北京天桥艺术中心大剧场扩声系统信号网络传输及冗余技术的实现

赵保忠 高茂水 陶建新

【摘 要】 以天桥艺术中心大剧场扩声系统设计为例，解析利用SD7数字调音台的OPTOCORE光纤传输技术，实现系统环型 拓扑结构的光纤信号传输网络，以及系统的冗余备份设计。

【关键词】 扩声系统；SD7数字调音台；光纤环网；镜像备份；实时切换；增益共享

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.06.008

【Abstract】The author studied the sound reinforcement system design in Beijing Tianqiao Theatre. This paper analyzes the application of OPTOCORE optical transmission technology in SD7 digital mixing console， which forms the optical signal transmission network with ring topology. It also demonstrates the redundancy backup design of the system.

【Key Words】sound reinforcement system； SD7 digital mixing console； optical ring network； image backup； real-time switch； gain sharing

进入21世纪，中国新剧场建设的体量在逐渐扩大，新建剧场中对声频系统的先进性、安全性等要求也越来越高，有的多功能综合剧场声音信号的通路可达上百路之多，如何减少这些声音信号在远距离传输中的衰减、失真，控制系统的安全备份以及对信号资源共享调配等问题，都是剧场声频系统设计的要点，也是保证剧场音质和最终效果的关键。

2015年的第四季《中国好声音》年度总决赛“巅峰之夜”在可以容纳八万观众的鸟巢举行，声频系统的复杂程度也远超越一般的演唱会，采用调音台强大的光纤环网及系统镜像备份功能满足了音频信号的传输和备份的需求。目前，专业剧场声频技术与户外大型扩声系统技术的需求相似，须配备高效传输和全面备份系统。笔者以北京天桥艺术中心大剧场为实际案例，解析光纤网络音频信号传输及冗余备份的解决方案。

1 大剧场主要功能

北京天桥艺术中心是以音乐剧、戏剧、家庭秀为主的“国际化演艺舞台”， 通过多元化的运营策略，汇聚世界经典剧目，打造国内舞台精品，开创全新的演艺产业模式，使其成为国际艺术文化的交流与创新平台，促进首都演艺的国际化发展。

北京天桥艺术中心占地16 500 m2，建筑面积75 000 m2。天桥艺术中心是一个现代化的剧场群，包括一座1 600座的综合性大剧场（见图1）、一座1 000座的中剧场、一座400座的小剧场和一座300座的多功能剧场。

其中大剧场的声频系统是以满足国内外音乐剧演出为主，兼顾综艺晚会、话剧、舞剧、小型演唱会、芭蕾、歌剧、交响音乐会等的演出，因此特别设计了VIVACE电子可调混响与效果声系统的使用切换功能；同时具备现场多轨录制和回放功能。

2 扩声系统设计理念及目标

大剧场是以音乐剧演出为主的专业综合剧场，其扩声系统设计理念和目标为：

（1）扩声系统先进、可靠、安全，设备符合国家标准和ISO（国际标准化组织）及CIE（国际电工协会）通行标准规范；

（2）适应多声道信号模式，兼容VIVACE电子可调混响系统的音频通道；

（3）满足各种剧目多场景编辑及控制功能，提供现场调音和返送调音；

（4）扩声系统功能全面、安全稳定、操作灵活、具有可扩展性；

（5）保证扩声系统信号的传输质量，提高信噪比和抗干扰能力。

3 音频信号光纤网络传输系统架构及信号流程

3.1 光纤网络音频信号传输系统架构

大剧场采用了近全光纤网络化的系统构建方式，舞台区域设置的模拟音频信号接口箱负责“采集”原始模拟信号，之后汇集到中心信号机房，信号在此房间通过DIGICO调音台的光纤基站被转换为光纤信号，同时在剧场的音响控制室、上下场门、功放机房、现场调音位也设置光纤基站，利用数字调音台的OPTOCORE光纤传输技术，形成环型拓扑结构光纤网络。OPTOCORE是支持多种格式的专业音视频信号以及大部分计算机数据类型的双环冗余光纤传输系统，它的特点是高保真、高带宽。DIGICO的整个OPTOCORE光纤（单环）网络可以容纳：

（1）14个光纤基站（不包含本地MADI基站），光纤地址分配使用OPTO 1.11～1.24；

（2）10个调音台或5个主备调音台，调音台控制ID1～ID10 ；

（3）在采样频率为96 kHz时，光纤网络同时容纳504路音频输入和输出。

大剧场音频信号光纤网络传输系统框图见图2。为提高系统信号的传输质量及抗干扰性，设计了舞台上120路模拟音频信号接入DIGICO数字调音台环型拓扑结构光纤网络信号传输系统，同时音响控制室基站和预留光纤接口接入的信号也一起进入光纤网络传输系统。

