基于心理聲學(xué)低頻擴(kuò)展的SOUND BAR音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周文輝，彭 芳

（電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402）

隨著平板電視設(shè)計(jì)的日趨纖薄，機(jī)箱容積和揚(yáng)聲器口徑受到了一定的限制，電視機(jī)音頻聽覺效果不理想等問題顯得愈發(fā)突出。事實(shí)上，平板電視機(jī)對(duì)音頻信號(hào)的頻率響應(yīng)和動(dòng)態(tài)范圍的要求比傳統(tǒng)模擬制式的CRT電視機(jī)要求更高，但平板電視音響系統(tǒng)較窄的頻響使得低頻信號(hào)，特別是一些包含豐富情感因素的內(nèi)容觀眾無法聽到；較小的動(dòng)態(tài)范圍意味著無法在嘈雜的背景聲中聽到安靜的對(duì)話，甚至出現(xiàn)對(duì)話聲忽大忽小[1]。SOUND BAR音響系統(tǒng)的出現(xiàn)，克服了平板電視音響的缺陷，填補(bǔ)了DTV和AV環(huán)繞聲家庭影院系統(tǒng)之間的空白。它是一種纖巧時(shí)尚的多功能有源音箱，連接放置在平板電視下方，可顯著改善觀眾音響體驗(yàn)，而且沒有家庭影院系統(tǒng)涉及的安裝環(huán)繞聲箱、布線等復(fù)雜問題，因此受到用戶的廣泛歡迎。但目前市售的SOUND BAR產(chǎn)品還存在如下問題：1）音效處理方式簡單，低音飽滿度不高；2）功能簡單，難以滿足用戶多方面的需求；3）外置音響系統(tǒng)的控制沒有與其它家電集成，致使遙控器的數(shù)目越來越多。因此，研發(fā)功能完善、操作簡便、音質(zhì)完美的SOUND BAR音響系統(tǒng)，將具有廣闊的市場空間。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目研發(fā)的SOUND BAR音響系統(tǒng)，由一個(gè)主控MCU控制各功能模塊，包括DSP音效處理、功率放大、MPEG解碼、網(wǎng)絡(luò)高清播放、無線音頻收發(fā)、APPLE DOCK播放接口、觸摸按鍵處理、遙控處理、電源管理等9個(gè)模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的開發(fā)速度和可靠性；采用集散式控制理論，電源、解碼系統(tǒng)和功放分隔排布，弱信號(hào)與強(qiáng)信號(hào)相互隔離，顯著提高了信噪比、分離度，減小失真，改善了頻響特性。系統(tǒng)各模塊功能主要有：

1）Main MCU：作為系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)的各子模塊，實(shí)現(xiàn)與數(shù)字音頻DSP的信息交互，根據(jù)用戶操作及輸入信號(hào)確定各模塊的工作。

2）網(wǎng)絡(luò)高清播放：通過有線或無線方式與 Internet鏈接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高清視頻的全格式解碼及全高清播放；開發(fā)在線點(diǎn)播平臺(tái)和電視直播平臺(tái)，通過電視遙控器操作，完成影視點(diǎn)播。

3）MPEG Module：完成音視頻MPEG解碼處理，支持播放碟片、USB 中的 DVD、VCD、WMA、MP3等內(nèi)容，除 AV、光纖、銅軸、AUX等音視頻接口外，還可選擇CVBS或HDMI高清接口輸出。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

4）APPLE DOCK：蘋果通用基座模塊，實(shí)現(xiàn)音響系統(tǒng)與iphone、ipod等APPLE產(chǎn)品的即插即用連接。

5）DSP AUDIO PROCESS：配置音頻專用DSP內(nèi)核的數(shù)字信號(hào)處理器，運(yùn)用MaxxAudio系列音頻處理技術(shù)，改善音質(zhì)、音色。

