分散式與集中式音頻信號(hào)處理

　　轉(zhuǎn)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(shí)了

　　時(shí)至今日，仍然有關(guān)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(hào)處理好呢，還是通過網(wǎng)絡(luò)使用分散式的多個(gè)信號(hào)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(hào)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(rèn)為這已經(jīng)是過時(shí)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(diǎn)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(gè)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(rèn)為，他說“我們的工程師團(tuán)隊(duì)這兩種方法都用過，因?yàn)榉稚⑹接泻芏嘣O(shè)備，我們知道這會(huì)有問題的。換句話說，就是從一個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)問題，變成很多點(diǎn)可能出現(xiàn)的問題，而其中的任何一個(gè)問題點(diǎn)就能造成系統(tǒng)故障。”如今的技術(shù)，已經(jīng)讓我們能信任一臺(tái)處理器，利用另一臺(tái)備份DSP，當(dāng)主設(shè)備出現(xiàn)問題的時(shí)候，備份DSP能自動(dòng)接管系統(tǒng)。

　　分散式DSP背后的故事

　　Britton 和Zwiebel先生工程師團(tuán)隊(duì)在20多年前開始設(shè)計(jì)DSP，為百威媒體矩陣產(chǎn)品線設(shè)計(jì)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(tái)，在多卡槽的機(jī)箱內(nèi)靈活插入DSP卡。

　　Britton先生說：“我們?cè)仁窍霝樾⌒凸潭ò惭b場所設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)被證明是很流行的。

　　在Britton 和Zwiebel團(tuán)隊(duì)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(shè)備里，通過網(wǎng)絡(luò)把這些設(shè)備相連。頂峰音頻公司最終在1999年設(shè)計(jì)出一款新產(chǎn)品：百威媒體矩陣Nion，它的設(shè)計(jì)與之前相比更具靈活和可擴(kuò)展性。

　　Nion處理器可以放在園區(qū)各處靠近輸入和輸出設(shè)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(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最初認(rèn)為如此的分散設(shè)計(jì)也有可能提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)槿绻魏翁幚砥鲏牧耍纛l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(lǐng)其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新平臺(tái)：Q-Sys實(shí)現(xiàn)了DSP理念的現(xiàn)代化，集中所有音頻處理于一臺(tái)主機(jī)。主機(jī)基于Intel處理芯片，通過現(xiàn)成的千兆網(wǎng)絡(luò)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(tái)，但卻是其中最令人感興趣的一款。

　　主機(jī)Core是系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)所有音頻處理，信號(hào)路由和控制功能。主機(jī)有五款型號(hào)，處理8至1024通道音頻信號(hào)，多主機(jī)可以組成系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，為更大系統(tǒng)服務(wù)。Q-Sys主機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)Intel多核處理器，實(shí)時(shí)運(yùn)行基于Linux的操作系統(tǒng)，采用浮點(diǎn)運(yùn)算保證動(dòng)態(tài)范圍。Q-Sys采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口。

　　接口機(jī)Q-Sys I/O Frame完成音頻信號(hào)的輸入輸出，具有GPIO接口和串口。每臺(tái)接口機(jī)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(hào)。接口機(jī)通常位于音源、調(diào)音臺(tái)、功放、揚(yáng)聲器附近，通過千兆以太網(wǎng)與主機(jī)相連。插入輸入輸出卡后，Q-Sys能與任何模擬音頻設(shè)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M(jìn)ac，Apple iPad, iPhone, QSC觸摸屏，或者基于網(wǎng)絡(luò)的Crestron，AMX等中控產(chǎn)品。

　　主機(jī)，接口機(jī)和控制設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)三層千兆以太網(wǎng)相連，在此網(wǎng)絡(luò)上可同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，視頻流和電話信號(hào)，這是一個(gè)綜合的網(wǎng)絡(luò)。

　　有些時(shí)候，在一個(gè)系統(tǒng)里使用分散式處理是有緣由的。比如一個(gè)主題公園，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有其自己的維護(hù)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(gè)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(tái)主機(jī)可以分散在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)里。這種混合式的方法保持了集中處理的優(yōu)勢，但同時(shí)在園區(qū)內(nèi)保持分散的處理方式。

Q-Sys網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)非常低。端到端的延時(shí)只有2.5毫秒，其中包括模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)傳輸至主機(jī)，主機(jī)內(nèi)信號(hào)處理，第二次通過網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸至目的地，最后數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換。這個(gè)延時(shí)量大約就是一個(gè)人距離0.75米對(duì)我們說話的延時(shí)——此延時(shí)量是很難感覺到的。Zwiebel先生補(bǔ)充說，“除了低延時(shí)之外,系統(tǒng)的所有輸出對(duì)于任何輸入來講都是同步的。”

　　網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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(luò)和系統(tǒng)設(shè)備，就像管理IP網(wǎng)絡(luò)一樣。“設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、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(jìn)行分割。設(shè)計(jì)者們可以自由發(fā)揮，達(dá)成他們的設(shè)想。所有路由在一臺(tái)設(shè)備里完成，輕松在任一輸入和輸出之間切換。”

