分散式與集中式音頻信號處理

　　轉自：svconline.com 編者：Don Kreski 譯者：趙穎

　　頂峰音頻公司（Peak Audio）的創(chuàng)始人說分散式DSP已經(jīng)過時了

　　時至今日，仍然有關于分散式和集中式音頻處理的爭論，在大型音頻系統(tǒng)中，使用集中式的數(shù)字信號處理好呢，還是通過網(wǎng)絡使用分散式的多個信號處理器更好呢? 這些討論在一些音頻專家看來幾年前就該停止了。

很多音頻廠商至今仍在支持分散式的信號處理，但是兩位頂峰音頻公司的創(chuàng)始人Rich Zwiebel 先生和John Britton先生認為這已經(jīng)是過時的方式了，這兩位先生在1992年最先提出可配置音頻處理器的概念。

　　其最大爭論點在于分散式是否比集中式更穩(wěn)定。分散式處理中，如果一個部件壞了，系統(tǒng)的其余部分仍能繼續(xù)工作。

　　Zwiebel先生不這樣認為，他說“我們的工程師團隊這兩種方法都用過，因為分散式有很多設備，我們知道這會有問題的。換句話說，就是從一個點出現(xiàn)問題，變成很多點可能出現(xiàn)的問題，而其中的任何一個問題點就能造成系統(tǒng)故障。”如今的技術，已經(jīng)讓我們能信任一臺處理器，利用另一臺備份DSP，當主設備出現(xiàn)問題的時候，備份DSP能自動接管系統(tǒng)。

　　分散式DSP背后的故事

　　Britton 和Zwiebel先生工程師團隊在20多年前開始設計DSP，為百威媒體矩陣產(chǎn)品線設計了硬件和軟件。1992年，媒體矩陣產(chǎn)品發(fā)布，它是集中式的處理平臺，在多卡槽的機箱內(nèi)靈活插入DSP卡。

　　Britton先生說：“我們原先是想為小型固定安裝場所設計，但是后來，用增加處理卡，增加處理能力的方式滿足大型系統(tǒng)。”多卡式的設計被證明是很流行的。

　　在Britton 和Zwiebel團隊90年代中期開發(fā)CobraNet之后，他們開始考慮把DSP芯片分別放到不同的設備里，通過網(wǎng)絡把這些設備相連。頂峰音頻公司最終在1999年設計出一款新產(chǎn)品：百威媒體矩陣Nion，它的設計與之前相比更具靈活和可擴展性。

　　Nion處理器可以放在園區(qū)各處靠近輸入和輸出設備的地方，也能夠滿足例如呼叫全區(qū)范圍的功能。系統(tǒng)設計團隊最初認為如此的分散設計也有可能提升整個系統(tǒng)的可靠性，因為如果任何處理器壞了，音頻系統(tǒng)的其他部分能繼續(xù)工作。

　　2001年，Zwiebel 和Britton先生把頂峰音頻公司賣給了Cirrus Logic。2006年，他們加入了QSC音頻公司。帶領其團隊開發(fā)了新平臺：Q-Sys實現(xiàn)了DSP理念的現(xiàn)代化，集中所有音頻處理于一臺主機。主機基于Intel處理芯片，通過現(xiàn)成的千兆網(wǎng)絡連接輸入和輸出。

　　Q-Sys集中式處理闡述

　　Q-Sys由John Britton先生, Rich Zwiebel先生和QSC公司的工程師共同開發(fā)，盡管它不是僅有的集中式音頻處理平臺，但卻是其中最令人感興趣的一款。

　　主機Core是系統(tǒng)的大腦，負責所有音頻處理，信號路由和控制功能。主機有五款型號，處理8至1024通道音頻信號，多主機可以組成系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，為更大系統(tǒng)服務。Q-Sys主機使用標準Intel多核處理器，實時運行基于Linux的操作系統(tǒng)，采用浮點運算保證動態(tài)范圍。Q-Sys采用標準的網(wǎng)絡接口。

　　接口機Q-Sys I/O Frame完成音頻信號的輸入輸出，具有GPIO接口和串口。每臺接口機最多插入4張輸入輸出卡，每張卡最多處理4通道的模擬音頻輸入或輸出，或者處理更多通道的數(shù)字音頻信號。接口機通常位于音源、調音臺、功放、揚聲器附近，通過千兆以太網(wǎng)與主機相連。插入輸入輸出卡后，Q-Sys能與任何模擬音頻設備相連。數(shù)字音頻輸入輸出卡，成為了與其它系統(tǒng)連接的橋梁。