6）AMP：采用D類數(shù)字音頻功率放大器，將輸入的模擬音頻信號(hào)變換成PWM信號(hào)控制大功率開關(guān)器件通、斷的音頻功率放大器。放大器由輸入信號(hào)處理電路、開關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開關(guān)電路和低通濾波器等四部分組成。

7）2.4 G無線音頻傳輸模塊：基于RF的通信解決方案，采用無線音頻發(fā)射、接收模塊實(shí)現(xiàn)音響主機(jī)與音箱之間的高保真無線音頻傳輸與控制。

8）Touch Key Pad：觸摸按鍵的處理模塊。

9）IR：遙控處理模塊。

10）POWER MANAGER：電源管理模塊。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 DSP音效處理模塊的設(shè)計(jì)

音效處理模塊采用Waves Audio公司的MX5000 DSP，可 預(yù) 處 理 MaxxBass、MaxxVolume、MaxxtTreble、MaxxEQ 與MaxxStereo 5項(xiàng)算法。音效處理以MaxxBass為核心，利用“基頻丟失”現(xiàn)象產(chǎn)生低音感覺，但實(shí)際上揚(yáng)聲器重放的并不是低音頻域真正產(chǎn)生的基波分量，而是通過MaxxBass算法將揚(yáng)聲器諧振頻率以下不能再現(xiàn)的低頻信號(hào)分離出來，生成低頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的一系列高頻次諧波，由揚(yáng)聲器重放出這些高頻次諧波，從心理聲學(xué)上讓聽眾感知到對(duì)應(yīng)的基頻低音效果。DSP音效處理模塊設(shè)計(jì)了有源高通濾波電路，高低頻信號(hào)采用分別處理的方式，高頻信號(hào)通過有源高通濾波電路分離，低頻信號(hào)則通過DSP進(jìn)行MaxxBass處理，最后高低頻信號(hào)通過運(yùn)算電路疊加[2]，如圖2所示。這樣的處理方式有效提高了系統(tǒng)的分離度和信噪比。

圖2 高低頻信號(hào)分離處理原理圖Fig.2 Schematic diagram of high-low frequency signal separation processing

音效處理除MaxxBass外，還同時(shí)運(yùn)用了MaxxVolume技術(shù)用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，將RMS值增加12 dB以上，用于補(bǔ)償節(jié)目與商業(yè)廣告的不同頻道間所產(chǎn)生的差異；利用MaxxtTreble增強(qiáng)高頻響應(yīng)，將音樂變得更輕快干凈；利用MaxxEQ用于全頻均衡，調(diào)節(jié)頻率、增益及Q參數(shù)；利用MaxxStereo用于廣闊的立體聲音效成型，改善了立體聲在近距離置放揚(yáng)聲器情況下的分離效果，虛擬出環(huán)繞效果。

2.2 D類功率放大器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用兩片ST公司的TDA7498 D類功放芯片，一片用于左右聲道，一片用于低音。三角波發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)三角波提供給功放芯片，芯片將該三角波與模擬音頻信號(hào)進(jìn)行比較，生成PWM調(diào)制信號(hào)。將PWM信號(hào)送至芯片內(nèi)部的功放模塊進(jìn)行功率放大，得到的放大信號(hào)輸出到外部的低通濾波電路，濾波電路采用了截止頻率為30 kHz的LC濾波回路，將輸出信號(hào)的高頻噪聲濾除，濾除后的功率放大信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器輸出[3]。

由于D類功放和開關(guān)電源等高速開關(guān)元器件的引入，功放設(shè)計(jì)須考慮電磁兼容（EMC）等問題。功放的三角波發(fā)生器晶振輻射的信號(hào)容易耦合到電源端的線路濾波器中，出現(xiàn)注入電源騷擾電壓測試超出限定值等，因此，需要綜合考慮PCB板布線及線路濾波器的設(shè)計(jì)，才能有效解決相關(guān)問題[4]。此外，由于系統(tǒng)具有FM和AM調(diào)諧收音的功能，而D類功放工作時(shí)會(huì)對(duì)調(diào)諧器產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致調(diào)諧器信噪比下降。因此設(shè)計(jì)功放芯片的三角波比較信號(hào)發(fā)生電路可以產(chǎn)生300 kHz和350 kHz兩種標(biāo)準(zhǔn)三角波信號(hào)。當(dāng)三角波產(chǎn)生的諧波有可能影響到AM波段信號(hào)的接收時(shí)，可切換到另一頻率的三角波，則可減少甚至消除D類功放工作時(shí)對(duì)調(diào)諧器的影響。

