让声霸尽展风采的芯片技术

vipjph

让声霸尽展风采的芯片技术

作者：Claus Neesgaard 与 Vineet Ganju                                 登录/注册后可看大图 新一代声霸更先进、更经济 为广大消费者带来音质出众的家庭影院音箱，开发低成本的声霸及扬声器 要实现极富吸引力的家庭影院产品线，高质量音频至关重要。借助于 6 声道及 8 声道环绕立体声系统，消费者期望无论在客厅还是卧室，都能从电视，甚至立体声便携式媒体播放器中享受到影院级别的音效。 任何一个扬声器在特定房间中的位置分布都会显著影响系统的音质，所以建立家庭影院系统从来都不是一件容易的事情，而在使用高端设备的情况下尤为如此。即便消费者购买的是相对简单的“家庭影院音箱 (HiTB)”系统，仍然需要正确安装、连接及配置多个扬声器，才能真正实现最佳环绕音效。 在很多情况下，配置家庭音响系统对消费者来说太过复杂，需要技能娴熟的技术人员才能完成。扬声器的摆位和定向必须正确，扬声器线缆需要在墙内或地毯下进行布线，而且设备需要进行精心配置才能适应房间的不规则性，比如家具、窗帘、不标准的扬声器摆放和收听位置。在多数家庭中，环绕音效不理想的主要原因其实很简单，就是安装不当。 声霸 (Soundbar) 与扬声器 (sound projector) 代表着家庭影院音频系统的最高水平，能实现身临其境的环绕立体声，同时可避免安装多个喇叭而造成的诸多问题。“声霸”得名于其精致紧凑型棒状外形，低端产品售价不足200美元，高端产品则超过 1,000 美元。其宽度大致与平板显示器相仿，高度一般仅几英寸，正好可直接将其置于监控器下方。 这类精致紧凑型系统真正实现了在单个设备中高度集成包括A/V 接收机、扬声器乃至 DVD 播放器在内的整套家庭影院。这种设计能大幅简化安装工作，只需将电源接通，用一根信号线缆与电视相连即可。此外，在预先知道系统所用扬声器特性的情况下，与HTiB 类似，开发人员可对每个特定的扬声器进行预处理配置，从而不仅能够实现更理想的音效，还能显著降低系统成本。声霸与HTiB 相比还有一项独特的优势，即在知道扬声器驱动器相对位置的情况下，可以额外增加控制级别以实现更优异的整体环绕音效。 这些技术进步需要克服的唯一困难是不断提高的系统复杂程度，因为设计人员不停地进行组件集成，并对它们之间的搭配进行优化。但是，如果能利用高度集成的片上系统 (SoC) 音频处理器技术及设计工具来避免算法开发与部署，设计人员不仅可显著简化设备开发过程，同时还能在特定的价格点提供最高质量的音频。 虚拟化的力量 声霸与扬声器的最大优势是避免了安装多个喇叭的麻烦。尽管将所有喇叭都摆在了听众的面前，但采用先进的信号处理算法并运用虚拟化技术，仍可模拟出多个扬声器摆放在房间各个方位的音场，从而带来身临其境的感觉。最终结果是以单个扬声器箱实现了摆位良好的多声道扬声器系统才能达到的音效。在较高端系统中，使用先进的房间校正技术与均衡算法，能进一步扩大最佳听音位的范围（最佳听音位置），并补偿非理想的房间声学特性，从而带来更精彩的聆听体验。 虽然仍然需要一定的配置工作，但这一过程基本无需消费者参与。对于某些系统，配置工作的内容是在系统启动之前手工选择一般性的房间形状和大小。而其它采用更先进房间校正技术的系统则仅需要消费者在房间内接近理想收听位置的地方放置一个麦克风，进行简单的一次性设置就完成了。此后系统将自动进行配置。 虚拟化并非新技术，其问世已经超过 15 年之久了。过去，声霸需要多个数字信号处理器 (DSP) 才能执行解码、均衡、虚拟化以及其他音效功能。由于 DSP 技术的最新进展，我们可以通过单芯片来实施高质量的虚拟化，从而使声霸及扬声器的价格更为低廉。与通用的 DSP 不同，这些器件是为音频应用而精心优化的高效率音频 SoC 解决方案，集成了进一步降低成本所需的大量关键性模拟与数字组件。