1、上海體育場擴聲系統改造項目12.11 世博巡游花車擴聲音響系統2010上海世博會已落下了華麗的帷幕，其精彩紛呈的節目至今歷歷在目，難以忘懷。萬民參與的“歡樂盛裝大巡游”游園節目，前后數百米的花車隊伍連成一片甚為壯觀，花車兩旁的舞蹈演員隨著車上音樂翩翩起舞，樂聲人聲的交融欣起了一波又一波激情狂歡的歡樂氣氛。非常給力地展示了全球多元文化的和諧互動，表達了人類對未來城市的美好遐想。“圖12-1 “歡樂盛裝大巡游”路線圖世博會大巡游是上海世博會每日進行的歡慶活動，也是上海世博會最重要的慶典活動之一。整個巡游分為3條線，分別為浦東一號線、浦東二號線、浦西一號線。浦東一號線有6輛花車，浦東二號線有11輛花

2、車，浦西一號線有6輛花車。圖12-1是“歡樂盛裝大巡游”路線圖。巡游過程中，穿著鮮艷盛裝的舞蹈演員隨著強勁的音樂節奏熱情奔放地跳起各種優美舞姿。巡游音樂分為行進表演音樂和停車表演音樂。每輛花車輕松歡樂的音樂都是特別制作的，旋律節拍相同，曲調各有變化。每個車隊的每輛花車為達到同步一致的表演效果，整個花車團隊對音樂的播放控制提出了很高的同步要求，圖12-2是各路花車現場巡游示意圖。浦東一號線花車浦東二號線花車浦西一號線花車圖12-2 各路花車現場巡游示意圖12.11.1系統特點和和技術要求1. 系統技術要求根據“歡樂盛裝大巡游”的設計創意，花車團隊擴聲音響和控制系統的技術要求： (1) 聲音豐滿、

3、強勁有力，沿路的聲壓級至少達到120dB；(2) 巡演過程中不得出現聲音斷續或中斷現象； (3) 隨時可插入緊急廣播或即興表演信號，自動壓低正在播放的音樂音量；(4) 低耗電量，符合車載供電要求；(5) 每一線路上各花車同步播放音源的時間誤差不大于20毫秒；(6) 花車音樂同步啟動延時應小于10毫秒；(7) 采用無線遙控音樂同步控制；(8) 無線同步控制的最遠距離為2公里；(9) 3條線之間的無線控制互不干擾；(10) 同步控制設備露天放置，符合IP65防水等級；(11) 每輛花車具有本地控制和遠程控制2種模式；(12) 音樂控制分為行進音樂播放和停車音樂播放；(13) 音樂停止分為音樂播放完

4、停止和隨機急停二種方式；(14) 有4檔固定音量可選的設置方式。2. 系統特點及技術策略(1) 高聲壓、大動態的優質擴聲系統巡游花車采用節能環保型電動車，供電和車載重量受到嚴格控制。設備的選型必須嚴格限制設備的重量、體積以和安裝的便捷性。特別是揚聲器，既要滿足相關的聲學指標要求，又要滿足有限的車載負重和狹小的花車安裝空間。要解決大功率輸出和揚聲器重量、體積之間的矛盾；(2) 有效的減震避震措施行進中的車輛除路面帶來的震動外，還有車子發動機和傳動部分帶來的震動；這些震動會給擴聲音響系統帶來復雜多變的影響。為確保音響系統穩定可靠運行，必須采用特殊的安裝工藝和有效的減震避震措施；(3) 降低車載電能

5、消耗，提高電源利用率世博花車采用低壓直流能源系統。擴聲系統設計時不僅要考慮電源的適配問題，更重要的是在設備選型和系統結構上盡可能采用重量輕、高效能的功放和電聲轉換效能高的揚聲器。滿足降低車載電能消耗，提高電源利用率要求；(4)在高溫高濕的工作環境中，必須確保系統安全、可靠連續運行系統安全性從二個方面著手：， 系統各部件同車體必須采用牢固而有效的連接；配重、連接、散熱等諸方面符合行車安全要求。 功放機柜，超低音揚聲器等質量重的部件，選擇合適的安裝位置；既要考慮系統的合理布局，又要考慮車體緊急制動時，在慣性方向上避開可能對演職人員、操作人員帶來的傷害。系統可靠性設計有三個重點，一是能夠應對上海霉雨

