定压、调频、网络广播解析

编辑:管理员   浏览:   时间:2012-9-25

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    在我国现有的教育机构中,校园公共广播在各类学校中都达到广泛应用,主要用于升旗、眼操、通知、广播操、运动会等日常校务管理。随着信息技术的飞速发展,数字多媒体设备在教学中得到应用,特别是近年来学校信息化建设步伐加快,计算机、互联网、多媒体等一批高新技术应用到了教学实践中,使传统教学方式发生了根本变化。现有广播系统的这种状况,显然已不能与其它现代教育技术系统相配套,远远不能满足现代教育发展的需要。学校对校园广播的功能也提出了更高的要求,校园智能广播正是在这种旺盛的需求下应运而生的。目前校园智能广播厂商也纷纷推出了不同功能和技术水平的校园智能广播产品,但从传输方式上基本上可以划分为:定压广播、调频广播、网络广播三大类。产品与技术分析各厂家都在从不同角度、不同层次大量宣传自己的校园智能广播产品,但在校园智能广播系统的建设中,到底应该采用什么样的技术与方案,选择什么样的产品与厂家?对于学校来讲就像是雾里看花,很难分辨出真正技术先进、性能稳定的校园智能广播产品。下面就校园智能广播产品按其工作原理及传输方式进行解析,以供学校在校园广播建设中参考。

    一、定压传输方式的智能广播技术

    背景分析:定压广播是最早走进校园的公共广播,其工作原理是将音频信号直接放大,基于功率信号进行传输的。为降低线路传输损耗,通过升压变压器将其 4-16Ω匹配阻抗变换到100V定压方式进行传输,到终端后降压转换到4-16Ω的匹配阻抗上推动喇叭,一般传输距离是几十米到几百米。优点:技术成熟、结构简单、性能稳定、维护容易、终端便宜。

    目前广泛应用在车站、码头、学校、商业与民用建筑的背景音乐中,并有许多厂家在此基础上开发出可与消防系统联动的紧急广播。

    缺点:

    ①定压传输受线间变压器带宽、喇叭尺寸、电缆线径等因素影响,频响范围在200Hz~12KHz,失真度≤10%,无法实现立体声传输。

    ②节目容量小,不能寻址控制,一条线只能传输一套节目,对于当前学校来讲,外语听力训练要求多年级同步进行,传输一套节目是远远不够的,无法满足同时广播和分区广播,无法实现点对点寻址广播。例如校长想对某个班级讲话或对某几个班讲话,定压广播无法做到,只能所有音箱同时广播,这就影响了别的班级正常上课。眼操只需对教室、办公室播放,广播操则只需对操场播放,背景音乐只需对宿舍、餐厅插播,定压广播是无法实现对单点或随意分组进行班级广播的。

    ③音源基本上都是采用模拟音源,无法播放数字格式音频文件,无法实现自动播放,自动控制。定压广播都是按照功率匹配和阻抗匹配的原则进行设计的,一但系统布线安装结束,功率扩充的容量十分有限,且节目容量也无法扩充。为了解决这个问题,包括西派公司在内的厂家推出智能控制设备,对定压功放、周边设备,也可定时控制功放的开关。目前带MP3功放的存储空间已经达到2G容量,并且带有定时选曲播放、定时选台播放和定时电源供电控制功能,可以基本满足学校日常铃声及操类节目的播放要求,但无法满足外语听力教学训练与考试的要求。

    二、闭路调频智能广播

    技术背景分析:调频广播采用调频调制的办法,将音频信号搭载到高频载波上进行音频信号的传输,用高频载波的频率变化描述音频信号变化。

不同的载波频率可以同时搭载不同的音频节目,我国将87-108MHz划分为调频广播频段。现阶段我国城市广播、有线电视网络中闭路广播都采用FM调频广播的方式。

    调频广播可与有线电视共缆传输,是我国今后扩展广播覆盖面的主要发展方向。

    优点:

    ①调频广播的音频范围为:30Hz-7KHz,失真度≤0.7%,调频广播具有频响宽、高音丰富、抗干扰能力强、失真小等优点,并可进行立体声传输。

    ②技术成熟、节目容量大:闭路调频广播是基于有线电视的频率分割、频分复用的方式进行传输的。有线电视在我国已经历了近20年的发展历史,技术已经十分成熟,配套器材价格十分低廉。我国在有线电视频率划分上,把87-108MHz这一频段划分为调频广播频段,专门用于调频广播的传输。调频广播的带宽是 16KHz,这一频段内可以同时传输60多套调频广播节目,可以满足学校多年级、多分区同时广播的要求。

