(hào)中加入一個(gè)人耳不可聽且恒定的單一頻率信號(hào)，再通過監(jiān)測(cè)該頻率電平來(lái)判斷線路是否正常。首先在主調(diào)音臺(tái)的信號(hào)發(fā)生器（OSC）中給每個(gè)混音通道的輸出信號(hào)加入指定的導(dǎo)頻信號(hào)（此項(xiàng)目中設(shè)定為20 kHz）。在控制電腦上通過IRIS-Net 軟件設(shè)置功率放大器識(shí)別20 kHz頻率信號(hào)，識(shí)別強(qiáng)度為在調(diào)音臺(tái)上加入的導(dǎo)頻信號(hào)電平，如圖5所示。對(duì)于功率放大器，將主要信號(hào)源設(shè)為Dante，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Dante信號(hào)中是否含有導(dǎo)入的20 kHz信號(hào)，如未在信號(hào)中檢測(cè)到，故障轉(zhuǎn)移（Failover）功能自動(dòng)切為第二種傳輸方式即備份調(diào)音臺(tái)輸出的模擬信號(hào)；除此之外，還要設(shè)置恢復(fù)使用Dante音頻信號(hào)的釋放時(shí)間，功率放大器在切換至第二種備份輸入方式時(shí)，對(duì)主要信號(hào)的導(dǎo)頻信號(hào)檢測(cè)并沒有停止。這一過程可以做到現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲系統(tǒng)無(wú)中斷。

當(dāng)數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)的故障排除，信號(hào)重新恢復(fù)，功率放大器內(nèi)置處理器檢測(cè)到導(dǎo)頻信號(hào)，經(jīng)過一定時(shí)間自行切換回?cái)?shù)字輸入方式，切換時(shí)間由用戶設(shè)定，一般不用設(shè)置過長(zhǎng)，當(dāng)然這個(gè)過程也是無(wú)中斷的。

圖5 IRIS-Net 軟件 監(jiān)聽部分設(shè)置

5 系統(tǒng)供電的配置

在體育館的供電系統(tǒng)中，一般會(huì)配有2套獨(dú)立的擴(kuò)聲專用供電系統(tǒng)。當(dāng)供電系統(tǒng)進(jìn)行切換時(shí)，會(huì)有短暫的斷電狀態(tài)，此時(shí)擴(kuò)聲系統(tǒng)中的調(diào)音臺(tái)、交換機(jī)等設(shè)備就會(huì)關(guān)機(jī)，而這些設(shè)備重新啟動(dòng)又需要時(shí)間，進(jìn)而影響場(chǎng)館中活動(dòng)的進(jìn)行。除此之外，體育館供電系統(tǒng)遇到操作不當(dāng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓，也會(huì)對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)中的設(shè)備造成沖擊甚至損壞。因此，在設(shè)計(jì)中，所有設(shè)備的供電均經(jīng)過時(shí)序電源，起到防止電涌、過載，穩(wěn)定電壓的作用；對(duì)于調(diào)音臺(tái)、交換機(jī)等需要避免斷電的設(shè)備還要加裝不間斷電源。這樣可以使擴(kuò)聲系統(tǒng)處在一個(gè)安全供電的狀態(tài)下。

圖6 IRIS-Net實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面

6 系統(tǒng)測(cè)試及使用效果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試完成后，針對(duì)體育館實(shí)際運(yùn)營(yíng)中可能發(fā)生的各種突發(fā)情況進(jìn)行了專門測(cè)試，以驗(yàn)證是否可以實(shí)現(xiàn)多種備份的無(wú)縫切換。首先，切斷Dante主網(wǎng)絡(luò)中的任何一段網(wǎng)線或關(guān)閉主交換機(jī)，都未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲造成影響，切斷備份網(wǎng)絡(luò)同樣沒有影響，說明數(shù)字網(wǎng)絡(luò)雙重備份達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。然后，切斷所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（數(shù)字信號(hào)），控制室所播放的音頻信號(hào)同樣未產(chǎn)生中斷，模擬備份方式正常發(fā)揮作用。最后，分別將一臺(tái)調(diào)音臺(tái)斷電，系統(tǒng)也仍然正常運(yùn)行。該系統(tǒng)的多重備份設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

同時(shí)，在改造完成后的系統(tǒng)中，可以通過構(gòu)建的數(shù)字音頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)揚(yáng)聲器的工作狀態(tài)，如圖6所示，并在故障時(shí)報(bào)警。

該系統(tǒng)完成后，通過了2022年北京冬奧會(huì)組委會(huì)的初步驗(yàn)收，并成功地服務(wù)了2019年男籃世界杯。在后續(xù)的項(xiàng)目中，將繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并不斷應(yīng)用新技術(shù)，繼續(xù)完善針對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)的安全性，努力設(shè)計(jì)一種“萬(wàn)無(wú)一失”的方案以滿足不同的需求。