　　關(guān)于Q-Sys集中式處理的討論

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

　　“一旦客戶清楚了這個(gè)問題，他們通常都會(huì)承認(rèn)他們并不真正關(guān)心處理器在哪，但我會(huì)說實(shí)際上你們要考慮這個(gè)問題。試想：客戶是愿意把所有處理器都擺放在一個(gè)安全的，有空調(diào)的，能隨時(shí)進(jìn)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(huì)過程中不能進(jìn)去的立法庭會(huì)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(shè)備機(jī)房。

　　“我聽到的另外一個(gè)負(fù)面說法是分散式系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠，因?yàn)榧词挂慌_(tái)設(shè)備有問題，僅僅是損失系統(tǒng)的一部分。但實(shí)際上，當(dāng)有一臺(tái)設(shè)備出問題的時(shí)候，常常是大問題。如果壞的設(shè)備是負(fù)責(zé)體育館播音員的音頻輸入，那會(huì)怎么樣?整場賽事就都停下了。”

　　Zwiebel先生舉了一個(gè)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(shè)計(jì)的例子。在系統(tǒng)中有5臺(tái)處理器，如果一臺(tái)設(shè)備壞了，就像在委員會(huì)聽證會(huì)上發(fā)生過的一樣，僅丟失了系統(tǒng)20%的功能。“但是，聽證會(huì)還是無法繼續(xù)。不能說：因?yàn)樵O(shè)備壞了，聽證會(huì)民主黨發(fā)不了言了，但共和黨可以繼續(xù)。”后來聽證會(huì)不得不取消。

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

　　“集中式處理的另外一個(gè)好處就是簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡化了對(duì)設(shè)計(jì)文件的管理”，Zwiebel補(bǔ)充道。工程商采用多臺(tái)DSP處理器時(shí)，每臺(tái)處理器都有自己的設(shè)計(jì)文件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要記錄每臺(tái)設(shè)備的具體功能。“這就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)施、升級(jí)、編譯速度慢，系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，排查問題困難。Q-Sys采用的集中式處理，整個(gè)系統(tǒng)僅采用一個(gè)主設(shè)計(jì)文件，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)施，管理和系統(tǒng)升級(jí)。”

　　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(shè)計(jì)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(shè)備更可靠。

　　例如：Q-Sys處理主機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中成對(duì)出現(xiàn)，系統(tǒng)在探測到核心主機(jī)出現(xiàn)故障的時(shí)候，備份主機(jī)會(huì)在幾秒鐘內(nèi)自動(dòng)接管系統(tǒng)。工程師調(diào)整設(shè)置時(shí)，任何設(shè)置都會(huì)被同時(shí)記錄在兩臺(tái)主機(jī)內(nèi)，所以備份主機(jī)總是能實(shí)時(shí)接管的。每臺(tái)Q-Sys設(shè)備都有一主一備兩個(gè)網(wǎng)口。可使用兩個(gè)完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，因此，如果任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，無論是交換機(jī)問題還是線纜問題，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都能自動(dòng)、同時(shí)接管系統(tǒng)。

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

　　IT兼容性和AVB

　　Zwiebel先生說最近有很多關(guān)于AVB的討論，也就是音頻視頻橋，業(yè)內(nèi)一些人認(rèn)為它是網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。AVB的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是傳輸數(shù)據(jù)快。AVB標(biāo)準(zhǔn)要求總體網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小于1.024毫秒。

　　“但是標(biāo)準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)，使用現(xiàn)有的部件，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的，需要2層的網(wǎng)絡(luò)，而非3層的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。”從而導(dǎo)致AVB要求使用AVB專用交換機(jī)，限制了利用已有IT架構(gòu)的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)在AVB網(wǎng)絡(luò)中傳輸不能通過CISCO或者HP路由器，而這兩個(gè)品牌安裝在全世界至少80%的網(wǎng)絡(luò)里。

　　Zwiebel和Britton先生認(rèn)為今天的音頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該完全兼容常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，就像Q-Sys一樣。除了在局域網(wǎng)中分發(fā)低延時(shí)音頻信號(hào)外，還應(yīng)該支持在廣域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上遠(yuǎn)距離傳輸音頻流。

　　運(yùn)行在IP網(wǎng)絡(luò)上的集中式處理平臺(tái)，應(yīng)該遵照計(jì)算機(jī)行業(yè)的成熟做法。“音頻信號(hào)傳輸不應(yīng)該要求一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，”Britton說,“IT部門可以使用與語音IP傳輸或IPTV相同的服務(wù)質(zhì)量設(shè)置音頻傳輸系統(tǒng)，確保音頻信號(hào)有合理的傳輸優(yōu)先級(jí)，而這些技術(shù)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(huì)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(gè)非常強(qiáng)大的處理平臺(tái)，并減少了開發(fā)工作量，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，同時(shí),就像計(jì)算機(jī)行業(yè)主流市場上強(qiáng)大的處理器和網(wǎng)絡(luò)接口一樣，集中式系統(tǒng)的軟件也被賦予了較長的生命力。”