體育館擴聲系統(tǒng)的備份設計與實現(xiàn)
——以北京五棵松凱迪拉克中心為例

楊 逴，楊國松

（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)化運作的發(fā)展，其功能不只局限于體育賽事，演唱會、發(fā)布會、電競賽事、年會等多種用途，成為舉辦演藝、文化活動的重要場所。為保障國際、國內(nèi)重大賽事以及各項活動的正常進行，需要選用品質(zhì)上乘、穩(wěn)定性好的設備，需要更加穩(wěn)定、安全的擴聲系統(tǒng)解決方案。

針對當前體育館的使用功能、技術發(fā)展的變化，對于體育館擴聲系統(tǒng)的設計，更強調(diào)系統(tǒng)的整體安全性，而采用網(wǎng)絡設備和技術是很有效的方法。筆者以北京五棵松凱迪拉克中心擴聲系統(tǒng)升級改造的設計為例，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)設計思路及其自動倒備方式的實現(xiàn)。

1 設計思路

北京五棵松凱迪拉克中心是北京承辦國際、國內(nèi)重大賽事、大型活動的主要場館之一，使用率極高。為迎接2019年男籃世界杯、2022年北京冬奧會，對擴聲系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)進行了整體改造，在滿足擴聲基本功能的基礎上，重點提升其安全性，最大程度地保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時仍能正常運行，避免對現(xiàn)場使用產(chǎn)生影響；提升安全性的另一措施是，簡化系統(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聲系統(tǒng)

改造前的擴聲系統(tǒng)，音頻傳輸多采用模擬信號，并且僅使用了1臺調(diào)音臺，沒有考慮備份設計，如圖1所示，缺乏對突發(fā)情況的應對能力，一旦某個設備節(jié)點出現(xiàn)故障，將會波及整個系統(tǒng)的正常運行。

改造后的擴聲系統(tǒng)，采用成熟、穩(wěn)定的技術及冗余的設計方案。系統(tǒng)設備采用模擬信號與Dante數(shù)字信號兩種方式同時傳輸，Dante數(shù)字信號為首選方式，Dante系統(tǒng)同時具備一套備份系統(tǒng)；系統(tǒng)中設置2臺調(diào)音臺，同時將音頻信號送至功率放大器。整個系統(tǒng)實現(xiàn)任意一條線路或調(diào)音臺出現(xiàn)故障時可以無縫切換到其他線路，實現(xiàn)不間斷、低延時的實時切換，以保證系統(tǒng)安全運行。

圖2 改造后凱迪拉克中心的擴聲系統(tǒng)

2 擴聲系統(tǒng)的多種備份方案

2.1 Dante/OMENO音頻傳輸技術特點

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

（1）低延遲、更小的信號衰減及更強的抗干擾性

首先，體育館通常是一個很大的空間，尤其是凱迪拉克中心，擁有18 000個席位的體育館，無論從場地的信號接口位置到控制室，還是控制室到揚聲器點位，布線距離都非常長，因此，傳輸延遲、信號衰減量顯得至關重要。

Dante信號相較于Cobranet等其他數(shù)字音頻技術，通道更多，延遲更小，千兆網(wǎng)絡環(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]。長距離傳輸介質(zhì)還可以選擇光纖，可使信號的衰減更小。同時，體育館擁有各種龐大復雜的電氣管線系統(tǒng)，當音頻信號線經(jīng)過這些線纜的公共路由時也會被其干擾，使用光纖傳輸Dante信號可以避免其他線纜對音頻信號產(chǎn)生干擾。

（2）容錯率高、兼容性強

Dante信號傳輸穩(wěn)定，同時擁有多重自我修復機制來應對網(wǎng)絡故障。Dante信號兼容性強，可與TCP/IP協(xié)議等不同協(xié)議的信號同在一個網(wǎng)絡架構(gòu)下傳輸，無需單獨建網(wǎng)，可以提升擴聲系統(tǒng)的簡潔性，降低維護難度。在體育館擴聲系統(tǒng)中，除音頻信號，同時也有如中控信號等其他信號，音響設備多支持Dante協(xié)議，它們之間可以很好地兼容并進行信號傳輸。

（3）直觀、操作簡便

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，一個直觀的、操作簡便的系統(tǒng)更便于場館與活動使用方進行對接。如采用ZeroConf零網(wǎng)絡配置協(xié)議的Dante技術可以自動檢測設備接口分配IP，不用進行復雜的設置，系統(tǒng)會自動選取主時鐘，加入網(wǎng)絡的其他設備便會自動同步；主時鐘設備下線后系統(tǒng)會自動選舉下一個可用主時鐘設備，可以實現(xiàn)“即插即用”不局限于網(wǎng)絡接口的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，在兼容Dante的基礎上，還可以傳輸控制信號，用于控制功率放大器實現(xiàn)調(diào)試聲場、檢測揚聲器、產(chǎn)生工作狀態(tài)報告及熱備切換等功能。

