数字音频矩阵 ——LAWO Nova 系列

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作者：张晋

摘要：本论文主要介绍了德国LAWO 公司开发的Nova 系列数字音频矩阵，包括矩阵类型，单星与双星形拓扑结构，参数设置方式，公认的DALLIS 接口技术，接口类型，工作的采样频率，矩阵的控制方式，数据传输技术等。其中Nova 系列矩阵的三级冗余配置（即主板冗余，板卡冗余和端口冗余）是目前同行业产品的最高冗余配置，并且首次将通信领域中的ATM 数字交换技术应用到音频网络数据传输中，这些都是LAWO 公司Nova 系列产品的特色，是其他厂家无法比拟的。
??关键词：矩阵 拓扑结构 冗余 接口技术 板卡

??当前专业音频领域的数字技术正在蓬勃发展中，由于数字网络化，智能化为专业音频传输带来了传输量大，布线简单，系统化管理，监测灵活和信号资源共享的诸多优点，因而网络化音频传输已成为大型数字系统争先采用的传输技术，德国LAWO公司开发的Nova系列数字音频矩阵就是其中的杰出代表。

??一、矩阵的类型及冗余特性
??包括电源在内，主要有两种类型的矩阵：智能中央矩阵（Nova 73 HD）用于功能和系统的管理，I/O矩阵(Nova 17)作为信号输入/输出接口。未来开发的具有新式音频格式和特性的矩阵能与系统兼容，不存在任何问题.这是由于它的开放式结构使整个系统作为一个非常灵活的平台。其它矩阵包括2048×2048路由，AES3到D-SUB或BNC，MADI，MADI备份连接和ATM。
　　Nova 73 是用于音频信号和其它数据传输的中央矩阵，AES3以及MADI,ATM多通道格式接口可直接连入矩阵核心。此外，LAWO?DALLIS接口技术的应用使系统可以进行多种格式的扩展，可以实现分散式星形结构，即Nova 73 HD 矩阵与其它I/O矩阵采用点对点的星形连接。整个系统各个部件的连接都是备份的(双星结构)。（见下图）

[ 本帖最后由 admin 于 2008-9-28 09:24 编辑 ]

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?LAWO STAR2 结构(双星结构)为系统提供了高度的稳定性和灵活性，这种结构基于内部的双星形拓扑结构，也就是说，在Nova 73 HD中两个中央主卡相连接，每个主卡与其它所有板卡都是点对点的星形连接，在任何一个节点出现问题时，系统都能将其隔离，这种可跳板的点对点连接提高了系统的稳定性。点对点的连接还便于所有激活器件的插拔(热插拔)。系统背板良好的设计使数据传输速率达到40G Bit/s。


[ 本帖最后由 admin 于 2008-9-28 09:26 编辑 ]

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Nona 系列产品又一特色是可以实现三级最高冗余，即主板冗余，板卡冗余和端口冗余，而一般厂家只能做到端口冗余。
??另外，NOVA 目前可以做到ATM (异步传输模式)技术，LAWO 将用于通信的数字交换技术运用到音频网络的厂家，这确保了数据传输最大的可靠性，安全性和经济性。
??Nova 73 具有巨大的潜力，它将开发为全新的数字同步矩阵系统。例如，Nova 73 可实现精确地信号传输。通过调节交叉点的同步时钟切换器，使之与视频矩阵同步，并且可以根据需要一次应用到所有终端。音频数据的透明传输使系统可以传输其它信息和压缩的音频数据流(例如Dolby E)。原则上，交叉点被设为单声道的，但信号可具有任何路通道。合并技术用于将立体声信号合并为独立的单声道信号。
??Nova 73 矩阵的参数设置非常容易。所有的设置都是在所提供的软件帮助下完成的,既可在线也可下线，通过以太网数据传输给系统，连续的设置不用重新启动即可生效。