2.3 網(wǎng)絡(luò)高清音視頻播放模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)高清播放模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，以Realtek公司的RTD 1055SoC芯片為核心，包括輸入處理、內(nèi)置硬盤、無線網(wǎng)卡、10/100 M 以太網(wǎng)、USB、DRAM、Flash、音視頻輸出等[5]。 輸入處理模塊負(fù)責(zé)與主控MCU交換信息，實(shí)現(xiàn)按鍵與遙控輸入信號(hào)的處理；以太網(wǎng)模塊采用Realtek RTL8201CP芯片提供的10/100 M自適應(yīng)連接；USB模塊提供2個(gè)USB2.0端口；Flash用于存儲(chǔ)系統(tǒng)固件；音視頻輸出模塊提供復(fù)合視頻輸出、分量色差端子、HDMI 1.3、雙聲道立體音等輸出；面板顯示采用7位VFD（真空熒光顯示屏），驅(qū)動(dòng)芯片采用譜誠PT6311-LQ，提供播放/暫停、停止、上個(gè)節(jié)目、下個(gè)節(jié)目等功能按鍵；HDD為IDE內(nèi)置硬盤用于存放高清節(jié)目文件或音頻、圖片文件及部分系統(tǒng)應(yīng)用程序。

圖3 網(wǎng)絡(luò)高清播放模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of network HD broadcast module

2.4 無線音頻傳輸模塊設(shè)計(jì)

為營造更好的低音效果，低音部分使用專門低音炮實(shí)現(xiàn)。低音炮與主機(jī)的連接采用2.4 GHz ISM頻帶傳輸無線音頻信號(hào)，最高傳輸速率2 Mbps，可滿足傳輸CD級(jí)別信號(hào)需要的理論帶寬1.411 2 Mbps，同時(shí)有125個(gè)頻道滿足多點(diǎn)通訊和跳頻通訊需求?；跓o線的高保真音頻系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成[6]：數(shù)字音頻發(fā)射機(jī)和數(shù)字音頻接收機(jī)，如圖4所示。在主機(jī)中設(shè)計(jì)2.4 GHz無線發(fā)送模塊，音頻信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入基帶處理，接著送入調(diào)制器進(jìn)行載波調(diào)制，再送入RF發(fā)射機(jī)經(jīng)天線發(fā)送；音箱上則設(shè)計(jì)有無線接收模塊，接收到的RF信號(hào)經(jīng)過放大濾波、調(diào)解器的解調(diào)恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換還原回音頻信號(hào)。RF芯片采用MAXIM公司的MAX283I，提供包括 RF功率放大器（PA）、RF至基帶接收通路、基帶至RF發(fā)射通路、VCO、頻率合成器、晶體振蕩器、以及基帶/控制接口。BASEBAND基帶處理器采用STS公司的DARR80，用來合成即將發(fā)射的基帶信號(hào)，或?qū)邮盏降幕鶐盘?hào)進(jìn)行解碼，提供8通道低延時(shí)，無壓縮的16 bit，44.1 ksps或者48 ksps的數(shù)字音頻。

圖4 無線發(fā)射模塊、接收模塊設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Design diagram of wireless transmitting and receiving module

