录音棚系统的升级改造
【摘要】本文主要介绍了天津广播电视台16号录音棚系统的升级改造设计，详细描述了调音台系统高效快捷的操控性、虚拟环绕声定相技术和灵活实用的自动化功能，还介绍了数字音频工作站的技术特性以及录音棚系统的整体使用情况。
【关键词】录音棚 环绕声 数字音频工作站
录音棚是为创造特定声学环境而建造的专业录音场所。天津广播电视台16号录音棚专用于录制广播剧、戏曲、歌曲、音乐等综合文艺节目。由于这个录音棚中的设备已使用近20年，指标衰减严重，故障频出，影响正常使用，需要进行升级改造以满足广播节目制作的需要。
一．方案设计及系统配置
16号录音棚总面积约200平米，其中控制室约40平米，混响时间为0.4秒，演播室约160平米，分为两部分，活跃区混响时间为0.6秒，寂静区混响时间为0.3秒。这次升级改造除要满足常规广播节目制作需要外，还要考虑满足立体声和环绕声精品节目制作的需要，保证多声道节目后期制作、多轨录音及后期母版制作。
录音技术随着现代科技的发展在不断进步，过去传统的全硬件、模拟电路处理的制作方法有了很大改变。现在的录音系统是建立在数字制作基础之上的、数字与模拟相结合、调音台物理操作与音频工作站软件处理相结合的综合体系。
此次系统更新改造总体设计是以高质量数字调音台作为音频处理核心，利用高质量的前级话放确保原始音频素材高保真地进入音频处理环境，同时以Pro Tools音频工作站作数字音频处理，对调音台的物理控制做有益的补充，加强音频处理的精确性。系统使用MADI HD接口连接调音台与工作站，使调音台与工作站的处理合为一体、相得益彰。为满足高质量制作的需要，系统配置了高品质的监听音箱和硬件效果处理设备，保证整体制作流程的高质量。
二．调音台的技术特性
调音台是信号处理分配的中枢，是整个录音系统的核心。调音台除具有很强的处理能力和很高的音质外，良好的操控性也非常关键。在某些情况下，当整个制作班子中有好 几位录音师，或者需要与别的制作队伍配合时，良好的操控性要能保证各工作步骤有条不紊、运行顺畅。1.高效快捷的操作界面传统调音台的音频参数主要显示在调音台上部的T F T屏幕上，但是相关的控制部件却在别的地方，监视屏位置和控制部件位置距离较远。录音师必须在头脑中时刻对应出控制部件的准确位置，眼睛同时关注屏幕和部件，这样连续工作一段时间后会非常疲劳，而且造成出错率升高。
本系统调音台设计了独有的显示控制方式，监视屏位置就是控制部件的位置，显示非常直观，操作非常方便。
录音师可以根据自己的习惯设置控制部件的颜色和形状。每种功能都有特定的颜色：均衡器和滤波器及所有相关按钮都是红色，动态处理为绿色，声相定位为黄色。同类参数以相同方式显示，比模拟调音台更直观。
每个通道的动态处理、均衡和声相定位设置情况都会在触摸屏上显示出来，这样就能实时监控整个调音台的工作状况。只要按下可视区域内的一个按钮，整个调音台上每个通道的四个控制旋钮都会相应地改变功能，同时显示出被选
图3 调音台显示控制模块 音频功能的四个最主要参数。每个通道区上都有整体可视按钮，录音师可以从任何位置访问到它们。
只要轻触一下被选通道条上的目标功能，该功能就会在显示控制模块上完整地显示出来。录音师可以立即对参数值进行调整，然后关闭所选视窗即可。