　　用戶有多種方式控制Q-Sys系統(tǒng)，PC或者Mac，Apple iPad, iPhone, QSC觸摸屏，或者基于網(wǎng)絡的Crestron，AMX等中控產(chǎn)品。

　　主機，接口機和控制設備通過標準三層千兆以太網(wǎng)相連，在此網(wǎng)絡上可同時傳輸數(shù)據(jù)，視頻流和電話信號，這是一個綜合的網(wǎng)絡。

　　有些時候，在一個系統(tǒng)里使用分散式處理是有緣由的。比如一個主題公園，每個網(wǎng)絡有其自己的維護人員。但是背景音樂或者緊急呼叫音源是集中式的，并且需要發(fā)送至整個園區(qū)。在這種情況下，Q-sys 支持“系統(tǒng)中的子系統(tǒng)”，用這種方法，多臺主機可以分散在整個網(wǎng)絡里。這種混合式的方法保持了集中處理的優(yōu)勢，但同時在園區(qū)內(nèi)保持分散的處理方式。

Q-Sys網(wǎng)絡的延時非常低。端到端的延時只有2.5毫秒，其中包括模擬到數(shù)字轉換，網(wǎng)絡傳輸至主機，主機內(nèi)信號處理，第二次通過網(wǎng)絡信號傳輸至目的地，最后數(shù)字到模擬轉換。這個延時量大約就是一個人距離0.75米對我們說話的延時——此延時量是很難感覺到的。Zwiebel先生補充說，“除了低延時之外,系統(tǒng)的所有輸出對于任何輸入來講都是同步的。”

　　網(wǎng)絡標準化的主流趨勢是廣大IT人士接受的。由于Q-LAN的IP兼容性極好，IT部門能管理和監(jiān)視Q-Sys網(wǎng)絡和系統(tǒng)設備，就像管理IP網(wǎng)絡一樣。“設計顧問和工程商也喜歡Q-Sys”，Zwiebel先生說，“現(xiàn)在他們終于可以設計、編輯幾乎任何大小的系統(tǒng)，而且不受處理器的限制，不需要把系統(tǒng)進行分割。設計者們可以自由發(fā)揮，達成他們的設想。所有路由在一臺設備里完成，輕松在任一輸入和輸出之間切換。”

　　關于Q-Sys集中式處理的討論

　　Zwiebel先生說，當他向潛在用戶演示Q-Sys時，客戶常常質疑集中式處理的系統(tǒng)設計。“最常見的負面說法是客戶覺得他們需要把處理器放在很多地點，”Zwiebel先生繼續(xù)說，對于這點，我總是會問“需要分散擺放的到底是處理器還是接口機?”大多數(shù)情況下，需要分散擺放的是接口機。

　　“一旦客戶清楚了這個問題，他們通常都會承認他們并不真正關心處理器在哪，但我會說實際上你們要考慮這個問題。試想：客戶是愿意把所有處理器都擺放在一個安全的，有空調的，能隨時進出的地方呢，還是把處理器們隨意分散在很多地方，比如有功放的馬道上或者是在開會過程中不能進去的立法庭會議室?”客戶們通常選擇前者，更愿意把處理器放在他們自己的設備機房。

　　“我聽到的另外一個負面說法是分散式系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠，因為即使一臺設備有問題，僅僅是損失系統(tǒng)的一部分。但實際上，當有一臺設備出問題的時候，常常是大問題。如果壞的設備是負責體育館播音員的音頻輸入，那會怎么樣?整場賽事就都停下了。”

　　Zwiebel先生舉了一個例子，那是1999年頂峰音頻公司為美國參議院做音響系統(tǒng)設計的例子。在系統(tǒng)中有5臺處理器，如果一臺設備壞了，就像在委員會聽證會上發(fā)生過的一樣，僅丟失了系統(tǒng)20%的功能。“但是，聽證會還是無法繼續(xù)。不能說：因為設備壞了，聽證會民主黨發(fā)不了言了，但共和黨可以繼續(xù)。”后來聽證會不得不取消。