    ③可兼容性、可扩展性好:调频广播可以与有线电视信号在同轴网络中共缆传输,同时兼容有线电视、光电混合网络中进行几十公里、几百公里的远距离传输。闭路调频广播节目容量大、可扩展性好,需要增加节目时,只需要增加调频调制器即可,无需对布线结构做任何改动。增加终端音箱及接收设备时,只需在原线路上任意地方找一个射频接口,满足接收电平(45-65)dB即可,无需重新布线,只需添加功放即可。

    缺点:调频广播是基于弱信号方式传输,每个接收设备必须是有源设备,即每个音箱及终端必须外接220V电源。对于有消防广播要求的学校,单纯调频广播不能满足消防规范要求。为了解决这个问题,OBT在调频广播的基础上开发出了调频转定压的专用设备,并预留有消防接口,这样调频广播不但可以实现多路广播,而且具有消防广播功能,基本满足学校的广播要求。

    对于调频广播的智能化,CEOPA在这方面做的比较成熟,节目采编播出全部采用MP3、WAV等数字格式,并在此基础上开发出了校园智能广播多路播出与控制软件,采用一台主控计算机同时播出1-8套音频节目,同时软件也具有按照年、月、周、日多模式设定播放列表自动定时、定点播放广播曲目的功能。 CEOPA软件还具有可寻址控制功能,在广播室通过软件控制终端音箱的开关、音量、频率、输入选择、紧急广播等功能,并可通过软件进行一些播放任务的设定,基本满足了校园常用的播放和控制功能。

    在智能控制方面CEOPA采用的是载波或副载波控制技术,常见的方式有SCA调频副载波、MSK、FSK载波控制。其传输理论就是将控制信号采用数字调制的办法将控制信号调制到高频载波上,与已调制音频信号共缆传输,无需再布控制信号线。数字调制这一技术在工业自动控制领域应用已十分成熟,远程遥感、遥测、遥控都是采用这一技术,铁路、交通、水文、气象等领域都有十分广泛的应用。

    三、数字音频网络广播技术

    背景分析:在介绍数字音频之前,我们先来了解一下模拟音频。模拟音频的概念:音频信号反应在电路中是随时间变化的一个电压(流)信号y=f(t),即一个时间函数,也就是我们通常所说的模拟音频,频率范围是20Hz~20KHz。

    模拟电路中是将音频信号直接处理、放大、录制、传输或调制的。定压广播、调频广播都是直接对模拟音频进行处理的。数字音频的概念:数字音频就是将连续的模拟音频从时间分量(x轴)和幅值分量(y轴)上进行分割描述(见下图)。x轴上的分割称作采样,用每秒钟内的采样次数来描述,即采样频率,采样频率越高,说明采样间隔时间越短,则越有利于描述原始声音的真实情况。y轴上的分割称为量化,用比特Bit来描述(比特中n是2n,16bit=216=65536 份,即将音频的幅值用65532个离散的阶量来描述),同理比特值越大,量化越精细。采样、量化后的一个音频信号生成一串离散的“010101………”的二进制代码,这样计算机就可以认识这些二进制代码了,也就可以对其进行编辑、传输、复制处理了,处理数字信号是计算机的拿手好戏。模拟音频受电子元器件自身特性的影响(每个元器件都有热噪声),每处理一次都会失真一次(波形发生畸变),产生一次噪声积累,处理的次数越多,噪声积累越大,信噪比(S/N)越低。数字音频是数字格式来存贮和传输的,错误率相当低甚至是可以避免的,因此可以多次复制和传输,不论你怎么编辑、处理都不会产生额外的噪声。通常 16Bit、44.1KHz立体(双声道)采样,就是CD音质标准。数字音频采样量化(A/D转后)的数据量是相当大的,以一秒钟44.1KHz、 16BitCD音质来采样一个音频文件(立体声双声道),则16×2=32Bit,44.1KHz×32Bit=1411200(Bit),一个汉字在电脑里占2个字节(Byte)(1Byte=8Bit),则1秒钟的音乐占用存贮空间=1411200/(8×2)=88220个汉字,由此得出数字音频文件的数据量是十分庞大的。

