杨 逴，杨国松

（北京广电通系统集成有限公司，北京 101318）

随着体育馆商业化运作的发展，其功能不只局限于体育赛事，演唱会、发布会、电竞赛事、年会等多种用途，成为举办演艺、文化活动的重要场所。为保障国际、国内重大赛事以及各项活动的正常进行，需要选用品质上乘、稳定性好的设备，需要更加稳定、安全的扩声系统解决方案。

针对当前体育馆的使用功能、技术发展的变化，对于体育馆扩声系统的设计，更强调系统的整体安全性，而采用网络设备和技术是很有效的方法。笔者以北京五棵松凯迪拉克中心扩声系统升级改造的设计为例，阐述提高系统安全性的备份解决方案，分析多重主备架构设计思路及其自动倒备方式的实现。

1 设计思路

北京五棵松凯迪拉克中心是北京承办国际、国内重大赛事、大型活动的主要场馆之一，使用率极高。为迎接2019年男篮世界杯、2022年北京冬奥会，对扩声系统、视频系统、灯光系统进行了整体改造，在满足扩声基本功能的基础上，重点提升其安全性，最大程度地保证系统在出现故障时仍能正常运行，避免对现场使用产生影响；提升安全性的另一措施是，简化系统结构，减少操作环节。

图1 改造前凯迪拉克中心的扩声系统

改造前的扩声系统，音频传输多采用模拟信号，并且仅使用了1台调音台，没有考虑备份设计，如图1所示，缺乏对突发情况的应对能力，一旦某个设备节点出现故障，将会波及整个系统的正常运行。

改造后的扩声系统，采用成熟、稳定的技术及冗余的设计方案。系统设备采用模拟信号与Dante数字信号两种方式同时传输，Dante数字信号为首选方式，Dante系统同时具备一套备份系统；系统中设置2台调音台，同时将音频信号送至功率放大器。整个系统实现任意一条线路或调音台出现故障时可以无缝切换到其他线路，实现不间断、低延时的实时切换，以保证系统安全运行。

图2 改造后凯迪拉克中心的扩声系统

2 扩声系统的多种备份方案

2.1 Dante/OMENO音频传输技术特点

Dante数字音频传输技术是一种基于三层的IP网络技术（在这里不做赘述），体育馆扩声系统采用该技术，主要原因如下。

（1）低延迟、更小的信号衰减及更强的抗干扰性

首先，体育馆通常是一个很大的空间，尤其是凯迪拉克中心，拥有18 000个席位的体育馆，无论从场地的信号接口位置到控制室，还是控制室到扬声器点位，布线距离都非常长，因此，传输延迟、信号衰减量显得至关重要。

Dante信号相较于Cobranet等其他数字音频技术，通道更多，延迟更小，千兆网络环境下，采用48 kHz采样率可以支持1 024双向通道，并且延迟0.08 ms[1]。长距离传输介质还可以选择光纤，可使信号的衰减更小。同时，体育馆拥有各种庞大复杂的电气管线系统，当音频信号线经过这些线缆的公共路由时也会被其干扰，使用光纤传输Dante信号可以避免其他线缆对音频信号产生干扰。

（2）容错率高、兼容性强

Dante信号传输稳定，同时拥有多重自我修复机制来应对网络故障。Dante信号兼容性强，可与TCP/IP协议等不同协议的信号同在一个网络架构下传输，无需单独建网，可以提升扩声系统的简洁性，降低维护难度。在体育馆扩声系统中，除音频信号，同时也有如中控信号等其他信号，音响设备多支持Dante协议，它们之间可以很好地兼容并进行信号传输。

（3）直观、操作简便

通常情况下，体育馆很难做到齐备地配置音频工程师、调音师等专业人员，而体育馆的使用模式又多种多样，因此，一个直观的、操作简便的系统更便于场馆与活动使用方进行对接。如采用ZeroConf零网络配置协议的Dante技术可以自动检测设备接口分配IP，不用进行复杂的设置，系统会自动选取主时钟，加入网络的其他设备便会自动同步；主时钟设备下线后系统会自动选举下一个可用主时钟设备，可以实现“即插即用”不局限于网络接口的IP地址[2]。

