分散式与集中式音频信号处理

    时至今日，仍然有关于分散式和集中式音频处理的争论，在大型音频系统中，使用集中式的数字信号处理好呢，还是通过网络使用分散式的多个信号处理器更好呢? 这些讨论在一些音频专家看来几年前就该停止了。

    很多音频厂商至今仍在支持分散式的信号处理，但是两位顶峰音频公司的创始人Rich Zwiebel 先生和John Britton先生认为这已经是过时的方式了，这两位先生在1992年最先提出可配置音频处理器的概念。

    其最大争论点在于分散式是否比集中式更稳定。分散式处理中，如果一个部件坏了，系统的其余部分仍能继续工作。

    Zwiebel先生不这样认为，他说“我们的工程师团队这两种方法都用过，因为分散式有很多设备，我们知道这会有问题的。换句话说，就是从一个点出现问题，变成很多点可能出现的问题，而其中的任何一个问题点就能造成系统故障。”如今的技术，已经让我们能信任一台处理器，利用另一台备份DSP，当主设备出现问题的时候，备份DSP能自动接管系统。

    分散式DSP背后的故事

    Britton 和 Zwiebel先生工程师团队在20多年前开始设计DSP，为百威媒体矩阵产品线设计了硬件和软件。1992年，媒体矩阵产品发布，它是集中式的处理平台，在多卡槽的机箱内灵活插入DSP卡。

    Britton先生说：“我们原先是想为小型固定安装场所设计，但是后来，用增加处理卡，增加处理能力的方式满足大型系统。”多卡式的设计被证明是很流行的。

    在Britton 和 Zwiebel团队90年代中期开发CobraNet之后，他们开始考虑把DSP芯片分别放到不同的设备里，通过网络把这些设备相连。顶峰音频公司最终在1999年设计出一款新产品：百威媒体矩阵Nion，它的设计与之前相比更具灵活和可扩展性。

    Nion处理器可以放在园区各处靠近输入和输出设备的地方，也能够满足例如呼叫全区范围的功能。系统设计团队最初认为如此的分散设计也有可能提升整个系统的可靠性，因为如果任何处理器坏了，音频系统的其他部分能继续工作。

    2001年，Zwiebel 和 Britton先生把顶峰音频公司卖给了Cirrus Logic。2006年，他们加入了QSC音频公司。带领其团队开发了新平台：Q-Sys实现了DSP理念的现代化，集中所有音频处理于一台主机。主机基于Intel处理芯片，通过现成的千兆网络连接输入和输出。

    Q-Sys集中式处理阐述

    Q-Sys由John Britton先生, Rich Zwiebel先生和QSC公司的工程师共同开发，尽管它不是仅有的集中式音频处理平台，但却是其中最令人感兴趣的一款。

    主机Core是系统的大脑，负责所有音频处理，信号路由和控制功能。主机有五款型号，处理8至1024通道音频信号，多主机可以组成系统中的子系统，为更大系统服务。Q-Sys主机使用标准Intel多核处理器，实时运行基于Linux的操作系统，采用浮点运算保证动态范围。Q-Sys采用标准的网络接口。

    接口机Q-Sys I/O Frame完成音频信号的输入输出，具有GPIO接口和串口。每台接口机最多插入4张输入输出卡，每张卡最多处理4通道的模拟音频输入或输出，或者处理更多通道的数字音频信号。接口机通常位于音源、调音台、功放、扬声器附近，通过千兆以太网与主机相连。插入输入输出卡后，Q-Sys能与任何模拟音频设备相连。数字音频输入输出卡，成为了与其它系统连接的桥梁。

    用户有多种方式控制Q-Sys系统，PC或者Mac，Apple iPad, iPhone, QSC触摸屏，或者基于网络的Crestron，AMX等中控产品。

    主机，接口机和控制设备通过标准三层千兆以太网相连，在此网络上可同时传输数据，视频流和电话信号，这是一个综合的网络。

    有些时候，在一个系统里使用分散式处理是有缘由的。比如一个主题公园，每个网络有其自己的维护人员。但是背景音乐或者紧急呼叫音源是集中式的，并且需要发送至整个园区。在这种情况下，Q-sys 支持“系统中的子系统”，用这种方法，多台主机可以分散在整个网络里。这种混合式的方法保持了集中处理的优势，但同时在园区内保持分散的处理方式。

    Q-Sys网络的延时非常低。端到端的延时只有2.5毫秒，其中包括模拟到数字转换，网络传输至主机，主机内信号处理，第二次通过网络信号传输至目的地，最后数字到模拟转换。这个延时量大约就是一个人距离0.75米对我们说话的延时——此延时量是很难感觉到的。Zwiebel先生补充说，“除了低延时之外,系统的所有输出对于任何输入来讲都是同步的。”