    对这么庞大的数据量进行直接处理、传输显然是不易实现的,这样根据人耳的声学原理特性,对一些无用的数据(人耳听不到的)进行压缩,这样就可大大降低数据量,又不影响音质。目前,音频压缩有WAV、MP3等多种格式,这里不再详述。数字音频经过数字处理后,最终还是还原成一个声音信号播放出来(D/A转换过程)。首先将用大量数字字符描述的数字音频信号送到一个数/模转换器中,(DigitaltoAnalongConverter,即DAC)线路中,将数字信号还原成一系列以时间函数变化的电压值,然后通过整形电路,经由低通滤波器输出。这样比较平缓又真实的模拟脉动电压信号送入放大器或扬声器,再转变成声音信号。

    通常数字音频的A/D转换(采集)和D/A转换(还原)是计算机声卡和专业音频卡来完成,而压缩、传输、解压、解码都是由专用软件或专用芯片来完成的。音频的编辑则由专业音频编辑软件来完成。

    上面了解了数字音频的基本知识,知道了数字音频的优点,对于校园广播来讲数字音频必须在校园网上进行传输、播放才可实现智能广播的功能和要求。目前我国大部分学校都建有以太网结构(TCP/IP协议)的校园网络系统。从速度上来讲都为1000M光纤干线,10M/100MUPT(超五类)至终端的网络构架。前面讲了那么多数字音频的好处,校园广播在校园网上传输会不会有更好的解决方案呢?

    网络音频广播从工作原理上来讲,由一台IP网络广播控制主机(CE-6001)、一套广播软件或服务器软件(CE-6001S),将音频文件以IP流的方式发送给远端网络终端,每台终端都应该有一个固定的IP地址及网络模块、一个专业数字音频解码装置(软件或硬件)、功放控制单元。

目前已有厂家开始研发网络音频广播,并有产品推出,同时进行了宣传。笔者认为网络音频广播毕竟是一个新生事物,目前也只是处在研发阶段,很少有实际应用和成功案例。

    优点:

    ①网络广播从节目的制作到传输全部实现了数字化、网络化,系统信噪比高,不会在处理、传输等环节产生噪声,从而可以获得比较好的音质,也可以进行立体声传输。

    ②实现智能广播较为容易,以太网本身就是一套双向网络。在以太网上通过软件可轻而易举地实现智能广播的定时、寻址、分组等功能。

    ③在网络速度允许的情况下,可实现多路广播。因为音频文件是以数据包的方式在网络中传输,所以很容易实现多路广播,把不同的数据包发送给不同的终端就可以了。

    ④实现交互方式广播和远程AOD。因为以太网是双向网络,控制主机完全可以监测到每一个终端的工作状态,且可对其进行控制。终端也可通过液晶显示屏与服务器对话,从服务器直接点播,这样大大地方便了外语教学。

    ⑤管理方便:操作人员只要在校园网上的任意一台计算机就可实现对主机的全部管理与操作功能,也可在校园内任意一台计算机上实现节目的制作与传输。

    缺点:

    ①对于数字音频文件的解压,必须是PC+专用软件,或专用解压芯片,且每只终端都必须有自己的IP地址,技术含量比较高,带来培训方面的压力。

    ②价格昂贵:当前国内没有专业的芯片级开发商,只能用嵌入式微机+专用解压芯片来解码,所以导致产品价较高,国内一般学校无法承受。校园广播建设的意见与建议综上所述,三种校园智能广播技术与产品各有优缺点,不同的学校对校园广播的功能要求也各不相同。学校在选择校园智能广播产品的时候,首先要明确自己的功能需求,不要盲目地追求“技术最先进、功能最强大”。新技术固然好,但对于某些用户来讲未必有用,甚至还会造成不必要的麻烦。厂家宣传自己的产品时,往往突出甚至夸大产品的优点,回避了一些不足和缺点。所以在选择产品与技术时应进行多家比较,选择“技术成熟、功能实用、性价比高”的产品。也可以从“音源、传输、终端”三个环节采用不同的先进技术,优势互补。下面以几个不同的层次用户案例,提出不同的建设意见。

    一、小学校园智能广播的建设

    需求分析:上下课自动音乐铃、广播体操、眼保健操自动播放,广播通知、广播找人、校园区公共区播送校园广播节目。建设意见:选用经济、稳定的自动定压广播,对于小学来讲只需要播放一套节目,选用定压广播就可以满足要求。另外,一般小学校园面积都不会很大,布广播线相对也比较简单。对于音乐铃声,在前端增加一台数码自动播放器,实现铃声,眼操、广播操自动定时播放、自动控制功放开关机。该系统功能和音质都可以满足校园公共广播的要求。

    二、中学校园智能广播的建设

    需求分析:中学一般都是三到六个年级,不但要求具有音乐铃和常规校园广播的功能,还要求用于外语听力教学和考试,并要实现不同年级可以同时播放不同的节目,在功能上也必须是点对点可寻址控制,方便个别班级训练考试使用。

