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）的創始人說分散式DSP已經過時了

　　時至今日，仍然有關于分散式和集中式音頻處理的爭論，在大型音頻系統中，使用集中式的數字信號處理好呢，還是通過網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始人Rich Zwiebel 先生和John Britton先生認為這已經是過時的方式了，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定。分散式處理中，如果一個部件壞了，系統的其余部分仍能繼續工作。

　　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，就是從一個點出現問題，變成很多點可能出現的問題，而其中的任何一個問題點就能造成系統故障。”如今的技術，已經讓我們能信任一臺處理器，利用另一臺備份DSP，當主設備出現問題的時候，備份DSP能自動接管系統。

　　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，為百威媒體矩陣產品線設計了硬件和軟件。1992年，媒體矩陣產品發布，它是集中式的處理平臺，在多卡槽的機箱內靈活插入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。”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范圍的功能。系統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的可靠性，因為如果任何處理器壞了，音頻系統的其他部分能繼續工作。

　　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。帶領其團隊開發了新平臺：Q-Sys實現了DSP理念的現代化，集中所有音頻處理于一臺主機。主機基于Intel處理芯片，通過現成的千兆網絡連接輸入和輸出。

　　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，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中的子系統，為更大系統服務。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，采用浮點運算保證動態范圍。Q-Sys采用標準的網絡接口。

　　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。數字音頻輸入輸出卡，成為了與其它系統連接的橋梁。

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

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

　　有些時候，在一個系統里使用分散式處理是有緣由的。比如一個主題公園，每個網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，并且需要發送至整個園區。在這種情況下，Q-sys 支持“系統中的子系統”，用這種方法，多臺主機可以分散在整個網絡里。這種混合式的方法保持了集中處理的優勢，但同時在園區內保持分散的處理方式。

Q-Sys網絡的延時非常低。端到端的延時只有2.5毫秒，其中包括模擬到數字轉換，網絡傳輸至主機，主機內信號處理，第二次通過網絡信號傳輸至目的地，最后數字到模擬轉換。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,系統的所有輸出對于任何輸入來講都是同步的。”

　　網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部門能管理和監視Q-Sys網絡和系統設備，就像管理IP網絡一樣。“設計顧問和工程商也喜歡Q-Sys”，Zwiebel先生說，“現在他們終于可以設計、編輯幾乎任何大小的系統，而且不受處理器的限制，不需要把系統進行分割。設計者們可以自由發揮，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更穩定可靠，因為即使一臺設備有問題，僅僅是損失系統的一部分。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設計的例子。在系統中有5臺處理器，如果一臺設備壞了，就像在委員會聽證會上發生過的一樣，僅丟失了系統20%的功能。“但是，聽證會還是無法繼續。不能說：因為設備壞了，聽證會民主黨發不了言了，但共和黨可以繼續。”后來聽證會不得不取消。

　　Zwiebel先生解釋說，對于一個音頻系統，線纜和插頭最容易產生問題。使用5臺獨立的處理器而非一臺，意味著在重要的系統中至少增加5條網線，10個網線插頭。對于集中式系統，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，系統設計者要記錄每臺設備的具體功能。“這就增加了系統的復雜性，導致系統實施、升級、編譯速度慢，系統出現問題時，排查問題困難。Q-Sys采用的集中式處理，整個系統僅采用一個主設計文件，簡化了系統設計，實施，管理和系統升級。”

　　備份

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

　　例如：Q-Sys處理主機在網絡中成對出現，系統在探測到核心主機出現故障的時候，備份主機會在幾秒鐘內自動接管系統。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，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口。可使用兩個完全獨立的網絡，因此，如果任何一個網絡出現問題，無論是交換機問題還是線纜問題，另一個網絡都能自動、同時接管系統。

　　此外，集中式的系統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，業內一些人認為它是網絡的標準。AVB的一個優點是傳輸數據快。AVB標準要求總體網絡延時小于1.024毫秒。

　　“但是標準千兆以太網，使用現有的部件，網絡延時已經能小于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層的網絡，而非3層的互聯網協議。”從而導致AVB要求使用AVB專用交換機，限制了利用已有IT架構的優勢。數據在AVB網絡中傳輸不能通過CISCO或者HP路由器，而這兩個品牌安裝在全世界至少80%的網絡里。

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

　　運行在IP網絡上的集中式處理平臺，應該遵照計算機行業的成熟做法。“音頻信號傳輸不應該要求一個獨立的網絡架構，”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，確保音頻信號有合理的傳輸優先級，而這些技術至今已經為人熟知。”

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