    网络标准化的主流趋势是广大IT人士接受的。由于Q-LAN的IP兼容性极好，IT部门能管理和监视Q-Sys网络和系统设备，就像管理IP网络一样。“设计顾问和工程商也喜欢Q-Sys”，Zwiebel先生说，“现在他们终于可以设计、编辑几乎任何大小的系统，而且不受处理器的限制，不需要把系统进行分割。设计者们可以自由发挥，达成他们的设想。所有路由在一台设备里完成，轻松在任一输入和输出之间切换。”

    关于Q-Sys集中式处理的讨论

    Zwiebel先生说，当他向潜在用户演示Q-Sys时，客户常常质疑集中式处理的系统设计。“最常见的负面说法是客户觉得他们需要把处理器放在很多地点，”Zwiebel先生继续说，对于这点，我总是会问“需要分散摆放的到底是处理器还是接口机？”大多数情况下，需要分散摆放的是接口机。

    “一旦客户清楚了这个问题，他们通常都会承认他们并不真正关心处理器在哪，但我会说实际上你们要考虑这个问题。试想：客户是愿意把所有处理器都摆放在一个安全的，有空调的，能随时进出的地方呢，还是把处理器们随意分散在很多地方，比如有功放的马道上或者是在开会过程中不能进去的立法庭会议室？”客户们通常选择前者，更愿意把处理器放在他们自己的设备机房。

    “我听到的另外一个负面说法是分散式系统更稳定可靠，因为即使一台设备有问题，仅仅是损失系统的一部分。但实际上，当有一台设备出问题的时候，常常是大问题。如果坏的设备是负责体育馆播音员的音频输入，那会怎么样？整场赛事就都停下了。”

    Zwiebel先生举了一个例子，那是1999年顶峰音频公司为美国参议院做音响系统设计的例子。在系统中有5台处理器，如果一台设备坏了，就像在委员会听证会上发生过的一样，仅丢失了系统20%的功能。“但是，听证会还是无法继续。不能说：因为设备坏了，听证会民主党发不了言了，但共和党可以继续。” 后来听证会不得不取消。

    Zwiebel先生解释说，对于一个音频系统，线缆和插头最容易产生问题。使用5台独立的处理器而非一台，意味着在重要的系统中至少增加5条网线，10个网线插头。对于集中式系统，把所有处理功能放在一个芯片里就减少了这些线缆。

    “集中式处理的另外一个好处就是简化了系统设计，简化了对设计文件的管理”，Zwiebel补充道。工程商采用多台DSP处理器时，每台处理器都有自己的设计文件，系统设计者要记录每台设备的具体功能。“这就增加了系统的复杂性，导致系统实施、升级、编译速度慢，系统出现问题时，排查问题困难。Q-Sys采用的集中式处理，整个系统仅采用一个主设计文件，简化了系统设计，实施，管理和系统升级。”

    备份

    任何音响系统都有出现故障的可能，许多系统设计者尝试为重要的分散系统建立备份，但这很困难，成本也高。Britton先生说集中式系统更简单，备份成本低，备份设备更可靠。

    例如：Q-Sys处理主机在网络中成对出现，系统在探测到核心主机出现故障的时候，备份主机会在几秒钟内自动接管系统。工程师调整设置时，任何设置都会被同时记录在两台主机内，所以备份主机总是能实时接管的。每台Q-Sys设备都有一主一备两个网口。可使用两个完全独立的网络，因此，如果任何一个网络出现问题，无论是交换机问题还是线缆问题，另一个网络都能自动、同时接管系统。

    此外，集中式的系统让设计者在重要性高的场合能备份输入输出接口机，甚至备份功放。

    IT兼容性和AVB

    Zwiebel先生说最近有很多关于AVB的讨论，也就是音频视频桥，业内一些人认为它是网络的标准。AVB的一个优点是传输数据快。AVB标准要求总体网络延时小于1.024毫秒。

    “但是标准千兆以太网，使用现有的部件，网络延时已经能小于1毫秒，足够小了”，Zwiebel先生解释说。“从IT角度看，AVB是非标准的，需要2层的网络，而非3层的互联网协议。”从而导致AVB要求使用AVB专用交换机，限制了利用已有IT架构的优势。数据在AVB网络中传输不能通过CISCO或者HP路由器，而这两个品牌安装在全世界至少80%的网络里。

    Zwiebel和Britton先生认为今天的音频网络应该完全兼容常用的网络设备，就像Q-Sys一样。除了在局域网中分发低延时音频信号外，还应该支持在广域网或互联网上远距离传输音频流。

    运行在IP网络上的集中式处理平台，应该遵照计算机行业的成熟做法。“音频信号传输不应该要求一个独立的网络架构，” Britton说,“IT部门可以使用与语音IP传输或IPTV相同的服务质量设置音频传输系统，确保音频信号有合理的传输优先级，而这些技术至今已经为人熟知。”

    集中式处理是未来的趋势吗？Britton先生说：“我们会继续走下去的”。 “我们采用的集中式处理已经提供了一个非常强大的处理平台，并减少了开发工作量，降低了系统复杂性，同时,就像计算机行业主流市场上强大的处理器和网络接口一样，集中式系统的软件也被赋予了较长的生命力。”