数字信号处理器
数字信号处理器
Q-Sys
作者： 发布于：2014/4/11 13:47:01 点击量：
Q - S y s系统是一个完整的系统平台，它可以完成从音源输入一直到音箱输出的整个音频链路的所有功能。Q-Sys系统可以对所有音频信号进行路由分配，信号处理，对必要的设备进行控制和监测，并保持了高质量的音频信号品质和QSC闻名的可靠性。Q-Sys系统专为对音频系统具有很高要求的大型场所设计，是任何需要一套强大的音频处理系统场所的理想选择，比如：体育场、体育馆、主题公园、演艺场所、交通枢纽、政府、多厅法庭、酒店、赌场、教堂、大学校园、教育机构等。那么，下面我们一起来了解一下Q-Sys系统。
1.Q-Sys系统的架构和设备构成
Q-Sys系统是一套基于千兆以太网实时传输无损音频的“集中式处理”的音频系统，其系统构成非常简单：音频处理核心：Core；音频接口箱：I/OFrame以及5款音频输入/输出音频卡。
1.1.系统架构：
由图中可以看到Q-Sys系统是一套集中式处理，集中和分散相结合式控制管理的一套网络音频系统。所有的模拟音频信号经音频接口箱进行A/D转换，然后通过千兆网传输至核心Core，进行处理和路由，再通过网络传输回音频接口箱进行D/A转换，输出至功率放大器进行扩声。在Q-Sys系统网络中，除了音频设备之外，其它控制设备可以与Q-Sys系统共用网络，无需单独划分控制网络VLAN。
1.2.设备构成
Core是整套系统的核心，所有的音频处理、路由控制、设备监控、第三方系统接口以及一些特殊功能应用都是在Core上完成。Core目前具有3个型号：Core1000、Core3000、Core4000；分别可以处理的最大音频通道数量为：64×64、128×128、512×512。
I/OFrame为音频接口箱，顾名思义就是Q-Sys系统的对外音频接口。I/OFrame可以无限接近模拟音源的输入或者功率放大器，以千兆网线代替模拟线缆传输音频信号。增大了系统的覆盖面积、减少模拟线缆的布设（1条千兆网线最多可以单项传输512路音频通道）、减少音频信号在传输过程中的衰减、增加了音频信号在传输过程的抗干扰性。
I/OFrame本身并不具备模拟（AES数字）音频信号输入、输出接口，需配置音频卡才能工作。I/OFrame本机具有4个卡槽可以配置不同的音频卡，可以根据系统需要，在同一台I/OFrame上同时配置不同种类的输入卡和输出卡。音频卡均为4通道，可分为：
麦克风/线路输入卡：CIML4；高端麦克风/线路输入卡：CIML4-HP；线路输出卡：COL4；数据端口卡（QSC功率放大器专用卡）：CODP4；AES数字音频输入/输出卡：CAES4。
Q-Sys系统基于千兆以太网，无论核心Core还是音频接口箱I/OFrame都是千兆网口。其对于交换机的也有一些特殊的要求。Q-Sys系统的网络交换机必须支持一下3点：a.千兆端口、b.支持QoS服务质量、c.每个端口支持至少4个队列。
总体来说，Q-Sys系统的构成非常简单，只需要根据系统输入输出的数量配置相应的音频接口箱和音频卡，然后根据系统总的输入输出通道确定使用何种型号的处理主机Core即可。
2.Q-Sys系统的强大处理能力
虽然Q-Sys 系统的构成非常简单，但是该系统的处理能力非常强大。这里的处理能力指系统核心Core的通道处理能力以及音频处理能力。大中小三种型号的Core，分别可以处理64×64、128×128、512×512音频输入输出通道。几乎可以满足各种规模的音频系统的需要。
Core主机采用了全新的技术来进行音频信号处理，因此Core主机单个处理引擎的音频处理能力远远大于目前音频设备普遍使用的DSP芯片，所以Core才具备如此丰富的音频处理资源，使得音频系统设计人员不再受制于系统音频处理能力的限制，自由地设计最适合系统需求的音频系统。
Core主机内部集成的丰富的音频处理模块、逻辑控制模块、测试工具、特殊用途模块等。丰富的音频处理模块（例如：图示均衡器、压限器、噪声门等等）可以实现对音频系统的所有音频处理，由于Core的处理能力非常强大，因此音频系统设计师可以在每一个音频通道上都进行复杂的音频处理。
除了常规的音频处理模块之外，Core内部还集成了很多种逻辑控制模块，例如逻辑与、逻辑非等逻辑关系模块以及求和、求平均值等数学计算公式。利用这些逻辑控制模块，音频系统设计师可以实现对音频系统的一些辅助控制，例如，广播系统中的“临区报警”等。除此之外，Core内部还集成了一款脚本语言－LUA的编译环境。LUA脚本语言是当今世界上几款脚本语言中最小巧的一种，其以代码简洁、运行速度快著称，是非常适用于系统功能的扩展应用。有一定软件编程基础的系统设计人员可以利用LUA编程语言编写较为复杂的系统辅助功能，或者对第三方的控制接口。
