用智能放大器模块实现家庭影院音效的设置和优化

随着先进的音视频技术的发展，人们对家庭影院的音效体验提出了越来越高的要求，传统的家庭影院的设置和优化容易出错，且不能满足音效最优化。本文分析了在家庭影院中存在的这些问题及挑战，并介绍了采用D2Audio智能放大器模块实现设置、分析和优化的方法。

从首部"有声电影"诞生之日起，电影制片商一直在努力提高电影的声音效果。不仅影院在不断追求最佳音响效果，消费电子市场也开始尝试在家庭中再造这种影院音响体验。由于新技术要求在数据存储媒介上记录额外的声道数据，人们开发出各种方法来压缩这些音频内容，以节省存储空间。

在起居室中再造这种新型音响体验的主要设备包括：DVD播放机、多声道音视频接收机、或多声道预放与多声道功放组合、以及各种具有影院效果的高性价比音箱等，这种影院效果还包括采用更大的视频监视器。今天的家庭影院集中了超亮DLP、LCD或D-ILA前投、DLP、LCoS 或LCD背投电视或PDP及LCD平板电视。这些产品组成了一种新的家庭娱乐产业，并称为"家庭影院"。

提供这种新型娱乐体验的最初产品极为昂贵，但目前厂家已经开发出价格适中的套装产品，并开始出现在每一个家庭的起居室、家庭活动室、游戏室、视听室。很明显，娱乐体验在很大程度上取决于这些产品的质量、以及合理地再现当初创作娱乐内容的影院环境的能力。

对于大多数消费者来说，建立这样一种包含这么多声道、这么多扬声器及不同音频记录格式的复杂系统，远超出其自身的理解力。因此，有必要建立一种基于家庭环境的新型音响体验系统。

建立高质量影院系统存在的问题

要了解如何获得最佳的音响体验，首先要了解最初录音时的意图。此过程包括创造出伴有视频呈现的适当多维声场和为混合多声道音频以在有限的声场中定位目标、对象及声音两个部分。首先是创造出伴有视频呈现的适当多维声场：尽管图像位于影院的前方，录音师必须创造出电影中的动作是发生在整个多维空间的错觉，这些动作很多并不在屏幕显示范围内，例如在观众看到飞机出现在屏幕顶部以前即在其身后出现飞机的声音。这种技术已经成熟，目标、对象及声音均能被精确地定位于多维声场内。在摄影棚里的所有扬声器都与频率、响度及相位响应精确匹配。录音师位于房间中央，且与每一扬声器的距离均为可控。扬声器的布置也受到严格控制，以与剧场中的现场特征相匹配。每一扬声器位置的改变都会引起声压或响度的改变，并改变声音抵达录音师位置所需的时间，及时的微调可改善决定声音位置的听觉失真。


在影院环境中，可采用大量扬声器来优化音响效果，每一个扬声器都经过最佳定位并专用于某一特定声道。这种环境类似于下面介绍的环境，而这种采用众多声道及扬声器的方法，既提供更大的剧场空间，同时又不牺牲多维音响体验。

正如您将从此示例中看到的，该环境被设计及规定用来提供最佳的音响体验，而这在受空间及成本局限的起居室实现中并不多见。此外，还必须将音视频内容压缩到整个存储空间中，以便能更方便及更加经济高效地为消费者提供这些内容。音视频内容压缩采用有损(非熵保留)及基于变换的压缩算法。因此，新的家庭影院设备不仅需要提供高带宽视频及多声道音频，而且还需要拥有额外的解压缩能力来复原被压缩的视频及多声道音频信号。

录音过程的第二部分即为混合多声道音频以在有限的声场中定位目标、对象及声音。如想要将音频混合成能与家庭影院环境相兼容，则需将其混合成双声道(立体声)、6声道(5.1多声道)或8声道(7.1多声道)，并采用有损压缩方案来压缩。Dolby Digital、DTS及其它行业标准所定义的多种压缩技术增加了音频设备的复杂度以及设置选项。

下面介绍一种典型的家庭影院环境，该环境拥有可在解压缩及放大至适当音量后再现多声道音响效果的典型扬声器配置。在此特定情况下，解压缩技术采用可提供8个声道音频内容(7个声道全带宽音频和承载超低频的第八声道)的Dolby Digital EX。为保持针对影院创造的摄影棚的设置，相对于视频内容将声道提前或滞后，以确保声音抵达听众位置后能与银幕上的画面同步。须注意的是，相对于公共影院而言，家庭影院环境中的扬声器数量要少得多。如果想要保持多维摄影棚的音效，则这种局限将使扬声器的布置变得极为关键。

大多数家庭影院的主要问题仍然是视听室本身，尽管越来越多的家庭拥有为家庭影院设计的专用视听室，但家庭视听室的面积远小于500个座位的影院，因此不可能有精确的扬声器布置。图2显示一种典型的影院及8声道(7.1)音响环境扬声器布置。为将其与原始影院录音环境联系起来，有必要了解如何将公共电影院中的众多扬声器"映射"到家庭影院环境中(如图3所示)。