触摸同一通道上的均衡器和动态处理后，它们都将在显示控制模块上完整地显示出功能设置情况。操作者在调整其中一个功能（例如均衡）的同时，另一个功能（例如压缩器）的相关参数也会相应地自动进行调整。当触摸了两个不同通道的均衡器时，它们的完整设置都会出现在屏幕上，方便操作者同时调整这两个均衡器。通过转动旋钮调整选定参数，修改结果能够同时以图形和数值的形式显示出来。显示控制模块的每一种独立的功能都有不同的标志：电平显示为条状，时间显示为环状，频率显示为频谱图形状。这样，录音师能够很容易地区分出各个功能，看到它们的状态和设置值。2.虚拟环绕声定相技术系统调音台具有非常实用的虚拟环绕声定相技术。虚拟环绕声定相技术可以为录音师提供独有的定位功能。利用延时定相和反射声，可以对非常复杂的环绕声节目以高音质进行混音，甚至还可以在不使用另外的延时器和处理器的情况下，将单声道的音源变成高质量的5.1环绕声节目。
虚拟环绕声定相技术模拟了一个特定的声学空间，它 利用通道的相位控制将音源定位在此空间中。环绕声的听感是由早期反射声的方向和在每个音箱的延时长短形成的。这些在一般的声相定位中没有的反射声，就是单声道的音源在环绕声场中定位的关键。根据录音师的需要，还可以通过在不同的通道上加上不同的相位和频谱信息，实现更准确的声相。此外，虚拟环绕声定相技术还可以最多使用8个单独的混响参数设置为受控信号提供后期的混响。
混音后期制作时，可以使用快照和动态自动化功能对虚拟环绕声定相模块进行控制，相当于为每个音频通路都增加了一台环绕声效果器，而且这些效果器都是可以直接在调音台台面上设置使用的。
3.灵活实用的自动化功能现在的专业录音制作工艺对动态自动化有着较高的要求，系统调音台有着灵活实用的自动化功能。
调音台的每个推子和旋钮都是触感式的，只要简单地触摸控制键、移动并且放开它，就可以动态地实现自动化操作。有时可能会遇到比较复杂的审听方式，比如，要先审听一个控制值，然后再局部或整体地将其插入自动录音状态。每个通路的每一个控制都能被独立地置于WRITE、TRIM、R E A D或I S O L A T E模式下，这样，只有被选控制可以动态地实现自动化。这些混音时要保持静态又需要持续修改的控制，都可以以S T A T I C方式显示出来。在T R I M方式下，开关状态是可以编辑的，也可以通过使用快捷的、可以对开关事件进行编辑的按住式功能进行实时不脱机操作。当需要进行脱机操作时，也有一套完整的脱机混音编辑工具，混音时，它可以对推子、旋钮和开关的自动化数据进行编辑和复制，或在混音的同时混入，确保每一个录制环节都非常顺利、安全、有效。
三．数字音频工作站
录音棚内的工作站必须要兼顾高音质、高速度和通用性。为此，系统设计选用了业内应用比较广泛的Pro Tools HDX2数字音频工作站系统。
工作站软件支持48khz、96khz和192khz的采样频率，具有超过75种虚拟乐器、效果器、声音处理、实用插件、8G B音色库，支持128个I/O通道；在48K H z采样频率下支持256个同时音轨，96k H z采样频率下支持128个同时音轨， 192k H z采样频率下支持64个同时音轨；它支持512单声道或立体声辅助输入，具有512乐器音轨、512M I D I音轨、256内置混音母线；具有32位浮点处理深度和64位浮点混音器深度；可通过业界标准的9针串行控制协议对外部音视频设备进行集成和控制。它可以实现高级环绕声混录，支持包括L C R、Q u a d、l C R S、5.1、7.1、9.1及3D多维声格式7.1.2、7.1.4等流行的环绕声格式。
工作站核心处理卡是2块Pro Tools HDX音频处理卡，每块卡都具有很强的处理能力，浮点运算架构使整个系统具有更高解析度的音质和更大的动态余量。每块处理卡拥有64个I/O的物理通道和256个发音数，使混音工作速度更快，音
质更高，场面更宏大。
工作站采用两台全数字H D M A D I作为音频通信接口，内置采样率转换使连接非常灵活。每台HD MADI可在Pro TOOLS设备和MADI设备之间发送及接收最多至64路音频通道。HD MADI用4根多模光纤线实现与调音台128通道的输入和输出，在很大程度上降低了施工和材料成本，同时，光纤传输确保了音频通信的稳定性和高音质。