2.2 擴聲系統(tǒng)的多重備份架構(gòu)

為實現(xiàn)擴聲系統(tǒng)不間斷的運行，為凱迪拉克中心的擴聲系統(tǒng)設計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)絡與傳統(tǒng)模擬信號線路。主調(diào)音臺從數(shù)字網(wǎng)絡接收信號并通過數(shù)字網(wǎng)絡輸出至數(shù)字功率放大器；備份調(diào)音臺通過數(shù)字網(wǎng)絡接入比賽場地的信號，通過模擬信號線路接收控制室設備的信號，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)設定條件判斷選擇。由此，形成雙重數(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。

擴聲系統(tǒng)的數(shù)字音頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)為星型拓撲結(jié)構(gòu)，核心節(jié)點為一主一備份2臺交換機，組成兩個獨立的、平行的網(wǎng)絡，其他設備均通過交換機接入網(wǎng)絡，如圖3所示。兩個網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和信號路由完全相同，其作用為數(shù)字音頻信號的熱備份，當主網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時可實現(xiàn)音頻信號的無縫切換。

2臺調(diào)音臺同時進行音頻信號處理，由主調(diào)音臺通過Dante信號輸出，由備份調(diào)音臺輸出模擬信號。信號選擇順序依次為主調(diào)音臺Dante主信號、主調(diào)音臺Dante備份信號、備份調(diào)音臺模擬信號。由于功率放大器同時接收主、備、模送來的信號，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，在使用數(shù)字信號的情況下，Dante網(wǎng)絡自行選擇網(wǎng)絡中各部分信號是否使用主信號，如圖4所示。

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

圖3 多重熱備份的系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 末端信號路由的判斷邏輯

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的無縫切換，需要做到2臺調(diào)音臺同時獲得數(shù)字信號與模擬信號的輸入。

3.1 數(shù)字調(diào)音臺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Soundcraft的Si Performer 3數(shù)字調(diào)音臺配置1臺ACE Link-Si鏡像切換器。

該調(diào)音臺配有HiQnet接口，用以遠程控制調(diào)音臺。利用該接口，將2臺調(diào)音臺通過鏡像切換器連接。啟動調(diào)音臺后，鏡像切換器會將首先啟動接入的調(diào)音臺作為主調(diào)音臺，此時備份調(diào)音臺會鎖定推子和增益旋鈕，所有通道的增益、均衡、壓限等狀態(tài)會實時從主調(diào)音臺獲得，備份調(diào)音臺只能進行系統(tǒng)菜單操作。當主調(diào)音臺掉線時，備份調(diào)音臺的狀態(tài)與主調(diào)音臺完全相同，此時備份調(diào)音臺所有鎖定全部釋放，代替主調(diào)音臺繼續(xù)對系統(tǒng)進行操控。因為這種鏡像同步只對調(diào)音臺通道的狀態(tài)進行同步，2臺調(diào)音臺可以保持各自對通道的定義（例如主調(diào)音臺將MIX輸出通道信號分配至Dante 1，備份調(diào)音臺將MIX輸出通道信號分配至LineOut1），這樣即可實現(xiàn)2臺調(diào)音臺分別以不同方式輸出相同的音頻信號。

當遇到主調(diào)音臺死機或主調(diào)音臺不響應操作但并未掉線時，雖然功率放大器已自動將信號源切換至備份調(diào)音臺模擬信號，但仍需要斷開鏡像切換器電源以釋放備份調(diào)音臺操作鎖定。當遇到鏡像切換器故障時，斷開切換器排除故障，重新連接后即可恢復2臺調(diào)音臺的同步，斷開切換器僅停止2臺調(diào)音臺的同步功能并釋放對備份調(diào)音臺的鎖定，并不影響2臺調(diào)音臺的正常工作。

3.2 數(shù)字信號與模擬信號的配置

每臺調(diào)音臺具有2個擴展板卡槽位，其中一個安裝SIO-Dante數(shù)字音頻卡并連接至相應主備交換機；音頻卡將來自不同音源設備的各路音頻信號按使用需求配置給主調(diào)音臺相應通道，備份調(diào)音臺各輸入輸出通道設置為對應模擬接口（如場地沒有設置模擬信號接口，備份調(diào)音臺所連接的場地接口使用雙備份的Dante信號，與主調(diào)音臺相同）；最后將2臺調(diào)音臺的HiQnet接口與鏡像切換器的LAN口連接，即可完成對調(diào)音臺的配置。