在Core内部突破性的集成了一些测试工具，例如信号插入器、信号截留器、RTA频谱分析器等等。因此在以后Q-Sys系统的调试中，音频系统工程师不必再携带诸多的信号测试仪器，只需要配上几只测试话筒，接入到Q-Sys系统中，利用Q-Sys系统内置的测试工具即可方便、准确、快捷地完成音频系统调试。
Q-Sys系统为了某些特殊应用，还增加了一些特殊应用模块，其中比较有代表性的就是多轨音频播放器和2D声像控制器。多轨音频播放器可以播放最多128轨的WAV音频文件或者MP3文件。Core内置大容量的固态存储器，可以储存大量的音频文件。而2D声像控制器可以通过“声像算法”将各个音轨的音源分配到各个扬声器，然后通过系统预设将所有的声音在整个音频环境中的声像位置记录下来然后按照顺序播放，实现声像的控制。其它还有一些对卡座、摄像头控制的模块，可以直接调用，通过网口或者RS232端口（Core和IOFrame上均具有RS232端口，可用于对其它设备进行控制）对第三方设备进行遥控。
3.Q-Sys系统是一套非常可靠的音频系统
一套音频系统即使功能再强大，但是如果该系统不够可靠，那么它还是一套失败的系统。Q-Sys系统在开发之初就考虑到了系统的可靠性问题，并且一直将“把Q-Sys系统打造成最可靠的音频系统”作为系统开发目标之一。因此Q-Sys系统除了在其产品本身的质量和稳定性做到极致之外，该系统还具有完备的系统备份机制。图8是一套进行完全备份的Q-Sys系统。Q-Sys系统的备份机制分为四部分：处理主机Core热备份、音频接口箱I/OFrame热备份、网络热备份、功率放大器热备份。
3.1.处理主机Core热备份
Core本身支持“1＋1”热备份机制。在无需配置第三方软件或者硬件设备下，只需要简单的配置系统软件即可实现处理主机Core的“1＋1”备份，如图9所示。系统工程师在配置系统的时候选择Core主机“CoreMain”需要进行热备份，并配置备份主机的主机名“CoreBackup”即可完成热备份的设置，操作非常简单。当系统启动的时候，“CoreMain”进行工作，而“CoreBackup”处于备份状态。则 “CoreBackup”每隔1秒探查一次“CoreMain”工作是否正常；“CoreBackup”每300毫秒就会跟“CoreMain”同步一次系统状态。
另外，Core的热备份是互为备份的概念，即当前哪台主机在工作，哪台主机就是主机。例如，系统启动的时候“CoreMain”为主机，“CoreBackup”为备份机，当“CoreMain”出现故障并且下线后，“CoreBackup”开始启动工作，而当“CoreMain”排除故障重新上线的时候，它仅仅作为“CoreBackup”的备份机，并不完全启动。这样，我们刚刚为两台Core配置的名字就需要更改一下，更改为“Core1”和“Core2”，因为这两台Core之间没有主备的严格界定。由于Core热备份是基于网络进行的，因此同一个系统中互为备份的两台Core可以配置在两个机房间中，大大增加系统的安全性。
3.2.音频接口箱I/OFrame热备份
I/OFrame的备份机制和方法基本和Core一样，也是在软件上进行备份选项的配置和配置备份接口箱的名字，如图10所示。值得注意的是：当同一个音源（例如：电容话筒）同时输入互为备份的I/OFrame中或者互为备份的I/OFrame同时输出至一台功率放大器的时候，系统如果不做任何处理的话，就会出现幻相电源供电错误和系统输出衰减6dB的情况。Q-Sys系统避免上述状况的做法是：利用继电器控制待机的I/OFrame输入或者输出通道断开。
由于一个音频系统中只有一台Core，因此系统设计人员通常会给Core做一个“1＋1”热备份，增加系统可靠性，而作为音频接口的I/OFrame由于数量众多，因此从系统整体性价比考虑的时候，通常只会将重要场所的I/OFrame做“1＋1”热备份。
3.3.网络热备份
在探究集中式系统可靠性的时候，网络通常被认为是继Core之后制约系统可靠性的一个重要因素。其实以太网发展至今，技术已经非常的成熟，且各种网络设备也已经非常可靠。但是为了增加Q-Sys系统的可靠性，所有的Q-Sys系统设备（Core、I/OFrame）均带有双网口，支持双网络。两个网口为独立的标准网络硬件设备，可以设置成不同的IP地址。
如果Q-Sys系统被设计成双网的话，所有设备的两个网口都是在工作的，不停的传输数据。因此如果网络出现“断网”的故障，完全不影响系统的正常运行，声音不会被打断。
3.4.功放“N＋1”热备份
Q-Sys系统既是一套通用的音频系统，可以搭配其它后端设备应用；也是一套集成了QSC后端设备的“QSC网络音频整体系统”。Q-Sys系统集成了QSC所有的带“DataPort”端口的功率放大器和所有QSC扬声器的“本征校正”处理，如图11所示，QSC后端产品的控制模块。