系统选用A v i d S Y N C H D作为同步接口，为P r o T o o l s H D X提供准确的采样率支持。它整合了一个高保真、低时基误差的主时钟，支持高达192k H z与标准p u l lu p/p u l l-d o w n码率的电影与视频。s Y N C H D还具有A E S/E B U时钟输入/输出、S D与H D视频基准输入/直通、带timecode窗口插入的视频程序入/出等多种特性。
四．监听系统
监听音箱是不对声音做任何修饰、忠实还原声音原貌的音箱。监听音箱追求的是最佳保真度，表现原汁原味的声音，甚至要能还原出声音中的瑕疵，比如人在演唱时的呼吸声、唇齿的摩擦声等。
录音棚的监听系统分为两个部分，即主监听和近场监听。主监听的安装模式为墙体嵌入式安装，采用高品质有源监听音箱组成5.1环绕声监听系统，近场监听是2只立体
声音箱。录音师可以随时切换监听模式，更加细致地审听节目的录制质量。
五．结束语
这次系统升级改造，我们始终坚持安全、稳定、高效、便捷的理念。调音台的前级话放对原始声音音质有很高的还原精度，使所拾取到的声音依然保持原有的丰满度和通透感。通过调音台自带的音频处理器，还可以对声音进行进一步的修饰及处理。调音台的操作非常直观简便，使录音师可以在工作中快速地实现对声音的构思处理。
Pro Tools HDX音频工作站的多通道处理能力，可以同时记录及处理多达至128个音轨数量，配合Waves的mercury插件包，录音师在后期制作时有更多的灵活度，通过软件便可以完成大部分的使用需求。
在制作广播剧这类对后期制作有着大量要求的节目时， Pro Tools工作站与调音台之间的配合密不可分，调音台为录音师提供了多通道的重放及总线压缩功能，工作站则使录音师可以更加迅速地对音频进行剪接及精确到帧的修饰处理，二者相互配合为录音师提供了很强的技术保证和支持。
今后，我们将努力使用好新系统，开发新功能，制作出更多更好的节目。我们将紧跟科技发展的脚步，搭建更好的 技术平台，为广播听众服务。B&P
三．调频广播覆盖技术改进基本方法一
（1）我们通过改变发射台地址进行升级，选择在安吉县九亩田村的转播台作为实验地址，此处距市区24公里左右，经度119°38′，纬度30°24′，海拔高度810米，铁塔高度30米，四边形角钢结构。我们首先采用四层半波垂直极化单偶极子天线，发射机功率1k w,试播后采用德力2500场强仪对现有的单偶极子天线的覆盖区域进行一次详细的环路路测，得出场强路测图和各点场强值得路测数据，了解整个覆盖情况。经实际路测所得结果。主方向（向东）开阔地带覆盖到达萧山机场接近80公里，通过路测场强▪到达55d B，完全达到我县调频广播覆盖的需求。但是后背和北侧受1030米的高山阻挡信号较弱，无法覆盖。
（2）结合以上实际情况，要想改变四个方向服务区的场强值，无非只有提高发射机功率或提高天线的增益和天线方向性、天线挂装高度上做文章。在提高发射机功率上做文章是完全没有可能。只有在天线上做文章。
（3）为了保证北侧整个市区和杭州方向达到最佳覆盖效果，我们在九亩田转播台根据路测的实际数据和地形情况通过改变天线的形式，采用北面四层双偶极子，东面四双偶极子进行加权覆盖，路测结果为北面面向安吉县主城区方向受1030米的高山阻挡信号仍然较弱，东面到达萧山机场方向场强▪为40d B，东北面向德清县方向40公里左右场强▪为55 db左右。
（5）根据以上两种不同的天线形式的改变试验，实测结果都不能满足我台实际覆盖要求。因此我们否决了在九亩田建设调频发射台的计划，决定在原安吉县灵峰山发射台的两层四面双偶极子天线进行改造。