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二、矩阵功能特点及系统监控???????????????????????????????????????????谈到安装，系统扩展或维护，它将给您带来便利。激活的板卡在系统运行中就可以更换。它不会影响任何无关的器件，当更换I/O板卡时，新的器件将自动加载原来的设置。万一出现问题时，备份器件可自动或手动跳板,通过所提供的软件，您可以对每一次操作情况作全面综合的监控。
??DALLIS (Digital And Line Level Interface System ) (数字音频线路电平接口系统)是一个非常灵活而又通用的I/O系统，它专门为Lawo 矩阵和调音台设计.通过光纤连接它实现了分散式结构，由于它高度的封装密度，也适合于中央化安装。Nova 73 结构与DALLIS是类似的系统。DALLIS矩阵的概念是基于框架的模型，它装载许多不同的插卡，配有各种接口和连接件，这项技术也应用于Nova 17矩阵中。
??Nova 17 矩阵的接口板上接口类型包括模拟话筒，幻象电源，模拟线路，AES/EBU，MADI，ATM，SDI，数据传输RS422和通用接口GPI等。板卡分为主卡和I/O卡两类，中央主卡可以实现信号传输和处理功能，还提供了用于控制和管理的接口。它可以通过MADI端口与数字调音台，其它矩阵或远程MADI端口连接，作为系统扩展，还可以通过光纤连接远程包厢。系统内部的设计为操作的稳定性满足了高质量的要求。例如机架背板的星形设计，与TDM系统相比，可以防止插入的板卡共用接口而带来的潜在隐患。主卡和电源都是备份的,可以跳板。Nova 17 系统还提供了强大的信号处理功能:包括所有输入输出信号增益的调整,均衡处理，压缩处理,限幅处理,立体声到单声道的混音等，信号处理器集成在主卡中,所以它也是备份的。

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Nova 17 工作的采样频率是48KHz( 也可以是44.1KHz)。系统通过BNC线或MADI输入指令时钟实现同步，如果没有外部同步信号源，内部信号发生器将工作。
??矩阵通过以太网，串行接口或CAN bus 控制。系统支持通用协议，例如NTP。Nova 17 可以与自动广播系统配合工作。键盘、鼠标等外部设备能与主卡直接连接。
??整个系统可用友好的图形界面管理,通过以太网传输数据。并且总体逻辑功能,耦合器，延时以及VCAs 在这里定义加以管理。软件强大的网络能力可以对几套系统中央管集成在主卡中的网络服务器提供了独立的平台，便于通过网络监控系统技术。这只需一个传统的浏览器。报警装置连接在系统机架内，提供了附加的监控功能。

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Nova 17 可以成对使用，它也可以和Nova 73 配合使用。Nova 系列数字音频矩阵主要应用于现场广播，音乐制作，无线广播，实况转播等多种场合，相信它会给您的系统提供一流的网络化音频传输服务！


??三、NOVA17 在zirkon数字广播系统中的应用设计
??下图为系统的原理框图，输入/输出信号包括话筒2路，CD、MD、DAT各1路，音频工作站数字4路，音频工作站模拟2路，外部设备模拟1路以及监听2路；系统中控制部分由PC主机、音频矩阵和控制模块三部分组成，PC机用于软件的编程，为系统设计所需的各种功能，并可编辑控制模块上的按键和旋钮，控制模块是音频矩阵的控制面板，而音频矩阵是整套系统的核心，它具有信号处理，转换和传输的功能；系统提供两路话筒输入用于主持人的评论，另外预留两路输入以备系统的扩展，音源部分包括CD、MD和DAT各一台，既可提供背景音乐也可进行声音的录制，外部设备提供了一对输入/输出接口主要用于采集记者专用设备的信号，系统与音频工作站连接，各种信号可进行实时或切换处理，一对近场音箱用于监听。

[ 本帖最后由 admin 于 2008-9-28 09:28 编辑 ]

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??

        系统在启动后主要由控制模块操作，不需要PC机的支持，这为音响调音员提供很大的灵活性，手感到位，并且也能有效地防止死机。
??与传统的模拟系统相比，此套系统具有如下的特性：
??ⅰ系统全模块化设计，提供所需共享备用和快速维护,没有培训的人员也可以直觉性操作；
??ⅱ接口数量可以轻松扩展（达到系统极限）；
??ⅲ音频矩阵中的信号处理由 19 英寸机架中的中央主卡和DSP板卡完成，它被设计安装在设备室中，这可以避免制冷和散热产生的噪声；
??ⅳ控制面板的死机不会影响整体操作，一旦控制面板出现故障，不会干扰音频信号，更换出现故障的部分后，所有操作部件和显示器重新存储，系统继续正常工作；ⅴ一个图形 PC 用户界面可以根据用户具体需要为系统编程，像对讲、演播室切换等；
??ⅵ56/64 路通道 MADI 接口，系统通过接口扩展，接口冗余设计；
??ⅶ音频矩阵提供广泛的DSP 处理源，包括48个总线，32个小型调音台，48个均衡，10个动态（门限，扩展器，压缩器）以及10个限幅器；
??ⅷ音频矩阵中央主卡上的MADI接口便于连接其它系统，插卡扩展槽提供的接口包括：ANALOG LINE/MIC，AES/EBU(采样频率转换器)，SDI，GPI和HEADPHONE；
??ⅸ每一套系统有容易理解的设置软件，图形用户界面可以根据需要设置功能，这只需WINDOWS PC和以太网口，集成的网页服务器能通过传统的浏览器监控整套系统，也可以通过网络（LAN）同步管理几套系统。