OMNEO传输协议是一种基于Dante再次开发的数字音频传输技术，在兼容Dante的基础上，还可以传输控制信号，用于控制功率放大器实现调试声场、检测扬声器、产生工作状态报告及热备切换等功能。

2.2 扩声系统的多重备份架构

为实现扩声系统不间断的运行，为凯迪拉克中心的扩声系统设计了包含多种备份方式的系统架构，具有热备份功能的主、备Dante数字音频网络与传统模拟信号线路。主调音台从数字网络接收信号并通过数字网络输出至数字功率放大器；备份调音台通过数字网络接入比赛场地的信号，通过模拟信号线路接收控制室设备的信号，并通过模拟线路输出至数字功率放大器，最后由功率放大器根据设定条件判断选择。由此，形成双重数字备份与模拟备份的多重备份架构，保证系统的安全性。

扩声系统的数字音频网结构为星型拓扑结构，核心节点为一主一备份2台交换机，组成两个独立的、平行的网络，其他设备均通过交换机接入网络，如图3所示。两个网络的结构和信号路由完全相同，其作用为数字音频信号的热备份，当主网络出现故障时可实现音频信号的无缝切换。

2台调音台同时进行音频信号处理，由主调音台通过Dante信号输出，由备份调音台输出模拟信号。信号选择顺序依次为主调音台Dante主信号、主调音台Dante备份信号、备份调音台模拟信号。由于功率放大器同时接收主、备、模送来的信号，因此，功率放大器的判断逻辑为首先由功率放大器选择是否使用数字信号，在使用数字信号的情况下，Dante网络自行选择网络中各部分信号是否使用主信号，如图4所示。

需要注意的是，Dante接口分为“PRIMARY”与“SECONDARY”，任何设备接反都会使主网络与备网络相连造成故障。后期如需添加设备也应以同样方式接入交换机。

图3 多重热备份的系统架构

图4 末端信号路由的判断逻辑

3 系统热备份切换方式

在此系统框架下，如何在遇到故障的情况下做到音频信号的无缝切换，需要做到2台调音台同时获得数字信号与模拟信号的输入。

3.1 数字调音台与镜像切换器的使用

在本系统中综合考虑了功能性、操作直观与便捷性等多种因素，使用了2台Soundcraft的Si Performer 3数字调音台配置1台ACE Link-Si镜像切换器。

该调音台配有HiQnet接口，用以远程控制调音台。利用该接口，将2台调音台通过镜像切换器连接。启动调音台后，镜像切换器会将首先启动接入的调音台作为主调音台，此时备份调音台会锁定推子和增益旋钮，所有通道的增益、均衡、压限等状态会实时从主调音台获得，备份调音台只能进行系统菜单操作。当主调音台掉线时，备份调音台的状态与主调音台完全相同，此时备份调音台所有锁定全部释放，代替主调音台继续对系统进行操控。因为这种镜像同步只对调音台通道的状态进行同步，2台调音台可以保持各自对通道的定义（例如主调音台将MIX输出通道信号分配至Dante 1，备份调音台将MIX输出通道信号分配至LineOut1），这样即可实现2台调音台分别以不同方式输出相同的音频信号。

当遇到主调音台死机或主调音台不响应操作但并未掉线时，虽然功率放大器已自动将信号源切换至备份调音台模拟信号，但仍需要断开镜像切换器电源以释放备份调音台操作锁定。当遇到镜像切换器故障时，断开切换器排除故障，重新连接后即可恢复2台调音台的同步，断开切换器仅停止2台调音台的同步功能并释放对备份调音台的锁定，并不影响2台调音台的正常工作。

3.2 数字信号与模拟信号的配置

每台调音台具有2个扩展板卡槽位，其中一个安装SIO-Dante数字音频卡并连接至相应主备交换机；音频卡将来自不同音源设备的各路音频信号按使用需求配置给主调音台相应通道，备份调音台各输入输出通道设置为对应模拟接口（如场地没有设置模拟信号接口，备份调音台所连接的场地接口使用双备份的Dante信号，与主调音台相同）；最后将2台调音台的HiQnet接口与镜像切换器的LAN口连接，即可完成对调音台的配置。