四．调频广播覆盖技术改进方法二
（1）灵峰山发射台具体情况如下：经度119°38′，纬度30°35′，具安吉市区5公里，海拔高度328.1米，南偏西30°左右，铁塔高度45米。天线中心挂高25米左右，
（2）原有的两层四面天线为2008年中央模拟覆盖改造，天线极化方式为水平极化，天线安装布局为正装，即天线延铁塔中心轴线正装，天线增益为5.6d B。两层四面天线的分馈线长度分别为：
0° 90° 180° 270°第一层A1=7700m B1=6.93m C1=6.16m D1=5.39m第二层A2=7700m B2=6.93m C2=6.16m D2=5.39m
（3）通过原系统图可以看出，原天线设计的中心频率为97.5M H z，波长为3.0769m,分馈线的每一面都是等长的，相位相差90°，相邻两面的分馈线长度均梯减1/4波长，即0.77米。且顺时针安装。整副天线没有零点补偿和电气下倾。采用的分馈线型号为SDY50-12。
五．结合当时的实际情况，我们做出综合分析
1．原两层天线的增益只有5.6db,增益偏低； 2．原两层天线安装位置的铁塔边宽为2.8米，安装布局 为正装，在计算分支电缆长度时没有纳入到波程差。
3．在分馈线的电缆长度设计上，仅设计了电气长度，没有考虑到电气长度,即电缆的缩短率。4．从0°的电缆长度可以分析推算公式为：频率为：97.5Mhz，波长为λ λ=300000000/97.5 Mhz=30769mm, 1/2λ=1538.46mm 1/4λ=769.23mm(整数取值为770mm) 0°的分馈线长度取值为1/2λ×5倍，即7692.3m m,取整数位7700mm。
90°的分馈线长度取值为7700-1/4λ=7700770=6930mm
180°的分馈线长度取值为6930m m-1/4λ=6930770=6160mm
270°的分馈线长度取值为6160m m-1/4λ=6160770=5390mm
六．重新制定天馈线系统方案
1．为解决以上问题，我们首先从增加天线的增益、零点补偿、电气下倾等几个方面着手来提高天线增益。重新设计方案如下：
2．天线极化方式仍然采用水平极化； 3．首先将原两层四面双偶极子调频天线扩展到四层四面双偶极子天线，使天线增益提高到7.5db;
4．在天线安装方式上，天线采用逆时针偏装约0.18λ即0.18≈554m m，铁塔对角方向从结构（路径）上减少波程差，改善天线与远处空间合成场强的分布，改善水平方向图的不圆度（轴比）。即天线板安装时逆时针延铁塔中心轴线偏离554mm 5．分馈线长度及零点填充、电气下倾计算如下： 5.1分馈线为S D Y-50-15,电缆缩短率为0.93，即1米电长度取分馈线物理长度0.93米
5.2水平覆盖：为了适应我县调频广播覆盖的最佳视覆盖效果，调频双偶极子天线布阵应考虑到与覆盖区域相适应的水平辐射方向图。覆盖范围是天线的能见距离以内。发射天线高度，能见距离和天线下倾角度三者之间的关系：
能见距离（视距）KM=4.12( + （1）我灵峰山发射台海拔高度328.1米，发射天线高度25米，合计353.1米；
（2）平原地区海拔高度20米，接收天线高度2.5米，合计22.5米；
（3）灵峰山发射台发射天线的视距96.8k m≈4.12
( 米+ 米)
（4）电波传播的直视距离 Re 约为极限直视距离的70%，即视距96.8 km×70%≈67.7km。（5）覆盖范围最大时水平方向的辐射角度=0.0278
； （6）灵峰山发射台发射天线的辐射角度0.52°
=0.0278 米；
（7）覆盖半径只需35公里。