2.5 CEC功能模塊設(shè)計(jì)

CEC（消費(fèi)電子控制）是一種單線雙向的接口，通過遙控器或任何接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備上的控制按鈕，即可控制HDMI網(wǎng)絡(luò)中任意設(shè)備[7]。傳統(tǒng)CEC集控，通過一根信號(hào)傳輸線連接所有具有HDMI接口的設(shè)備，每個(gè)接口配置有CEC專用驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)CEC信息的編解碼和路由功能。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片的I2C通信時(shí)有掉幀現(xiàn)象，不同廠商還存在兼容問題。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CEC功能模塊，去除了傳統(tǒng)的CEC驅(qū)動(dòng)芯片，直接利用主控MCU開發(fā)底層軟件來實(shí)現(xiàn)CEC信息的處理，具體包括基本的通訊操作、位時(shí)序；處理傳輸錯(cuò)誤，并安排錯(cuò)誤幀的重新傳輸；媒體訪問控制層（MAC）功能；動(dòng)作指令的解釋；邏輯地址的生成等各項(xiàng)功能。這樣不僅降低了成本，而且使CEC信息的傳輸更加順暢，提高了系統(tǒng)的兼容性和可靠性。另外，傳統(tǒng)HDMI接口設(shè)備上電以后都要分配CEC地址，系統(tǒng)在HDMI接口增加一片E2PROM芯片，使得具有該接口的設(shè)備在不插電的情況下，也能保存設(shè)備的CEC地址信息，開機(jī)重啟后不需要再重新分配地址，提高了CEC模塊的響應(yīng)速度。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主控流程

系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，采用C語言編寫用戶程序，通過主程序?qū)ψ映绦虻恼{(diào)用實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。主控軟件流程如圖5所示。

圖5 主控軟件程序流程圖Fig.5 Flow chart of master control software

3.2 心理聲學(xué)低頻擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)

為重放低于揚(yáng)聲器諧振頻率（fS）的低頻信號(hào)[8]，MaxxBass把音頻信號(hào)分為兩部分：一部分高于fS，另一部分低于fS。對(duì)于低于fS部分的信號(hào)進(jìn)入MaxxBass處理器處理，運(yùn)用心理聲學(xué)原理精確計(jì)算出與低頻信號(hào)相關(guān)的高次諧波分量，并疊加在高于fS部分的音頻信號(hào)上一起輸出，補(bǔ)償聽覺上的低頻衰減。這樣既不會(huì)改變音樂頻率的平衡，還突破原有物理聲學(xué)條件的限制，拓寬了低頻響應(yīng)。算法實(shí)現(xiàn)的原理如圖6所示[9]，乘法回路生成無限階次的諧波信號(hào)，并利用衰減增益g消除高次諧波的影響。高通濾波器OUT-HPF和FB-HPF用來減小直流干擾和降低系統(tǒng)的互調(diào)畸變。OUT-HPF采用4階橢圓高通濾波器，截止頻率f2=150 Hz，F(xiàn)B-HPF采用2階巴特沃思高通濾波器，截止頻率f1=40 Hz。Upwards Compressor Logic模塊通過生成控制信號(hào)C（n）實(shí)現(xiàn)諧波幅度控制，以保證響度對(duì)聲壓級(jí)在各次諧波處的動(dòng)態(tài)平衡。系統(tǒng)輸入為[f1，f2]范圍內(nèi)的基頻信號(hào)，輸出為虛擬低音信號(hào)。將輸出信號(hào)與原信號(hào)頻率在f2以上的高頻成分疊加即可得到虛擬低音增強(qiáng)信號(hào)。

圖6 MaxxBass算法原理圖Fig.6 MaxxBass algorithm diagram

3.3 網(wǎng)絡(luò)高清音視頻播放實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)搭建Linux平臺(tái)并移植，在Linux中開發(fā)底層驅(qū)動(dòng)程序和用戶接口。其軟件總體結(jié)構(gòu)包括用戶界面模塊、傳輸控制模塊、緩沖區(qū)管理模塊、解碼播放模塊。視頻點(diǎn)播終端基于TCP的傳輸控制，為了保證長時(shí)間連續(xù)流暢的播放，應(yīng)使緩沖區(qū)始終處于半充滿狀態(tài)，這樣播放器就能將從流媒體服務(wù)器上獲得的音視頻數(shù)據(jù)源源不斷的解碼播放。