    因用于外语听力训练和考试,广播的音质要求也相对较高,特别是中高频部分,人声语音要求清晰、宏厚,无背景噪声。条件较好的学校教室内已经安装了投影机,使用多媒体网络终端和笔记本授课,这就要求教室音箱还应具有现场扩声功能,并可实现本地收听选择、音量控制等功能。

    建设意见:鉴于上述使用要求,建议采用数字调频可寻址智能广播。首先调频广播在节目容量上完全可以满足多套节目同时传输的要求,在音质方面,调频广播失真度小,且可以立体声传输,校园调频广播只经过调频调制——解调两个环节,如果采用高品质数字音源,音质是完全可以保证的。另外,数字音源在自动播出与智能控制方面,也有利于广播软件的自动播控,硬盘也可实现数千首音频文件的海量存贮,数字格式的音频文件计算机编辑与处理起来也十分方便。

    在传输上,调频广播可以和有线电视共缆传输,无需单独再布广播线。可大大减少施工量、降低工程造价,调频广播总线式的布线结构,也十分方便系统扩容。

    在智能播出与控制方面,智能广播软件自动播出与寻址控制在同一界面。音频文件硬盘自动播出,有的软件还具有多路节目同时播出的功能,并可自动控制音频矩阵、调谐器等外设。可以按照多模式建立播放工作列表,实现自动播放。CEOPA可寻址编码控制信号都采用SCA、FSK、MSK数字调制的办法,广播、电视、控制信号在一根同轴电缆中同步传输,对终端音箱实现点对点可寻址。音箱内置解码电路,接受主控软件的指令,执行开关机、音量控制、频率选择、信号切换等动作。

    调频音箱是有源音箱,除了可以满足智能广播外,可以增加现场线路输入、麦克输入,用于教室现场扩声,实现一机多用。

    三、大学校园智能广播的建设

    需求分析:大学校园面积较大,一般都为数千亩,有的大学由多个分校和校区组成。大学校园都分了不同的功能分区。对校园广播的功能,一般要求用于校广播台站的自办节目,无音乐铃、广播操等要求,但因功能分区较为多、面积较大,所以要求不同分区同时播放不同的节目,且要求学生在不同区域可采用不同方式收听校园广播节目。

    建设意见:在大学校园广播建设中应采用多种传输手段、多模式同步广播的方法。校园公共区采用有线广播,学生宿舍及教室采用无线调频广播覆盖,同时利用校园进行网络直播或随时点播。

    室外音箱、音柱覆盖生活区、宿舍、食堂、草坪等公共场所。如果采用定压广播100V定电压传输方式,因距离远、功率衰减大,布线施工难度也相对较大,且成本高昂。目前大学校园中都有CATV有线电视系统网络,有的学校采用光电混合网络进行传输。这样建议采用“广播、电视”两网合一的传输方式,广播信号采用有线调频与有线电视信号“共缆传输”,到达不同的功能分区后,再将音频信号与控制信号解调出来,局部小范围采用定压传输方式。在一栋建筑物内或某一分区安装一台调频接收控制设备,一台定压功放,直接驱动定压音箱,这样就可以省去长距离的干线,降低施工难度和布线成本,且可以实现多路广播和可寻址功能。

    对于公共广播覆盖不到的地方或不便于安装公共广播的地方,可以采用无线调频广播的方式来覆盖,大部分大学都建有外语电台,也可采用外语电台调频发射机传输校园广播信号。

这样学生就可以利用调频耳机、收音机流动收听或个体收听校园广播节目。

    在网络发达的大学校园里,计算机和网络遍布校园的每个工作和学习的地方,对于无法定时收听公共广播和调频广播的师生来讲,可以采用网络音频点播的方式,将每天的广播节目内容上传至音频服务器,方便播音结束后可在任意地方点播收听,也可采用网络音频直播的方式,实现网络在线收听。大学校园广播台站,中心播控室应采用现代化的录编播设备,应当设专用的录音室与播音间,接入电话热线直播,在录编播各个环节,采用专业数字音频工作站,实现录音、编辑、审核、播出全部数字化。节目的播出采用专业智能广播软件实现自动化播音,智能化管理。数字音频的优点,前面已经讲了很多,其它功能这里不再详述。通过前面的分析,希望每所学校都能选择到自己满意的校园智能广播产品,也希望各个厂家不断推出新技术、新产品,全面推动我国教育“信息化”建设和校园广播的“数字化、网络化” 发展进程。

 

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