6、、高溫等氣候條件做好對設備和系統的防護措施。二是有效的備份和維護手段。三是良好的系統工藝設計和系統連接器件的選擇，優質的施工質量；(5)各花車具有同步播放音源、同步控制音量、同步切換通信頻道功能擴聲系統與無線同步控制系統的友善對接。實現同一巡游線路上各花車同步播放音源、同步控制音量、同步切換通信頻道等功能，保證百米花車團隊的協調控制。12.11.2 巡游花車擴聲音響系統設計方案花車音響系統以重放預存音源為主，同時可以提供語音擴聲。插入語音時，正在播放的音樂聲音自動降低。系統由遠程無線發射機發出同步操作命令（也可以實現本地手動控制操作），本地接收機收到操作指令后，驅動固體數字音頻播放器，并經數字

7、音頻處理器提供給功放驅動揚聲器。 巡游過程中，插入與游客互動或緊急廣播傳聲器信號時，利用了BSS Z-BLU數字網絡音頻處理器內置的DUCKER(自動降低樂聲)功能,系統可以自動降低正在播放的花車音樂的音量。圖12-3為花車音響系統的工作原理框架圖。圖12-3 花車音響系統工作原理框架圖花車音響系統的啟動、工作狀態調整和花車同步控制采用上海億光數碼科技有限公司（簡稱SEGT）研發的同步控制系統。該系統支持“遠程控制”和“本地控制”兩種工作方式。 正常情況下各花車音響系統處于遠程控制狀態，由每一巡游線路上的某個車發出指令，其余車輛收到命令后同步啟動音響系統或調整運行參數；一旦遠程同步控制系統出現

8、故障，各花車將本地控制面板上的工作模式開關調節至“本地控制”，即可自行操作該面板上的所有按鈕命令。1.系統方案特點從整體美觀性出發，花車上所有揚聲器都暗藏布景造型裝置結構內（圖12-3中的虛線框），每一揚聲器安裝點位的空間大小取決于對應花車裝置的造型。這些不可改動的客觀條件限制了揚聲器的選型和布局；因此系統設計既要熟悉各種花車的結構，又要考慮花車音響系統的五大特點。花車團隊留給確定方案和供貨的時間非常短，前后不超過3個月。為了確保供貨周期，必須在盡可能短的時間內確定系統方案。最后確定采用類似于迪斯科舞廳強勁有力的供聲方案。該方案的特點是：1）迪斯科舞廳般強勁有力、節奏感強、整體化音效感染力的音

9、箱；2）花車揚聲器受到裝置結構及其安全系數的限制，安裝高度基本不超過離地2米處，只有極少數的揚聲器安裝于約3.5米的高度處；圖12-4 1號巡游線路1歐洲花車揚聲器布置示意圖3）與受聲體觀眾之間的距離近。花車巡游時與左右兩旁游客的距離在10米之內。選用迪斯科舞廳常用的系列產品，包括5款全音域和2款超低音揚聲器，JBL SRX 700系列高聲壓級揚聲器為選擇最適宜花車空間暗裝的揚聲器提供了保證。用花車音源做現場試驗，結果各方對演示效果均表示滿意，評價是聲音強勁震撼，富有感染力。根據1歐洲花車的車子結構及其裝置特征，圖12-4是為其制定的揚聲器方案。應用兩款揚聲器組合方案，1#、2、3和4#是SR

10、X715選用揚聲器；5和6選用揚聲器SRX738揚聲器。2. 可靠性設計 在整個世博運行期間，每輛花車都經受住了惡劣環境下的高頻率應用，沒有一輛出現 “失聲”的現象，這緣于：(1) 設備選型。系統集成采用JBL SRX700揚聲器、CROWN XTI功放、BSS BLU數字網絡音頻處理器和TASCAN SS1音源播放器等都是經實踐驗證為高安全可靠的世界名牌設備，特別選擇了TASCAM抗震避震性能強的音源播放器，實踐驗證明，TASCAN SS1避免了花車啟動、剎車或顛簸對車載音源播放穩定性的影響；(2)前后級設備之間的配套性能佳。花車音響系統集成的設備都屬于美國HARMAN集團，前后級設備技術性