系统共设计使用7个固定光纤基站，分布在信号交换机房、音响控制室、功放机房，同时在舞台上下场口和现场调音位预留光纤接口作为接入点，配置1个光纤基站流动使用，可以随时连接在预留光纤接口处，以上光纤基站和预留光纤接口通过安装在信号交换机房的光纤跳线盘实现接入和环通。调音台界面和流动光纤基站采用的是DIGICO的HMA多模光纤接口，固定光纤基站采用的是订制ST光纤接口，通过四芯多模光纤传输所有音频信号。

这样的光纤传输方式，可以保证在每一个光纤基站位置的信号均能直接收发音频信号，不用进行复杂的模拟信号物理跳接，只需在控制系统进行软件配线就可以实现任意通道的路由分配。

系统中具体设备配置如下。

1）信号机房

2台 DIGICO SD-RACK-ST光纤基站，共包含112路传声器/线路输入，32路线路输出，40路AES输出 ；1台SD-MINI-RACK-ST光纤基站，包含8路传声器/线路输入，24路AES输入，24路AES输出。每台基站都有独立的网络ID，分别是OPTO 1.11、OPTO 1.12、OPTO 1.13。每一台基站都带Word Clock时钟接口，采用双冗余热备份电源。

2）音响控制室

1张SD7T双引擎调音台界面，带4个冗余备份MADI接口，HMA光纤接口，本地12路传声器/线路输入，12路线路输出，12路AES输入/输出 ；配置1台 DIGICO SD-RACK-ST光纤基站，共包含56路传声器/线路输入，16路线路输出；1台SD-MINI-RACK-ST光纤基站，包含8路传声器/线路输入，24路AES输入，24路AES输出。每台基站都有独立的网络ID，分别是OPTO 1.14、OPTO 1.15。每一台基站都带Word Clock时钟接口，采用双冗余热备份电源。

3）功放机房

左右功放机房各配置1台 DIGICO SD-RACK-ST光纤基站，每个光纤基站包含16路线路输出，32路AES输出。每台基站都有独立的网络ID，分别是OPTO 1.16、OPTO 1.17。每一台基站都带Word Clock时钟接口，采用双冗余热备份电源。

4）流动设备

1张SD10调音台界面，带2个冗余备份MADI接口，HMA光纤接口，本地8路传声器/线路输入，8路线路输出，8路AES输入/输出 。配置1台 DIGICO SD-RACK-HMA流动光纤基站，共包含24路传声器/线路输入，24路线路输出，8路AES输入，8路AES输出。流动基站有独立的网络ID，是OPTO 1.18。每一台基站都带Word Clock时钟接口，采用双冗余热备份电源。

SD10和DIGICO SD-RACK-HMA是流动使用的设备，当有演出需要时，可以接入舞台上下场口或现场调音位预留的光纤接口上面，实现光纤网络的节点设备增加和环通。

光纤基站的输入输出音频接口总数量为448路，固定和流动数字调音台可直接设置光纤基站的接口分配。所有的调音台可共享光纤基站的输入，使用调音台增益追踪功能，每张调音台台面都有独立控制增益的方式；同时，所有光纤基站的输出也可以被分配到任何一个调音台上使用；且调音台之间通过光纤传输系统，可以实现多通道互传及对话等功能。

3.2 信号流程

大剧场舞台区域分别设置模拟信号接口箱，包括上场门接口箱、下场门接口箱，上场门/下场门侧墙接口箱，后舞台左右接口箱，乐池左右接口箱，乐池上空左右接口箱，一道、二道面光接口箱，一层天桥左右接口箱，舞台栅顶左右接口箱，左右耳光侧墙接口箱，挑台左右接口箱。

所有模拟接口箱一共配置了148路传声器信号接口。根据使用功能，选择其中64路常用传声器输入通道，进入4台16路HIROSYS 16PMSA无源一分三传声器分配器，将64路信号分为3组互不干扰的信号，分别送至信号机房数字调音台光纤基站、数字备份调音台基站和模拟舞台综合接口箱。其余第65～148路传声器信号通道全部跨接在跳线盘上，根据需求灵活跳接。

其中，1～120路传声器信号通道通过信号机房光纤基站进入数字调音台光纤信号传输系统，同时进入光纤信号传输系统的还有音响控制室的传声器信号通道、周边信号通道等。整个扩声系统信号简单流程如图3所示。

4 扩声系统的冗余备份

4.1 调音台自身功能的冗余备份

大剧场配置的主调音台选择DIGICO SD7T（双核冗余备份剧场版）（见图4）具有253个单声道或立体声输入，其独特的Flexi通道处理技术，可以把253个单声道变成253个立体声通道，实现一共506个通道输入；122条母线，32×32矩阵，36个VCA控制编组，32个32段图示均衡，具有动态均衡，适合大型剧场以及现场调音时的应用；253个多频段压缩器、253个DIGITuBes （电子管）等的应用，使音质效果更加清晰，并可以达到模拟调音台的音响效果。同时，具有为剧目设计高级Cue（场景）控制，以及相应的场景列表和场景通道、矩阵节点延时调节等功能，自动场景更新和通道开关颜色提醒功能。