[ 本帖最后由 admin 于 2008-9-28 09:29 编辑 ]

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下面介绍具体的板卡配置方案：
??如下图所示，数字音频矩阵共有20个槽位，其中在M1中插入中央主卡94782，M2以备系统扩展，在1中插入94162话筒输入，在3中插入94212监听音箱板，在5中插入94183模拟输入/输出，在7中插入94312数字输入，在13中插入94352数字输入/输出，在17中插入94710幻象电源卡，在18中插入94501通用接口板。


[ 本帖最后由 admin 于 2008-9-28 09:30 编辑 ]

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四、数字音频矩阵的优点
??本篇论文介绍的数字音频矩阵是音频网络这项技术的载体，它是网络中各个节点的终端，担负着模拟与数字信号之间相互转换，信号处理与传输的任务，总而言之它具有以下优点：
??第一：它具有大量的输入输出接口，可以同时处理成百上千路信号；
??第二：它将周边设备集成可以对信号进行处理，诸如增益的设置，均衡，压缩，限幅，混音等等；
??第三：它可以通过光纤或五类线进行数据
的远程传输和分配；
??第四：它采用插卡式设计，灵活方便，可实现功能的拓展；
??第五：矩阵的板卡包括中央主卡和I/O卡，两者之间采用星形连接方式（即点对点连接），并且所有的板卡都是冗余设计，最大程度地保证系统的稳定性；
??第六：系统支持热插拔功能，在运行中就可以更换板卡；
??第七：可以通过专业软件在互连网上对几套系统进行中央管理；
??第八：系统机架上提供报警功能，可实时对系统监控。

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传统的模拟信号传输方式主要采用屏蔽线缆传输，此种传输方式存在传输损耗，易受电磁干扰，其传输质量受传输长度和传输环境的影响较大，不宜作长距离传输。在高要求情况下可通过提高传输信号电平，选用优质低容抗低阻抗的线缆并通过屏蔽、接地防护等综合手段提高传输质量；并且模拟系统设备较多，连接的线缆多，系统设计复杂，识图麻烦；它的管理也非常复杂，调音师在调音时需要同时管理多台周边设备，逐个进行调试，一台设备出现问题会造成整个系统的崩溃，并且一根音响线只能传输一路音频信号，对于成百上千路的大型系统线材是难以管理的，信号的传输路径必须严格遵循原设计方案，改变路径非常繁琐，只能使用跳线盘；系统的开放性很差，数据等资源不能共享，很难与其它系统兼容；每台设备的功能是固定的，不能根据用户的需要分配，加载，设备的利用率不高，工程的开支相对较大。
??基于以太网的系统使用便宜的CAT-5线缆（长距离则用光缆）。典型的以太网系统中，可有多个主或源节点，将音频/控制数据馈送给网络其余部位。由于网络音频比起模拟系统减少了使用的线缆和连接，停机时间、修理费用等也相应下降。
??通过数字音频矩阵在网络中传输信号虽然有诸多优点，但这并不总是最佳的方案需要考虑以下几方面因素：工程的整体规模，设备的位置，传输需要，通道数量，其它网络要求和现存基础设施，灵活性要求，控制和稳定要求，冗余和稳定性要求，未来系统扩展要求，材料消耗以及劳动力消耗。
??总之，专业音频领域正在朝着数字化，网络化，智能化方向发展，这门学科正在与电子技术，网络技术等IT学科相结合，工程的重心也由原来的体力劳动转变为更多的脑力劳动，这就要求技术人员有一定的英文水平，计算机能力，网络知识等，相信以数字音频矩阵为核心的数字音频网络技术一定能带领专业音频领域走向崭新的时代！

??致 谢
??衷心感谢信息学院陆宏瑶副教授、李国棋高级工程师对我细致的指导。
??由衷感谢迈驰国际有限公司何芳鸣先生对我无私的帮助。

??参考资料
??[1] 贺苏宁 李立忠 译《现代通信最新技术》 清华大学出版社 2000年4月
??[2] 谢希仁 编著 《计算机网络教程》 人民邮电出版社 2002年10月
??[3] 杨卫东 编著《网络系统集成与工程设计》科学出版社 2002年9 月
??[4] 刘敏 主编《数字视音频技术与应用》 电子工业出版社 2003年1月
??[5] 苏菲 译 《数字音频原理与应用》 电子工业出版社 2002年2月