　　Zwiebel先生解釋說，對于一個音頻系統(tǒng)，線纜和插頭最容易產(chǎn)生問題。使用5臺獨立的處理器而非一臺，意味著在重要的系統(tǒng)中至少增加5條網(wǎng)線，10個網(wǎng)線插頭。對于集中式系統(tǒng)，把所有處理功能放在一個芯片里就減少了這些線纜。

　　“集中式處理的另外一個好處就是簡化了系統(tǒng)設計，簡化了對設計文件的管理”，Zwiebel補充道。工程商采用多臺DSP處理器時，每臺處理器都有自己的設計文件，系統(tǒng)設計者要記錄每臺設備的具體功能。“這就增加了系統(tǒng)的復雜性，導致系統(tǒng)實施、升級、編譯速度慢，系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，排查問題困難。Q-Sys采用的集中式處理，整個系統(tǒng)僅采用一個主設計文件，簡化了系統(tǒng)設計，實施，管理和系統(tǒng)升級。”

　　備份

任何音響系統(tǒng)都有出現(xiàn)故障的可能，許多系統(tǒng)設計者嘗試為重要的分散系統(tǒng)建立備份，但這很困難，成本也高。Britton先生說集中式系統(tǒng)更簡單，備份成本低，備份設備更可靠。

　　例如：Q-Sys處理主機在網(wǎng)絡中成對出現(xiàn)，系統(tǒng)在探測到核心主機出現(xiàn)故障的時候，備份主機會在幾秒鐘內(nèi)自動接管系統(tǒng)。工程師調整設置時，任何設置都會被同時記錄在兩臺主機內(nèi)，所以備份主機總是能實時接管的。每臺Q-Sys設備都有一主一備兩個網(wǎng)口。可使用兩個完全獨立的網(wǎng)絡，因此，如果任何一個網(wǎng)絡出現(xiàn)問題，無論是交換機問題還是線纜問題，另一個網(wǎng)絡都能自動、同時接管系統(tǒng)。

　　此外，集中式的系統(tǒng)讓設計者在重要性高的場合能備份輸入輸出接口機，甚至備份功放。

　　IT兼容性和AVB

　　Zwiebel先生說最近有很多關于AVB的討論，也就是音頻視頻橋，業(yè)內(nèi)一些人認為它是網(wǎng)絡的標準。AVB的一個優(yōu)點是傳輸數(shù)據(jù)快。AVB標準要求總體網(wǎng)絡延時小于1.024毫秒。

　　“但是標準千兆以太網(wǎng)，使用現(xiàn)有的部件，網(wǎng)絡延時已經(jīng)能小于1毫秒，足夠小了”，Zwiebel先生解釋說。“從IT角度看，AVB是非標準的，需要2層的網(wǎng)絡，而非3層的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。”從而導致AVB要求使用AVB專用交換機，限制了利用已有IT架構的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)在AVB網(wǎng)絡中傳輸不能通過CISCO或者HP路由器，而這兩個品牌安裝在全世界至少80%的網(wǎng)絡里。

　　Zwiebel和Britton先生認為今天的音頻網(wǎng)絡應該完全兼容常用的網(wǎng)絡設備，就像Q-Sys一樣。除了在局域網(wǎng)中分發(fā)低延時音頻信號外，還應該支持在廣域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上遠距離傳輸音頻流。

　　運行在IP網(wǎng)絡上的集中式處理平臺，應該遵照計算機行業(yè)的成熟做法。“音頻信號傳輸不應該要求一個獨立的網(wǎng)絡架構，”Britton說,“IT部門可以使用與語音IP傳輸或IPTV相同的服務質量設置音頻傳輸系統(tǒng)，確保音頻信號有合理的傳輸優(yōu)先級，而這些技術至今已經(jīng)為人熟知。”

　　集中式處理是未來的趨勢嗎?Britton先生說：“我們會繼續(xù)走下去的”。 “我們采用的集中式處理已經(jīng)提供了一個非常強大的處理平臺，并減少了開發(fā)工作量，降低了系統(tǒng)復雜性，同時,就像計算機行業(yè)主流市場上強大的處理器和網(wǎng)絡接口一樣，集中式系統(tǒng)的軟件也被賦予了較長的生命力。”