基于心理聲學低頻擴展的SOUND BAR音響系統設計

周文輝，彭 芳

（電子科技大學 中山學院，廣東 中山 528402）

隨著平板電視設計的日趨纖薄，機箱容積和揚聲器口徑受到了一定的限制，電視機音頻聽覺效果不理想等問題顯得愈發突出。事實上，平板電視機對音頻信號的頻率響應和動態范圍的要求比傳統模擬制式的CRT電視機要求更高，但平板電視音響系統較窄的頻響使得低頻信號，特別是一些包含豐富情感因素的內容觀眾無法聽到；較小的動態范圍意味著無法在嘈雜的背景聲中聽到安靜的對話，甚至出現對話聲忽大忽小[1]。SOUND BAR音響系統的出現，克服了平板電視音響的缺陷，填補了DTV和AV環繞聲家庭影院系統之間的空白。它是一種纖巧時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，而且沒有家庭影院系統涉及的安裝環繞聲箱、布線等復雜問題，因此受到用戶的廣泛歡迎。但目前市售的SOUND BAR產品還存在如下問題：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）外置音響系統的控制沒有與其它家電集成，致使遙控器的數目越來越多。因此，研發功能完善、操作簡便、音質完美的SOUND BAR音響系統，將具有廣闊的市場空間。

1 系統總體結構

項目研發的SOUND BAR音響系統，由一個主控MCU控制各功能模塊，包括DSP音效處理、功率放大、MPEG解碼、網絡高清播放、無線音頻收發、APPLE DOCK播放接口、觸摸按鍵處理、遙控處理、電源管理等9個模塊，總體結構如圖1所示。系統采用模塊化設計，提高了產品的開發速度和可靠性；采用集散式控制理論，電源、解碼系統和功放分隔排布，弱信號與強信號相互隔離，顯著提高了信噪比、分離度，減小失真，改善了頻響特性。系統各模塊功能主要有：

1）Main MCU：作為系統的核心，控制系統的各子模塊，實現與數字音頻DSP的信息交互，根據用戶操作及輸入信號確定各模塊的工作。

2）網絡高清播放：通過有線或無線方式與 Internet鏈接，實現網絡高清視頻的全格式解碼及全高清播放；開發在線點播平臺和電視直播平臺，通過電視遙控器操作，完成影視點播。

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 系統總體結構Fig.1 Overall structure of the system

4）APPLE DOCK：蘋果通用基座模塊，實現音響系統與iphone、ipod等APPLE產品的即插即用連接。

5）DSP AUDIO PROCESS：配置音頻專用DSP內核的數字信號處理器，運用MaxxAudio系列音頻處理技術，改善音質、音色。

6）AMP：采用D類數字音頻功率放大器，將輸入的模擬音頻信號變換成PWM信號控制大功率開關器件通、斷的音頻功率放大器。放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關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，采用無線音頻發射、接收模塊實現音響主機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 系統詳細設計

2.1 DSP音效處理模塊的設計

音效處理模塊采用Waves Audio公司的MX5000 DSP，可 預 處 理 MaxxBass、MaxxVolume、MaxxtTreble、MaxxEQ 與MaxxStereo 5項算法。音效處理以MaxxBass為核心，利用“基頻丟失”現象產生低音感覺，但實際上揚聲器重放的并不是低音頻域真正產生的基波分量，而是通過MaxxBass算法將揚聲器諧振頻率以下不能再現的低頻信號分離出來，生成低頻信號對應的一系列高頻次諧波，由揚聲器重放出這些高頻次諧波，從心理聲學上讓聽眾感知到對應的基頻低音效果。DSP音效處理模塊設計了有源高通濾波電路，高低頻信號采用分別處理的方式，高頻信號通過有源高通濾波電路分離，低頻信號則通過DSP進行MaxxBass處理，最后高低頻信號通過運算電路疊加[2]，如圖2所示。這樣的處理方式有效提高了系統的分離度和信噪比。

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

音效處理除MaxxBass外，還同時運用了MaxxVolume技術用于動態補償，將RMS值增加12 dB以上，用于補償節目與商業廣告的不同頻道間所產生的差異；利用MaxxtTreble增強高頻響應，將音樂變得更輕快干凈；利用MaxxEQ用于全頻均衡，調節頻率、增益及Q參數；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聲器情況下的分離效果，虛擬出環繞效果。

2.2 D類功率放大器設計

系統采用兩片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。三角波發生器產生標準三角波提供給功放芯片，芯片將該三角波與模擬音頻信號進行比較，生成PWM調制信號。將PWM信號送至芯片內部的功放模塊進行功率放大，得到的放大信號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，將輸出信號的高頻噪聲濾除，濾除后的功率放大信號驅動揚聲器輸出[3]。