11、能指標匹配，信號接口特性相符；功放與揚聲器之間的功率配比按照1.5：1比例設計，具有適量的功率余量；(3)系統結構。為保險起見，每條巡游線路的領頭車音響系統，從播放器至功放輸入端之間的設備和信號傳輸路徑設計成主備結構，一旦主結構出現故障，只要一鍵按下，備用設備即可無縫切換；圖12-5是音晌備分系統的切換原理圖。(4)工藝設計。考慮到音響系統在動態的花車載體上工作，因此對車載上所有音響設備和連接線都進行了專門的加固設計和施工。圖12-5音晌備分系統的切換最終運行結果標明，所有花車沒有出現接插件脫落等不利系統運行的現象。3. 高效節能措施音響系統中的最大耗電設備是功放。為降低能耗，提供給花車的是電

12、源轉換效率高達90的美國CROWN I-Tech HD網絡數字功放器，大大高于轉換效率為50的傳統模擬功放。 CROWN I-Tech HD網絡數字功放不但體積小、重量輕，降低了對花車的載重和安裝空間要求；而且啟動時不會產生如傳統功放那樣的瞬態涌動電流，同樣也減少了對電源容量的需求。4. 系統操作簡單、直觀花車在行進過程中需調整的是音源的工作狀態及系統輸出電平，其它參數固定不變。上海億光數碼科技有限公司基于美國哈曼集團產品特性特別開發的同步控制系統，將上述的每一控制指令轉化為直觀的按鈕控制面板。使用人員只需簡單培訓，就能快速上手，且不會發生差錯。12.11.3 世博花車無線同步控制系統1. 無

13、線同步控制系統設計方案無線同步控制采用星型無線網絡控制結構，在每輛巡游花車上都安裝一套無線同步接收控制設備。通過2個串行通信口分別控制BSS音樂數字處理器和Tascam音樂播放器。這種系統結構和控制方式盡管在編寫軟件和硬件結構方面有一定的復雜性，但對提高系統的可靠性有顯著幫助。系統示意結構圖如下：圖12-7 花車無線同步控制系統無線發射控制主機安裝在每條花車巡游線某輛合適的車位上，具有良好的遠程控制功能。圖12-8是浦東二號線的無線網絡控制結構圖隨著軟件無線控制理論和高速數字信號處理技術的發展,用DSP/FPGA器件實現無線通信的模擬和數字調制解調已經成為無線通信的主流。在世博花車無線通信控制

14、系統采用高斯頻移鍵控GFSK( Gauss frequency Shift Keying)無線通信技術。2.GFSK通信技術FSK(frequency Shift Keying) 頻移鍵控調制和GFSK高斯頻移鍵控調制是兩種主要數據調制方法。FSK是信息傳輸中使用較早的一種調制方式，即用不同的頻率表示不同的數據符號；GFSK是在調制之前通過一個高斯低通濾波器來限制信號的頻譜寬度。圖12-8 無線同步控制設備（發射機、接收機、天線）GFSK調制的特點是頻譜較窄、功率譜集中，具有無線通信系統所希望的特性。GFSK調制器與FSK調制器的區別在于，在FSK鍵控調制中，調制信號(基帶信號)直接對載波頻率

15、進行頻率調制，占用較寬的通信頻帶；而在GFSK調制中，調制信號(基帶信號)經過高斯濾波器整形后再加到FSK鍵控調制器；調制信號變為一種緩變的基帶信號，占用較窄的通信頻帶。圖12-9是FSK與GFSK調制信號的區別。 圖1圖12-9 FSK與GFSK調制信號的區別(a) FSK調制信號（b）GFSK調制信號 在FSK調制中，由于調制信號(基帶信號)從一個邏輯電平迅速跳變到另一個邏輯電平，調制后的頻率也從一個頻率突跳到另一個頻率，會占用較寬的通信帶寬。但是在GFSK調制中，調制信號經高斯濾波器整形后，基帶信號的變化速率緩慢了，載波信號頻率也隨之作緩慢的變化，因此其頻譜寬度相對于FSK調制要窄。在相