如有需要，可在另一個擴展卡槽配置MIDI板卡連接舞臺接口箱，作為擴展方案。也可在HiQnet接口與切換器LAN口連接時串聯(lián)無線路由器，可以實現(xiàn)對調(diào)音臺的遠程控制。

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

4 音頻信號的輸出方式及功率放大器的配置

系統(tǒng)中要實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號無縫自動切換的功能，功率放大器的作用是至關重要的。該項目選配的是DYNACORD的IPX系列功率放大器，支持OMNEO傳輸協(xié)議，可以監(jiān)測導頻信號、根據(jù)設定自動切換信號源。當檢測不到信號中設定的導頻信號，將自動切換至備用信號通道。功率放大器跟隨揚聲器就近安裝，場地中每個方向各4臺功率放大器，編為一組，通過網(wǎng)線、光纖與控制室交換機相連傳送OMNEO信號，同時傳輸音頻信號與控制信號；每組分別再用一條模擬音頻信號線連接備份調(diào)音臺。

在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，由于無法直接監(jiān)測混音后的音頻信號判斷線路是否正常，所以需要在混音后的信號中加入一個人耳不可聽且恒定的單一頻率信號，再通過監(jiān)測該頻率電平來判斷線路是否正常。首先在主調(diào)音臺的信號發(fā)生器（OSC）中給每個混音通道的輸出信號加入指定的導頻信號（此項目中設定為20 kHz）。在控制電腦上通過IRIS-Net 軟件設置功率放大器識別20 kHz頻率信號，識別強度為在調(diào)音臺上加入的導頻信號電平，如圖5所示。對于功率放大器，將主要信號源設為Dante，并實時監(jiān)測Dante信號中是否含有導入的20 kHz信號，如未在信號中檢測到，故障轉(zhuǎn)移（Failover）功能自動切為第二種傳輸方式即備份調(diào)音臺輸出的模擬信號；除此之外，還要設置恢復使用Dante音頻信號的釋放時間，功率放大器在切換至第二種備份輸入方式時，對主要信號的導頻信號檢測并沒有停止。這一過程可以做到現(xiàn)場擴聲系統(tǒng)無中斷。

當數(shù)字音頻網(wǎng)絡的故障排除，信號重新恢復，功率放大器內(nèi)置處理器檢測到導頻信號，經(jīng)過一定時間自行切換回數(shù)字輸入方式，切換時間由用戶設定，一般不用設置過長，當然這個過程也是無中斷的。

圖5 IRIS-Net 軟件 監(jiān)聽部分設置

5 系統(tǒng)供電的配置

在體育館的供電系統(tǒng)中，一般會配有2套獨立的擴聲專用供電系統(tǒng)。當供電系統(tǒng)進行切換時，會有短暫的斷電狀態(tài)，此時擴聲系統(tǒng)中的調(diào)音臺、交換機等設備就會關機，而這些設備重新啟動又需要時間，進而影響場館中活動的進行。除此之外，體育館供電系統(tǒng)遇到操作不當產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓，也會對擴聲系統(tǒng)中的設備造成沖擊甚至損壞。因此，在設計中，所有設備的供電均經(jīng)過時序電源，起到防止電涌、過載，穩(wěn)定電壓的作用；對于調(diào)音臺、交換機等需要避免斷電的設備還要加裝不間斷電源。這樣可以使擴聲系統(tǒng)處在一個安全供電的狀態(tài)下。

圖6 IRIS-Net實時監(jiān)測界面

6 系統(tǒng)測試及使用效果

系統(tǒng)設計、安裝、調(diào)試完成后，針對體育館實際運營中可能發(fā)生的各種突發(fā)情況進行了專門測試，以驗證是否可以實現(xiàn)多種備份的無縫切換。首先，切斷Dante主網(wǎng)絡中的任何一段網(wǎng)線或關閉主交換機，都未對現(xiàn)場擴聲造成影響，切斷備份網(wǎng)絡同樣沒有影響，說明數(shù)字網(wǎng)絡雙重備份達到預期目標。然后，切斷所有網(wǎng)絡設備（數(shù)字信號），控制室所播放的音頻信號同樣未產(chǎn)生中斷，模擬備份方式正常發(fā)揮作用。最后，分別將一臺調(diào)音臺斷電，系統(tǒng)也仍然正常運行。該系統(tǒng)的多重備份設計達到預期目標。

同時，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)絡實現(xiàn)遠程、實時監(jiān)測揚聲器的工作狀態(tài)，如圖6所示，并在故障時報警。

該系統(tǒng)完成后，通過了2022年北京冬奧會組委會的初步驗收，并成功地服務了2019年男籃世界杯。在后續(xù)的項目中，將繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗，并不斷應用新技術，繼續(xù)完善針對擴聲系統(tǒng)的安全性，努力設計一種“萬無一失”的方案以滿足不同的需求。