SD7T更独特的设计是，自身拥有两套具有Stealth技术、DSP的核心处理模块A、B，即一主一备，见图5，并分别独立运行；电源也采用双冗余热备份。整个光纤网络中，A、B同时共享光纤数据和音频输入信号，进行镜像备份，系统文件、设置参数、音色调整完全一致，推杆联动，参数数据实时同步，形成调音台冗余互相备份系统。

系统正常使用时，使用数字调音台主模块A进行扩声，当其出现故障，模块B会自动启动，转换过程感觉不到，演出可以正常进行。故障排除后仍恢复镜像联动控制。

在安全情况下，也可手动任意选择A、B切换控制声音的输出，见图6，不中断，节目的音色和效果完全一致、同步。

另外，用于流动和返送的调音台选用一张DIGICO SD10（现场版），具有96个全处理通道，其中12个flexi通道，最多48条母线，16×16矩阵，24个VCA控制编组，24个32段图示均衡。

DIGICO SD7T 调音台具有52个100 mm物理电动触感推子，SD10 具有37个100 mm物理电动触感推子。

同时，DIGICO不同版本的调音台（现场版、广播版、剧院版）之间可以自由切换（见图7），能够在同一个光纤环网中使用。

4.2 系统的冗余备份

考虑系统的安全性，设计了多重备份方案。

1）调音台的备份

剧场配置了YAMAHA CL3调音台作为扩声系统的备份调音台，从而使整个系统实现多重备份。

2）光纤的冗余备份

扩声系统的音频信号传输使用4芯多模光纤（见图8），提供双光纤冗余，实现音频信号传输以及共享。

OPTOCORE提供独特的双向冗余同步环网结构，采用的是手拉手方式连接，即光纤环形网络，见图9。有一个节点设备故障时，光纤可以“反向”传输，系统其他节点仍可以正常运行，多个节点设备故障时，只要光纤节点故障设备（电源冗余）不断电，光纤传输系统仍旧环通，其他节点继续工作，保证整个传输的音频信号不中断。

3）扬声器系统的冗余备份

主扩声扬声器系统使用法国L-ACOUSTICS的线阵列扬声器，使用带有自动数字模拟切换备份功能的数字DSP功放，利用其AES/EBU Fallback To Analog 方法，即AES/EBU 为主输入信号，在遇到数字信号中断时自动切换至模拟信号的方式，确保系统的安全性与稳定性。

5 安装测试

系统中每个节点设备的安装调试对实现设计目标、保障最终效果至关重要。在扩声系统安装过程中，主要控制了以下几个环节。

1）设备的安装

（1）安装前核对设备，按照系统图进行点位设置。

（2）确保设备安装的空间合适，以及安装在机柜上的设备的紧固程度。

2）系统的电气调试

初步安装完成，在开始测试扩声系统之前，要先完成系统的电气调试，采用以下步骤。

（1）系统设备的供电检测：包括输出电压是否符合设备供电要求，以及各供电插座位置、电源的接地等是否正确。

（2）设备工作检测：在检查完成系统连线后，给设备进行通电，检查各设备是否可以正常工作。

3）光纤系统的综合测试

（1）传输线路的检测：包括对输入回路、输出回路、设备间回路的各种连接线路进行检查，判断是否有断路、短路、反极性以及非平衡连接。

（2）光纤通路的检测：包括光纤的熔接头检测，光缆的回路测通，光纤跳线盘（见图10）的跳线环通切换，流动光纤设备的测试。

6 演出使用和评价

北京天桥艺术中心于2015年11月20日正式投入使用后，开启为期三个月的开幕演出季，近30个精彩剧目缤纷上演，如原汁原味的“音乐剧之王”——《剧院魅影》，在大剧场演出64场，再现该剧当年在伦敦西区演出时的盛况。

2015年底《世界和笙》新年音乐会，系统连接方式为主调音台SD7T和流动版本调音台SD10环通在同一个光纤网络中，实现输入信号增益共享、输出混用、调音对话等功能，给观众带来了一场精彩的新年音乐盛宴。

“天桥艺术中心以后将是中国专业音乐剧剧场建设的范本！”韩国舞台工程技术与咨询公司（Stage Engineering Technology and Consulting）资深专家刘载佑等对天桥艺术中心进行了为期一周的技术考察后给出了如是评价。

参考文献：

[1] 张飞碧，项珏编著. 数字音视频及其网络传输技术[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[2] 吴知. 剧场数字音频系统传输网络及其应用[J]. 建筑电气，2010 （7）：60-64.