家庭影院的设置与优化

在家庭视听室条件下创造出完美的视听环境，其过程可分成以下两步：

1. 设置或配置；

2. 声音优化。



这些多声道系统的复杂性使得难以保证每一步都能正确完成，很容易犯可能严重影响视听环境的简单错误。设置任务包括：

1. 扬声器连接－扬声器是否已与放大器物理连接？

2. 扬声器位置－扬声器是否被放置在正确的空间位置上？

3. 扬声器相位(或极性)－扬声器连接线是否正确连接？

4. 扬声器规格－扬声器规格是大还是小？是否能重现低音频？

5. 扬声器音量(音量－SPL)－每个扬声器的音量设置是否正确？

如果这些工作都由消费者自己来完成，则出现错误的概率很大。即使每一位用户都能仔细阅读用户手册，但这些任务的正确实施步骤在用户手册中也很少能十分清楚地解释。
设置任务完成后，即可执行声音优化任务。这可能需要用昂贵的设备进行长达数小时的单调工作才能完成，如果没有专用及特殊设计的环境，用于家庭影院的房间很少能拥有摄影棚的真正形状，且采用的空间结构可能不允许进行最佳的前置及环绕扬声器布置。将重低音扬声器放在墙角或紧贴墙壁放置，可导致其发出的低频声音增强至令人讨厌及不舒服的程度。视听室的大小及形状常常会在低频上导致共振驻波，并因此而导致低频声音不是被消弱就是被增强。这些共振的位置或地点随频率及视听室的大小及形状而改变。我们的目标是保证在主要收听位置或"最佳点"上能听到原始摄影棚的最佳重现，并使该"最佳点"尽可能地大。此外，每个扬声器及其频响也会影响最终的音响效果。

优化任务包括：
1. 产生共振及扬声器异常时的收听面积分析；

2. 扬声器均衡；

3. 室内模式及共振校正。

为帮助校正上述所有不理想条件，家庭影院设备厂商已开始为消费者提供一组内置校正工具。

设置、分析及优化模式



正如示例所示，D2Audio智能放大器模块可提供以下校正能力，该模块是这些新型家庭影院放大器系统中的主要组件。以下为这种智能放大器模块的相关功能，它们与上述问题及配置任务有关：

1. "设置或配置"模式

根据由"扬声器检测"算法所检测到的扬声器，作出以下关于系统配置的假设：

已检测 配置

立体声(左、右)

左/右、重低音 2.x

左/右/中、重低音 3.x

左/右/中/左环绕/右环绕、重低音 5.x

左/右/中/左环绕/右环绕/后置、重低音 6.x

左/右/中/左环绕/右环绕/左后环绕/右后环绕、重低音 7.x

其中"x"为系统连接的重低音扬声器数。此算法的结果将用来指导该算法的其余部分，因此首先完成。

在"设置或配置"模式下，该算法其余部分的执行顺序可任意安排，因为这些算法的结果全都独立。

"扬声器位置"将相对于收听者的位置确定。此位置信息将用来计算必要的延迟，以将扬声器"虚拟放置"于相对其实际物理位置的最佳收听位置上。如图5中的"扬声器位置"校正举例所示，如果将扬声器实际放置在靠右边的位置上，则"扬声器位置"算法将通过增加延时来"虚拟地"将扬声器放置在"右边"位置上，以适应距离d与距离d'之间的差。

采用一种技术来确定连接在每一输出通道上的扬声器规格，这将能确定每一扬声器的适当频响，及重低音扬声器与其周边扬声器之间的适当功率分配。优化扬声器规格有助于优化所需的系统整体功率以及放大器功耗。此步骤还有助于确定将在其中测试"室内模式"均衡的频率范围。

在设置任何音视频系统时最容易出错的是将扬声器接线柱上的连线接反，这种错误通常是将放大器输出的正(+)端与扬声器的负(-)端连接、同时将放大器输出的负(-)端与扬声器的正(+)端连接。连接扬声器时的"异相"所导致的结果是，系统音响将由于收听位置上的某些特定声音频率(尤其是低音频)被"消弱"而导致效果不佳。"扬声器相位"算法可检查扬声器连接是否正确，并对任何不正确连线发出告警。

所有扬声器都在适当收听音量上经过单独测试，并与决定每一扬声器相对"音量"的预定SPL比进行比较。此SPL比率与上面确定的扬声器规格有关，且可由消费者来自行设定。



2. 分析模式

完成"设置或配置"模式后，即可执行"分析"模式。如果系统解决方案中的"扬声器均衡"不理想，则可能需要在执行多声道音响系统"分析"模式以前运行这些算法。请注意，如果不使用频响相当平坦的麦克风，则需要为算法提供麦克风频响以进行麦克风补偿及室内特征化。

分析带有低音扬声器的系统时，算法必须能驱动系统所连接的超重低音扬声器。这很必要，以便达到所需的宽频响指标、并对带有低音扬声器的系统进行适当的调整，否则处理算法将不能对"驻波"进行最佳修正。
"分析"模式分成以下三个步骤：

1. 将参考麦克风放在第一位收听者的位置上；

2. 启用"分析"模式。启用后，放大器模块将产生适当的音频信号，并通过在频率范围"箱(bin)"中捕获麦克风音频来进行相应的测量。从麦克风上捕获适当的数据量后，计算任务会通知消费者：位置1处的数据收集已完成。然后由处理器将所收集的数据存储在预定号码的"箱"中，再根据"箱"号及收听者位置来进行加权。

3. 接着再将参考麦克风移至下一个听者位置，重复步骤2。重复此过程测量数个收听位置，再对每一位置上的测量值进行检查，并用前面所积累的样本来进行加权及平均。

4. 优化模式

完成分析模式后，处理器将对所采集的数据进行关联处理，并确定内部均衡器的频率位置、带宽及衰减量，以对被测室内特征进行修正。任何扬声器或麦克风补偿都必须包含在以上校正的计算中。D2Audio公司的校正技术带给您一种可自动测量及精确优化环绕立体声参数、以提供最佳收听体验的方便易用技术。

由于 "经过优化"的收听环境是一种极为主观及定性的结果，故每一位"收听者"都需要评价这些技术的实用效能。对于实施这种自动校正技术的效果有多好、以及其自动化程度有多高存在多种不同的看法。很明显，上述D2Audio技术肯定能为消费者提供必要的工具来创造这种收听体验，且它们在实施过程中消费者的操作更简便。

发布者：吕勇