5.3垂直覆盖 ：地球表面曲率和天线架设高度，要使波束不平伸而要照射到覆盖区域，技术上通过电流相位补偿，控制波束角度，使得覆盖区域有足够的信号场强。一般来说，下倾角的大小可以由以下公式推算：下倾角θ=arctg(h/r)＋a/2
其中：θ--天线的下倾角
H--天线的高度
R--覆盖半径
A--天线的垂直平面半功率角上式是将天线的主瓣方向对准覆盖区域边缘时得出的，在实际的调整工作中，一般在由此得出的下倾角角度的基础上再加上1-2°，使信号更有效地覆盖在本小区之内。
我台灵峰山的发射天线高度h=353.1米，覆盖半径R=35km，天线的垂直面半功率角a=57°
θ=arctg(353.1/30000)＋57/2≈=88°（根据正切函数表查得），在此基础上再加上1°。理论值灵峰山最终下倾角度为3° 5.4、馈电系统电气下倾以及天线第一、第二零点填充。当调频发射天线的主向与水平线为同一方向时，由于垂直垂直面方向图的对称性，使一半有效辐射功率因朝着水平线方向以上的方向发射而得不到利用。为尽可能多的有效辐射功率分布于覆盖区域，同时又不多的降低发射天线的增益，应将发射天线主向往下倾斜一个适当的角度。
天线层数越多零点越多，二层由5个零点，四层由9个零点，多层天线零辐射点虽多，但影响的的是第一、二零点辐射角及所对应的辐射环带。
根据以上数据我们重新计算排列出分馈线长度：计算方式如下：
频率：100.1MHZ、88.7MHZ；中心设计频率：94.4MHZ； λ=300000000/94.4=3.178m λ0=电缆缩短率0.93×3.178m=2.956m SDY50-15分馈线最小弯曲半径0.225M
基准长度：9m最短分馈线长度：9m/2.956m（取整）=3 L0=3×2.956+0.225m=9.12m
垂直反射板中心距为3m垂直方向波速下倾3°，零点填充12%；水平方向旋转90°，λ0/4=2.956/4=0.739m
0° 90° 180° 270°第一层L1=8.963m L2=9.702m L3=10.441m L4=11.180m
第二层L5=9.120m L6=9.859m L7= 10.598m L8=11.337m第三层L9=9.120m L10=9.859m L11=10.598m L12=11.337m第四层L13=9.905m L14=10.644m L15=11.383 L15=12.122m
七．天馈线系统的实际安装
天线安装的铁塔直线段高度为25米，截面边宽为2.5米。天线反射板的尺寸为1.7×2.5米，如果再继续增加两层水平极化双偶极子调频天线，铁塔上的天线安装高度需要11.5米，而铁塔调频天线的安装直线段只有8米，无法满足安装四层调频双偶极子水平极化天线的安装要求。因此我们在天线的3米层间距离保持不变，四层天线的安装高度我们通过改变天线反射板的安装构件将反射板固定在下段铁塔的变坡段，这样实现了整个天线阵由两层四面水平极化改成了四层四面水平极化天线阵。在不改变发射机功率和发射台位置的情况下实现了加权，使天线的增益提高到7.5db。
八．场强路测及实际效果
通过改造之后，采用德力D S2500数字电视场强仪路测覆盖距离大约38公里左右，从我们大量实际在现场收听、收测得情况进行了认真的分析：干扰区的干扰消失，覆盖区的场强显著提高，总体基本上提高了20d B左右。场强达到66db,收听质量很满意，覆盖效果相当理想。
实现了全向覆盖，满足了我县调频覆盖发展的需求。（附第二次路测图）
综上所述:双偶极子天线与单偶极子天线之间从天线形式、极化方式、增益、功率分配、方向性上没有可比性，双偶极子天线组阵后水平面全向覆盖场型占有优势，单偶极子 的主方向场型覆盖占有优势。B&P 特别鸣谢 柏冈 浙江国兆科技有限公司崔广龙 中广电设计院