巡游花车

12.11 世博巡游花车扩声音响系统

2010上海世博会已落下了华丽的帷幕，其精彩纷呈的节目至今历历在目，难以忘怀。万民参与的“欢乐盛装大巡游”游园节目，前后数百米的花车队伍连成一片甚为壮观，花车两旁的舞蹈演员随着车上音乐翩翩起舞，乐声人声的交融欣起了一波又一波激情狂欢的欢乐气氛。非常给力地展示了全球多元文化的和谐互动，表达了人类对未来城市的美好遐想。

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图12-1 “欢乐盛装大巡游”路线图

世博会大巡游是上海世博会每日进行的欢庆活动，也是上海世博会最重要的庆典活动之一。整个巡游分为3条线，分别为浦东一号线、浦东二号线、浦西一号线。浦东一号线有6辆花车，浦东二号线有11辆花车，浦西一号线有6辆花车。图12-1是“欢乐盛装大巡游”路线图。

巡游过程中，穿着鲜艳盛装的舞蹈演员随着强劲的音乐节奏热情奔放地跳起各种优美舞姿。巡游音乐分为行进表演音乐和停车表演音乐。每辆花车轻松欢乐的音乐都是特别制作的，旋律节拍相同，曲调各有变化。每个车队的每辆花车为达到同步一致的表演效果，整个

花车团队对音乐的播放控制提出了很高的同步要求，图12-2是各路花车现场巡游示意图。

浦东一号线花车

浦东二号线花车

浦西一号线花车

图12-2 各路花车现场巡游示意图

12.11.1系统特点和和技术要求

1. 系统技术要求

根据“欢乐盛装大巡游”的设计创意，花车团队扩声音响和控制系统的技术要求：

(1) 声音丰满、强劲有力，沿路的声压级至少达到120dB；

(2) 巡演过程中不得出现声音断续或中断现象；

(3) 随时可插入紧急广播或即兴表演信号，自动压低正在播放的音乐音量；

(4) 低耗电量，符合车载供电要求；

(5) 每一线路上各花车同步播放音源的时间误差不大于20毫秒；

(6) 花车音乐同步启动延时应小于10毫秒；

(7) 采用无线遥控音乐同步控制；

(8) 无线同步控制的最远距离为2公里；

(9) 3条线之间的无线控制互不干扰；

(10) 同步控制设备露天放置，符合IP65防水等级；

(11) 每辆花车具有本地控制和远程控制2种模式；

(12) 音乐控制分为行进音乐播放和停车音乐播放；

(13) 音乐停止分为音乐播放完停止和随机急停二种方式；

(14) 有4档固定音量可选的设置方式。

2. 系统特点及技术策略

(1)高声压、大动态的优质扩声系统

巡游花车采用节能环保型电动车，供电和车载重量受到严格控制。设备的选型必须严格限制设备的重量、体积以和安装的便捷性。特别是扬声器，既要满足相关的声学指标要求，又要满足有限的车载负重和狭小的花车安装空间。要解决大功率输出和扬声器重量、体积之间的矛盾；

(2) 有效的减震避震措施

行进中的车辆除路面带来的震动外，还有车子发动机和传动部分带来的震动；这些震动会给扩声音响系统带来复杂多变的影响。为确保音响系统稳定可靠运行，必须采用特殊的安装工艺和有效的减震避震措施；

(3) 降低车载电能消耗，提高电源利用率

世博花车采用低压直流能源系统。扩声系统设计时不仅要考虑电源的适配问题，更重要的是在设备选型和系统结构上尽可能采用重量轻、高效能的功放和电声转换效能高的扬声器。满足降低车载电能消耗，提高电源利用率要求；

(4)在高温高湿的工作环境中，必须确保系统安全、可靠连续运行

系统安全性从二个方面着手：，①系统各部件同车体必须采用牢固而有效的连接；配重、连接、散热等诸方面符合行车安全要求。②功放机柜，超低音扬声器等质量重的部件，选择合适的安装位置；既要考虑系统的合理布局，又要考虑车体紧急制动时，在惯性方向上避开可能对演职人员、操作人员带来的伤害。

系统可靠性设计有三个重点，一是能够应对上海霉雨、高温等气候条件做好对设备和系统的防护措施。二是有效的备份和维护手段。三是良好的系统工艺设计和系统连接器件的选择，优质的施工质量；