16、同的通信信道帶寬內，GFSK調制可傳輸更高數據率的基帶信號，提高了信道傳輸效率。n GFSK正交調制的頻譜GFSK調制的數學表達式可以寫為-(12-1)式中：m 為調制指數,當m=0.5時就是GMSK正交調制；n為輸入不歸零的雙極性數據信號碼元；T 為信號碼元信號周期；h(t)為預調制高斯低通濾波器的沖激響應表達式。式中：B為高斯低通濾波器的3dB帶寬。由式(12-1)可見,給定了載波頻率和基帶信號碼元速率后,GFSK的傳輸特性就由B和m兩個參數決定。H(t)K(*)dtn(t)Cos(t)sin(t)(t)Q(t)圖12-10是GFSK正交調制器中基帶信號的處理框圖。H(t)為高斯低通濾波器

17、的沖激響應表達式, K=m/T,(t)為GFSK的正交相位函數,I(t)為基帶相位信號的同相輸出分量，Q(t)為基帶相位信號的正交輸出分量。圖12-10 GFSK調制器的基帶信號處理結構框圖GFSK調制器的基帶信號處理需要解決相位積分、三角函數運算和高斯低通濾波等3個問題。當今，DSP處理技術已可方便的實現積分運算、三角函數運算和數字濾波運算。2. 花車無線同步控制設備的硬件結構無線同步控制設備由無線發射機（遠程控制主機）和無線接收機組成，圖12-11為無線發射機和無線接收機的外形圖。設備外殼采用了德國美卡諾防水機箱，符合IP65的防護等級，該機箱的人性化設計，使得操控、安裝、調試極為方便。無

18、線發射機無線接收機圖12-11 設備外形圖無線同步控制設備的控制對象為BSS音頻處理器和TASCAM音頻播放器，采用串行通信的方式。BSS音頻處理器的串行通信格式采用16進制碼和校驗碼，每次通信代碼長度為26位，波特率為9600波特率；TASCAM音頻播放器采用ASC碼和校驗碼，每次通信代碼長度為7位，波特率為9600波特率。因此，傳輸26位BSS通信代碼的時間約為27毫秒，傳輸7位TASCAM通信代碼的時間約為7毫秒，BSS通信時長超過了系統時延10毫秒的技術指標。為此，線同步控制設備的通信代碼重新進行了約定，代碼長度為5位，包括一位校驗碼，總的通信時長約為5毫秒，通信延時小于10毫秒。無線

19、同步控制設備的無線發射機和接收機的硬件相同，只是軟件處理流程不同。圖12-12是發射機和接收機的硬件結構圖。天線功率放大器工作狀態顯示電路鍵盤掃描電路工作狀態存儲器信號接收處理GFSK調制、解調處理電路（DSP）89C51單片處理器BSS音頻處理器TASCAM音樂播放器圖12-12 發射機和接收機硬件結構圖4. 花車無線同步控制軟件(1) 無線數字通信系統的信號處理流程大于限定值小于限定值電源休眠、錯誤處理上電初始化數據發送數據等待回復重發數據重發數據切換信道重發次數計數跳頻次數計數數據就緒連接中斷系統空傳發送成功小于限定次數發送失敗大于限定次數圖12-13 發射機信號處理流程圖三條花車巡游線路采用了不同的通信頻帶，為了確保無線通信的可靠性，花車無線同步控制應用了數據突發、重發技術和動態頻率跳變技術，即可以在設計的頻段內實現一點對多點的自適應同步控制，該自適應同步控制無線通信系統需要一套約定的通信信號處理流程，信號處理流程使系統可有效防止通信系統的信號干擾。通信信號處理流程根據丟包數量來判斷信道是否可用。使用合理的頻率跳變規律，讓跳頻后的數據通信頻道跳到干擾源頻帶之外，并采用數據自動重發方式避免數據傳送失敗。通信處理流程分成發射機和接收機兩個流程。發射機根據接收機收到的每個數據包能否正確解調來確認信號質量，判斷是否有干擾源，然后向接收機發送約定的信道切換命令。(2) 發射機的