Q-Sys系统提供一个功放切换器DAB801（如：图12所示），该产品搭配Q-Sys系统和“DataPort”功率放大器可以实现功率放大器的“N+1”热备份，N最大为8，即功率放大器最多可以“8＋1”热备份。功率放大器的热备份切换原理为：Core可以通过网络检测功率放大器的状态，如：“过热”、“削波”、“回路开/短路”等故障。Core发送控制命令给故障功率放大器，关闭故障功率放大器；并发送“开启”命令至备份功率放大器，开启备份功率放大器。同时发送命令给DAB801，切换故障功率放大器的输入和扬声器回路至备份功率放大器。
Q-Sys系统从主机、音频接口箱、网络和功率放大器四部分都可以进行系统热备份，使得系统具有最高的可靠性，适用于对于系统可靠性有严格要求的所有的音频系统。
4.Q-Sys系统中应用的一些新技术
Q-Sys系统还创新地将很多其它领域的技术应用到了专业音频领域。下面我们做一下简单的介绍（详细的介绍在以后的文章中会陆续介绍给大家）。
4.1.全新的音频处理实现方式
在前面我们已经提过，Q-Sys系统采用了全新的音频信号处理的方式，因此实现了处理主机Core在音频信号处理能力上远远领先于市面上的其它所有音频处理设备。这种音频处理方式可以简单概括为：采用一种特殊的方法，使得具有更强大处理能力的处理芯片代替传统的音频处理芯片进行音频信号处理，相信在不久的将来这种新技术会广泛应用在数字音频领域。
4.2.更精确的同步技术
网络音频系统实现音频信号实时传输的基础就是“系统同步”。每一款网络音频传输协议都有自己的系统同步机制，Q-Sys系统的系统同步则采用了时下广泛应用的“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”－IEEE1588标准，简称PTP（Precision Timing Protocol）。
IEEE1588标准的主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有节点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步，具有容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等特点。
4.3.更简单的设备网络配置和搜索技术
Q-Sys系统采用了苹果公司的“零配置网络协议”，使得系统的网络配置变得非常简单。“零配置网络协议”中有四大关键技术：IP地址自动分配、域名到地址的转换、服务发现以及多播地址分配。从“零配置网络协议”的关键技术，我们就不难发现：Q-Sys系统在搭建一个不是很复杂的网络系统的时候，只需要将各个硬件设备设置成“自动获取IP地址”，系统会自动配置所有设备的IP，无需对每个设备进行IP或者ID的设置；并且各个设备之间的通讯设置可以通过带有含义的“机器名”通讯，而不是用毫无含义、难以记忆的IP地址；在查看系统硬件设备状态的时候，不用去输入各个设备的IP地址查看，“零配置网络协议”可以将所有网络中的支持设备自动列在列表中，方便查看设备状态。
由于支持“零配置网络协议”，Q-Sys系统在系统网络配置、设备管理方面非常的方便。
4.4.基于广域网的音频传输技术
在Q-Sys系统中，可以用两种音频格式的音频数据传输。一种是应用在大部分项目中的局域网音频数据，也就是采用Q-Sys系统中的“Q-LAN”网络音频传输私有协议进行音频信号传输，“Q-LAN”协议可以实现在局域网中实时传输无压缩音频信号。另一种就是在广域网中实时传输压缩音频信号，我们称之为“Q-WAN”，常用于一些需要进行远程信号传输的特殊应用。“Q-WAN”的核心协议是RTP网络传输协议。
实时传送协议（Real-time Transport Protocol或简写RTP）是一个网络传输协议，该协议详细说明了在互联网上传递音频和视频的标准数据包格式。RTP 由两个紧密链接部分组成：
a) RTP－传送具有实时属性的数据；
b) RTCP（RTP 控制协议）－监控服务质量并传送正在进行的会话参与者的相关信息。RTP协议本身并没有提供按时发送机制或其它服务质量（QoS）保证，它依赖于底层服务去实现这一过程。RTP 实行有序传送， RTP 中的序列号允许接收方重组发送方的包序列，同时序列号也能用于决定适当的包位置。
RTP协议常用于流媒体系统（配合RTCP协议），视频会议和一键通（Push to Talk）系统（配合H.323或SIP），使它成为IP电话产业的技术基础。
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