(5)各花车具有同步播放音源、同步控制音量、同步切换通信频道功能

扩声系统与无线同步控制系统的友善对接。实现同一巡游线路上各花车同步播放音源、同步控制音量、同步切换通信频道等功能，保证百米花车团队的协调控制。

12.11.2 巡游花车扩声音响系统设计方案

花车音响系统以重放预存音源为主，同时可以提供语音扩声。插入语音时，正在播放的音乐声音自动降低。

系统由远程无线发射机发出同步操作命令（也可以实现本地手动控制操作），本地接收机收到操作指令后，驱动固体数字音频播放器，并经数字音频处理器提供给功放驱动扬声器。

巡游过程中，插入与游客互动或紧急广播传声器信号时，利用了BSS Z-BLU数字网络音频处理器内置的DUCKER(自动降低乐声)功能,系统可以自动降低正在播放的花车音乐的音量。图12-3为花车音响系统的工作原理框架图。

图12-3 花车音响系统工作原理框架图

花车音响系统的启动、工作状态调整和花车同步控制采用上海亿光数码科技有限公司（简称SEGT）研发的同步控制系统。该系统支持“远程控制”和“本地控制”两种工作方式。

正常情况下各花车音响系统处于远程控制状态，由每一巡游线路上的某个车发出指令，其余车辆收到命令后同步启动音响系统或调整运行参数；一旦远程同步控制系统出现故障，各花车将本地控制面板上的工作模式开关调节至“本地控制”，即可自行操作该面板上的所有按钮命令。

1.系统方案特点

从整体美观性出发，花车上所有扬声器都暗藏布景造型装置结构内（图12-3中的虚线框），每一扬声器安装点位的空间大小取决于对应花车装置的造型。这些不可改动的客观条件限制了扬声器的选型和布局；因此系统设计既要熟悉各种花车的结构，又要考虑花车音响系统的五大特点。花车团队留给确定方案和供货的时间非常短，前后不超过3个月。为了确

保供货周期，必须在尽可能短的时间内确定系统方案。最后确定采用类似于迪斯科舞厅强劲有力的供声方案。该方案的特点是：

1）迪斯科舞厅般强劲有力、节奏感强、整体化音效感染力的音箱；2）花车扬声器受到装置结构及其安全系数的限制，安装高度基本不超过离地2米处，只有极少数的扬声器安装于约3.5米的高度处；

图12-4 1号巡游线路1＃欧洲花车扬声器布置示意图

3）与受声体观众之间的距离近。花车巡游时与左右两旁游客的距离在10米之内。选用迪斯科舞厅常用的系列产品，包括5款全音域和2款超低音扬声器，JBL SRX 700系列高声压级扬声器为选择最适宜花车空间暗装的扬声器提供了保证。用花车音源做现场试验，结果各方对演示效果均表示满意，评价是声音强劲震撼，富有感染力。

根据1＃欧洲花车的车子结构及其装置特征，图12-4是为其制定的扬声器方案。应用两款扬声器组合方案，1#、2＃、3＃和4#是SRX715选用扬声器；5＃和6＃选用扬声器SRX738扬声器。

2. 可靠性设计

在整个世博运行期间，每辆花车都经受住了恶劣环境下的高频率应用，没有一辆出现“失声”的现象，这缘于：

(1)设备选型。系统集成采用JBL SRX700扬声器、CROWN XTI功放、BSS BLU数字网络音频

处理器和TASCAN SS1音源播放器等都是经实践验证为高安全可靠的世界名牌设备，特

别选择了TASCAM抗震避震性能强的音源播放器，实践验证明，TASCAN SS1避免了花车启动、刹车或颠簸对车载音源播放稳定性的影响；

(2)前后级设备之间的配套性能佳。

花车音响系统集成的设备都属于美国HARMAN集团，前后级设备技术性能指标匹配，信号接口特性相符；功放与扬声器之间的功率配比按照1.5：1比例设计，具有适量的功率余量；

(3)系统结构。为保险起见，每条巡游线路的领头车音响系统，从播放器至功放输入端之间的设备和信号传输路径设计成主备结构，一旦主结构出现故障，只要一键按下，备用设备即可无缝切换；图12-5是音晌备分系统的切换原理图。