如有需要，可在另一个扩展卡槽配置MIDI板卡连接舞台接口箱，作为扩展方案。也可在HiQnet接口与切换器LAN口连接时串联无线路由器，可以实现对调音台的远程控制。

该系统中，所有传声器、音源设备、场地接口箱等输入信号按顺序分配至调音台A/B两面各路通道，C面分别设置东、西、南、北与场地音箱五路混音输出通道，按使用需要分别混音。

4 音频信号的输出方式及功率放大器的配置

系统中要实现数字信号与模拟信号无缝自动切换的功能，功率放大器的作用是至关重要的。该项目选配的是DYNACORD的IPX系列功率放大器，支持OMNEO传输协议，可以监测导频信号、根据设定自动切换信号源。当检测不到信号中设定的导频信号，将自动切换至备用信号通道。功率放大器跟随扬声器就近安装，场地中每个方向各4台功率放大器，编为一组，通过网线、光纤与控制室交换机相连传送OMNEO信号，同时传输音频信号与控制信号；每组分别再用一条模拟音频信号线连接备份调音台。

在系统的调试过程中，由于无法直接监测混音后的音频信号判断线路是否正常，所以需要在混音后的信号中加入一个人耳不可听且恒定的单一频率信号，再通过监测该频率电平来判断线路是否正常。首先在主调音台的信号发生器（OSC）中给每个混音通道的输出信号加入指定的导频信号（此项目中设定为20 kHz）。在控制电脑上通过IRIS-Net 软件设置功率放大器识别20 kHz频率信号，识别强度为在调音台上加入的导频信号电平，如图5所示。对于功率放大器，将主要信号源设为Dante，并实时监测Dante信号中是否含有导入的20 kHz信号，如未在信号中检测到，故障转移（Failover）功能自动切为第二种传输方式即备份调音台输出的模拟信号；除此之外，还要设置恢复使用Dante音频信号的释放时间，功率放大器在切换至第二种备份输入方式时，对主要信号的导频信号检测并没有停止。这一过程可以做到现场扩声系统无中断。

当数字音频网络的故障排除，信号重新恢复，功率放大器内置处理器检测到导频信号，经过一定时间自行切换回数字输入方式，切换时间由用户设定，一般不用设置过长，当然这个过程也是无中断的。

图5 IRIS-Net 软件 监听部分设置

5 系统供电的配置

在体育馆的供电系统中，一般会配有2套独立的扩声专用供电系统。当供电系统进行切换时，会有短暂的断电状态，此时扩声系统中的调音台、交换机等设备就会关机，而这些设备重新启动又需要时间，进而影响场馆中活动的进行。除此之外，体育馆供电系统遇到操作不当产生的不稳定电压，也会对扩声系统中的设备造成冲击甚至损坏。因此，在设计中，所有设备的供电均经过时序电源，起到防止电涌、过载，稳定电压的作用；对于调音台、交换机等需要避免断电的设备还要加装不间断电源。这样可以使扩声系统处在一个安全供电的状态下。

图6 IRIS-Net实时监测界面

6 系统测试及使用效果

系统设计、安装、调试完成后，针对体育馆实际运营中可能发生的各种突发情况进行了专门测试，以验证是否可以实现多种备份的无缝切换。首先，切断Dante主网络中的任何一段网线或关闭主交换机，都未对现场扩声造成影响，切断备份网络同样没有影响，说明数字网络双重备份达到预期目标。然后，切断所有网络设备（数字信号），控制室所播放的音频信号同样未产生中断，模拟备份方式正常发挥作用。最后，分别将一台调音台断电，系统也仍然正常运行。该系统的多重备份设计达到预期目标。

同时，在改造完成后的系统中，可以通过构建的数字音频网络实现远程、实时监测扬声器的工作状态，如图6所示，并在故障时报警。

该系统完成后，通过了2022年北京冬奥会组委会的初步验收，并成功地服务了2019年男篮世界杯。在后续的项目中，将继续总结经验，并不断应用新技术，继续完善针对扩声系统的安全性，努力设计一种“万无一失”的方案以满足不同的需求。