Linux系統(tǒng)包括Bootloader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)3部分。主板上電后由Bootloader程序初始化硬件，引導(dǎo)內(nèi)核和文件系統(tǒng)來啟動(dòng)Linux。Rtd 1055中使用Rtd1055_boot_loader_2.8.0.1.tar.bz2，并對(duì)zboot和yamon編譯后形成完整的bootloader。其中zboot用于引導(dǎo)系統(tǒng)，yamon做linux啟動(dòng)前的設(shè)置監(jiān)視工具。使用Rtd 105x_rootfs_2.8.0.1.tar.bz2，編譯rootfs形成根文件系統(tǒng)。使用linux-2.6.15.tar.gz，通過對(duì)zbimage-linux-xrpc，kernel-source-2.6.15等的編譯形成其內(nèi)核。此外，為了便于網(wǎng)絡(luò)共享文件的播放，系統(tǒng)還增加了UpnpAV6（Universal Plug and Play， 通用即插即用協(xié)議）、ftp、Samba、NFS 及 BitTorrent等應(yīng)用軟件。啟動(dòng)UpnpAV后，系統(tǒng)能偵測到局域網(wǎng)上所有支持UpnpAV協(xié)議的媒體服務(wù)器，用戶可以播放這些服務(wù)器中的多媒體文件。

3.4 高保真無線音頻傳輸實(shí)現(xiàn)

采用2.4 G無線通信實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的傳輸，最重要的是減小干擾和誤碼，保證音頻信號(hào)的高保真。為更好地建立通信信道，在發(fā)射端設(shè)有接收通道，目的在于通過不斷搜索空中信道得到最好的可用通信信道，以便系統(tǒng)確定最佳的跳頻圖案。采用2.4 G技術(shù)的產(chǎn)品接收端和發(fā)送端在生產(chǎn)時(shí)便內(nèi)置配對(duì)ID碼，形成一對(duì)一模式，采用自適應(yīng)跳頻算法，避開臨近頻率干擾，解決了與2.4 GHz ISM頻段其他設(shè)備的共存性。為了減小誤碼，系統(tǒng)制定了一套快速容錯(cuò)糾錯(cuò)算法和錯(cuò)包重發(fā)機(jī)制，有效保證了音頻信號(hào)的高保真?zhèn)鬏?。無線音頻播放建立流程圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

目前，項(xiàng)目研發(fā)的SOUND BAR音響系列產(chǎn)品已成功投放國內(nèi)外市場，其帶來如家庭影院般的完美音質(zhì)，深受用戶歡迎。系統(tǒng)采用心理聲學(xué)低音擴(kuò)展技術(shù)，配合大動(dòng)態(tài)范圍補(bǔ)償，突破了傳統(tǒng)音響系統(tǒng)中，低頻受成本、體積、功率限制的瓶頸，使用小口徑揚(yáng)聲器即可營造出雄厚的低音效果。系統(tǒng)頻率響應(yīng)下限低至30 Hz，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)110 dB，分離度大于40 dB，失真度小于 0.7%?？刹シ?DVD、CD、MP3、MPEG4 等多種文件；可通過Internet鏈接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高清視頻的全格式解碼及播放；同時(shí)集成了HDMI的CEC功能，實(shí)現(xiàn)所有家庭影音設(shè)備的統(tǒng)一控制。項(xiàng)目已攻克的關(guān)鍵技術(shù)可作為開放式技術(shù)平臺(tái)應(yīng)用于系列音響產(chǎn)品的研發(fā)，能大大提高產(chǎn)品研發(fā)效率和可靠性，顯著提升產(chǎn)品市場競爭力。

圖7 無線音頻建立連接流程圖Fig.7 Flow chart of wireless audio connection

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