(4)工艺设计。考虑到音响系统在动态的花车载体上工作，因此对车载上所有音响设备和连接线都进行了专门的加固设计和施工。

图12-5音晌备分系统的切换

最终运行结果标明，所有花车没有出现接插件脱落等不利系统运行的现象。

3. 高效节能措施

音响系统中的最大耗电设备是功放。为降低能耗，提供给花车的是电源转换效率高达90％的美国CROWN I-Tech HD网络数字功放器，大大高于转换效率为50％的传统模拟功放。CROWN I-Tech HD网络数字功放不但体积小、重量轻，降低了对花车的载重和安装空间要求；而且启动时不会产生如传统功放那样的瞬态涌动电流，同样也减少了对电源容量的需求。4. 系统操作简单、直观

花车在行进过程中需调整的是音源的工作状态及系统输出电平，其它参数固定不变。上海亿光数码科技有限公司基于美国哈曼集团产品特性特别开发的同步控制系统，将上述的每一控制指令转化为直观的按钮控制面板。使用人员只需简单培训，就能快速上手，且不会发生差错。

12.11.3 世博花车无线同步控制系统

1. 无线同步控制系统设计方案

无线同步控制采用星型无线网络控制结构，在每辆巡游花车上都安装一套无线同步接收控制设备。通过2个串行通信口分别控制BSS音乐数字处理器和Tascam音乐播放器。这种系统结构和控制方式尽管在编写软件和硬件结构方面有一定的复杂性，但对提高系统的可靠性有显著帮助。系统示意结构图如下：

图12-7 花车无线同步控制系统

无线发射控制主机安装在每条花车巡游线某辆合适的车位上，具有良好的远程控制功能。图12-8是浦东二号线的无线网络控制结构图

随着软件无线控制理论和高速数字信号处理技术的发展,用DSP/FPGA器件实现无线通信的模拟和数字调制解调已经成为无线通信的主流。在世博花车无线通信控制系统采用高斯频移键控GFSK( Gauss frequency Shift Keying)无线通信技术。

2.GFSK通信技术

FSK(frequency Shift Keying) 频移键控调制和GFSK高斯频移键控调制是两种主要数据调制方法。FSK是信息传输中使用较早的一种调制方式，即用不同的频率表示不同的数据符号；GFSK是在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。

图12-8 无线同步控制设备（发射机、接收机、天线）

GFSK调制的特点是频谱较窄、功率谱集中，具有无线通信系统所希望的特性。GFSK调制器与FSK调制器的区别在于，在FSK键控调制中，调制信号(基带信号)直接对载波频率进行频率调制，占用较宽的通信频带；而在GFSK调制中，

调制信号(基带信号)经过高斯滤波器整形后再加到

FSK键控调制器；调制信号变为一种缓变的基带信号，

占用较窄的通信频带。图12-9是FSK与GFSK调制信

号的区别。

图

1

图12-9 FSK与GFSK调制信号的区别

(a) FSK调制信号（b）GFSK调制信号

在FSK调制中，由于调制信号(基带信号)从一个逻辑电平迅速跳变到另一个逻辑电平，调制后的频率也从一个频率突跳到另一个频率，会占用较宽的通信带宽。但是在GFSK调制中，调制信号经高斯滤波器整形后，基带信号的变化速率缓慢了，载波信号频率也随之作缓慢的变化，因此其频谱宽度相对于FSK调制要窄。在相同的通信信道带宽内，GFSK调制可传输更高数据率的基带信号，提高了信道传输效率。

GFSK正交调制的频谱

GFSK调制的数学表达式可以写为

------(12-1)

式中：

m 为调制指数,当m=0.5时就是GMSK正交调制；

αn为输入不归零的双极性数据信号码元；

T 为信号码元信号周期；

h(t)为预调制高斯低通滤波器的冲激响应表达式。

式中：

B为高斯低通滤波器的3dB带宽。

由式(12-1)可见,给定了载波频率和基带信号码元速率后,GFSK的传输特性就由B和m两个参数决定。

图12-10是GFSK 正交调制器中基带信号的处理框图。H(t)为高斯低通滤波器的冲激响应表达式, K=m π/T,φ(t)为GFSK 的正交相位函数,I(t)为基带相位信号的同相输出分量，Q(t)为基带相位信号的正交输出分量。