此外，虽然过去采用 DSP 进行设计必须具备编程知识或专业经验，但随着近年来先进软件开发工具的不断发展，对编程知识或专业经验的要求越来越低，甚至在某些情况下完全不需要。 产品差异化 除了传统的输入与输出支持数量，企业可通过多种途径实现声霸与扬声器产品的差异化。鉴于较低端声霸通常侧重于最小化成本，因而这些产品包含二到六个固定扬声器驱动器、虚拟化和扬声器均衡电路，能够提供各种可选择的音频效果。流行的音效选择包括可改善声音圆润度及深厚度的重低音效果；“深夜聆听模式”，以改善小音量下的清晰度。同样，新一代“智能音量控制”算法正在兴起。其主要目的是对电影、新闻以及广告节目的音量变化进行编程，从而增强听音体验。例如，在传统情况下，观看者/听音者“被迫”根据不同的节目不断上下调节音量，才能达到合适的声音水平。此外，声霸还支持纯音乐特性，如增强 MP3 回放。这项功能可以扩展压缩度极高的音频流的频率范围，使在高质量扬声器上的回放音效更接近原始 CD。 此外，高端扬声器能支持多达 40 个扬声器驱动器以及更加多样化的音效，如全自动配置和高级房间校正，从而适应某个房间独特的声学特性。 扬声器所支持扬声器驱动器的数量对预期的声音质量有影响。例如，配备四个扬声器驱动器的声霸较配备两个扬声器驱动器的声霸能产生更加理想的环绕音效。一般来说，扬声器驱动器不足五个的系统将采用神经声学虚拟化 (psychoacoustic virtualization) 技术来创建全面的三维声场。神经声学虚拟化能在不同的时间，从不同的扬声器发出不同的信息，从而虚拟出宽阔的声场。由于使用较少的扬声器驱动器，神经声学虚拟堪称是较低端声霸的低成本解决方案。 另一种可提供虚拟环绕音效的技术是使用机械虚拟化，也称为波束形成 (beam forming)。高端声霸一般采用该技术，因为其需要更多的扬声器驱动器 —— 40个以上，才能营造虚拟环绕音效。与使耳朵产生幻觉、让人心里感觉声音来自不同方向的神经声学不同，机械虚拟化可让声波在房间内反射，以真实地营造环绕听音者的声场。 现代 SoC 集成技术高度集成了模拟与数字组件以及所有必要的音频外设，从而使单个处理器为整个声霸系统提供核心动力成为可能。对于较低端的设备，由于各组件之间的协作已获得优化，因而采用 SoC 可大幅度降低设计复杂度，从而加速产品上市进程。 特别值得一提的是，设计人员可根据性价比从引脚兼容、软件兼容的 DSP 产品系列中选择独立的 DSP，然后在一块印刷电路板 (PCB) 上进行各种引脚兼容的 DSP 简单组合，并加载软件支持的各种特性，从而开发出各种高性价比的声霸产品系列。例如，德州仪器 (TI) 的 DA7xx 系列音频 DSP 由三款引脚与软件均兼容，且各自处于不同价格与性能水平之上的 DSP 构成。 在价格低廉、性能要求不高的情况下，可以让高价值的声霸仅支持杜比与 DTS 5.1 解码与虚拟化；中端产品则可增加对房间均衡、重低音增强与其他音频后处理的支持；高端产品可添加与蓝光播放机兼容的高清 (HD) 音频解码器。所有这些都可通过 DSP PCM 设计来实现 对于较低端的声霸产品而言，价格和上市速度是最主要的问题，设计人员可以选择高度集成的 SoC 器件，比如 TI 的 TAS3x 处理器系列。与该处理器系列配套的、简单易用的“拖放型 (drag-and-drop)”开发软件，可以大幅度降低系统复杂性、缩短开发时间、降低开发成本。产品差异化和性能优化可通过软件实现，硬件平台则可被多种产品重复利用。 在每种情况下，开发人员都可以通过支持的具体特性而非实施过程来实现差异化。这意味着应使用现成的算法或者专门的音频系统开发工具，而不是手动优化 DSP 代码来实施标准音频功能。这样，进一步的产品差异化将集中于通过扩展音域，改善音质来优化具体扬声器的音效，而非仅让扬声器回放音频。