图12-10 GFSK 调制器的基带信号处理结构框图

GFSK 调制器的基带信号处理需要解决相位积分、

三角函数运算和高斯低通滤波等3个问题。当今，DSP 处理技术已可方便的实现积分运算、三角函数运算和数字滤波运算。 2. 花车无线同步控制设备的硬件结构

无线同步控制设备由无线发射机（远程控制主机）和无线接收机组成，图12-11为无线发射机和无线接收机的外形图。设备外壳采用了德国美卡诺防水机箱，符合IP65的防护等级，该机箱的人性化设计，使得操控、安装、调试极为方便。

无线发射机

无线接收机

图12-11 设备外形图

无线同步控制设备的控制对象为BSS 音频处理器和TASCAM 音频播放器，采用串行通信的方式。BSS 音频处理器的串行通信格式采用16进制码和校验码，每次通信代码长度为26位，波特率为9600波特率；TASCAM 音频播放器采用ASC 码和校验码，每次通信代码长度为7位，波特率为9600波特率。因此，传输26位BSS 通信代码的时间约为27毫秒，传输7位TASCAM 通信代码的时间约为7毫秒，BSS 通信时长超过了系统时延10毫秒的技术指标。为此，线同步控制设备的通信代码重新进行了约定，代码长度为5位，包括一位校验码，总的通信时长约为5毫秒，通信延时小于10毫秒。

无线同步控制设备的无线发射机和接收机的硬件相同，只是软件处理流程不同。图12-12是发射机和接收机的硬件结构图。

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图12-12 发射机和接收机硬件结构图

4. 花车无线同步控制软件

(1) 无线数字通信系统的信号处理流程

图12-13 发射机信号处理流程图

三条花车巡游线路采用了不同的通信频带，为了确保无线通信的可靠性，花车无线同步控制应用了数据突发、重发技术和动态频率跳变技术，即可以在设计的频段内实现一点对多点的自适应同步控制，该自适应同步控制无线通信系统需要一套约定的通信信号处理流程，信号处理流程使系统可有效防止通信系统的信号干扰。

通信信号处理流程根据丢包数量来判断信道是否可用。使用合理的频率跳变规律，让跳频后的数据通信频道跳到干扰源频带之外，并采用数据自动重发方式避免数据传送失败。

通信处理流程分成发射机和接收机两个流程。发射机根据接收机收到的每个数据包能否正确解调来确认信号质量，判断是否有干扰源，然后向接收机发送约定的信道切换命令。 (2) 发射机的信号处理流程

图12-14是发射机的信号处理流程图。发射机处于花车巡游线路中的某个工作点，根据不同的外部通信环境进行自动检测和判别系统运行状态。发射机可在不同的工作点执行切换频道，数据重发、发送数据等信号处理，进行可靠的数据通信。 (3)接收机处理流程

接收机的工作流程跟发射机的工作流程不同。接收机大部分时间处在等待接收工作状态，接收机收到数据包后，机内的DSP 处理器进行数据解调处理。如果在约定时间内收不到发射机发来的确认数据包，则自动执行约定通信频道的切换处理。图12-14是接收机的处理图。

图12-14 接收机处理流程图

5.无线同步控制设备的面板设置

无线同步控制设备的面板按键采用了嵌入式按键，为防止误操作，按键用不同颜色环代表按键的不同功能。 按下“行进播放”键，花车将循环播放行进时的舞蹈音乐；按下“定点播放”键，花车将循环播放停车时的舞蹈音乐。面板上的“播放停止”按键和“急停”按键的功能是不

图12-15 同步控制设备的面板设置

同的。“播放停止”是指音乐结束后，不再播放音乐；“急停”是指立即停止音乐播放，再次播放音乐时，重新从音乐开始处播放。

花车每次出发前，通过 “本地控制”选择开关，对花车的音响功能进行测试，测试通过后，将选择开关拨至“远程控制”。

浦东1号线和浦西1号线每天巡演2场，浦东2号线每天巡演1场，车载音响系统经受了世博会期间的高温、高湿和雨淋等恶劣气候条件和长时间、高密度运行的考验，圆满地完成了各种演出任务，给各国游人留下了深刻的印象。