由于D類功放和開關電源等高速開關元器件的引入，功放設計須考慮電磁兼容（EMC）等問題。功放的三角波發生器晶振輻射的信號容易耦合到電源端的線路濾波器中，出現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計，才能有效解決相關問題[4]。此外，由于系統具有FM和AM調諧收音的功能，而D類功放工作時會對調諧器產生干擾，導致調諧器信噪比下降。因此設計功放芯片的三角波比較信號發生電路可以產生300 kHz和350 kHz兩種標準三角波信號。當三角波產生的諧波有可能影響到AM波段信號的接收時，可切換到另一頻率的三角波，則可減少甚至消除D類功放工作時對調諧器的影響。

2.3 網絡高清音視頻播放模塊設計

網絡高清播放模塊結構如圖3所示，以Realtek公司的RTD 1055SoC芯片為核心，包括輸入處理、內置硬盤、無線網卡、10/100 M 以太網、USB、DRAM、Flash、音視頻輸出等[5]。 輸入處理模塊負責與主控MCU交換信息，實現按鍵與遙控輸入信號的處理；以太網模塊采用Realtek RTL8201CP芯片提供的10/100 M自適應連接；USB模塊提供2個USB2.0端口；Flash用于存儲系統固件；音視頻輸出模塊提供復合視頻輸出、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），驅動芯片采用譜誠PT6311-LQ，提供播放/暫停、停止、上個節目、下個節目等功能按鍵；HDD為IDE內置硬盤用于存放高清節目文件或音頻、圖片文件及部分系統應用程序。

圖3 網絡高清播放模塊結構Fig.3 Structure of network HD broadcast module

2.4 無線音頻傳輸模塊設計

為營造更好的低音效果，低音部分使用專門低音炮實現。低音炮與主機的連接采用2.4 GHz ISM頻帶傳輸無線音頻信號，最高傳輸速率2 Mbps，可滿足傳輸CD級別信號需要的理論帶寬1.411 2 Mbps，同時有125個頻道滿足多點通訊和跳頻通訊需求。基于無線的高保真音頻系統主要由2個部分組成[6]：數字音頻發射機和數字音頻接收機，如圖4所示。在主機中設計2.4 GHz無線發送模塊，音頻信號經過A/D轉換后送入基帶處理，接著送入調制器進行載波調制，再送入RF發射機經天線發送；音箱上則設計有無線接收模塊，接收到的RF信號經過放大濾波、調解器的解調恢復成數字信號，再經過D/A轉換還原回音頻信號。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，用來合成即將發射的基帶信號，或對接收到的基帶信號進行解碼，提供8通道低延時，無壓縮的16 bit，44.1 ksps或者48 ksps的數字音頻。

圖4 無線發射模塊、接收模塊設計框圖Fig.4 Design diagram of wireless transmitting and receiving module

2.5 CEC功能模塊設計

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

3 系統實現

3.1 系統主控流程

系統采用C/S結構，采用C語言編寫用戶程序，通過主程序對子程序的調用實現MCU對整個系統的控制。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 心理聲學低頻擴展實現

為重放低于揚聲器諧振頻率（fS）的低頻信號[8]，MaxxBass把音頻信號分為兩部分：一部分高于fS，另一部分低于fS。對于低于fS部分的信號進入MaxxBass處理器處理，運用心理聲學原理精確計算出與低頻信號相關的高次諧波分量，并疊加在高于fS部分的音頻信號上一起輸出，補償聽覺上的低頻衰減。這樣既不會改變音樂頻率的平衡，還突破原有物理聲學條件的限制，拓寬了低頻響應。算法實現的原理如圖6所示[9]，乘法回路生成無限階次的諧波信號，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的互調畸變。OUT-HPF采用4階橢圓高通濾波器，截止頻率f2=150 Hz，FB-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C（n）實現諧波幅度控制，以保證響度對聲壓級在各次諧波處的動態平衡。系統輸入為[f1，f2]范圍內的基頻信號，輸出為虛擬低音信號。將輸出信號與原信號頻率在f2以上的高頻成分疊加即可得到虛擬低音增強信號。

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

3.3 網絡高清音視頻播放實現

系統搭建Linux平臺并移植，在Linux中開發底層驅動程序和用戶接口。其軟件總體結構包括用戶界面模塊、傳輸控制模塊、緩沖區管理模塊、解碼播放模塊。視頻點播終端基于TCP的傳輸控制，為了保證長時間連續流暢的播放，應使緩沖區始終處于半充滿狀態，這樣播放器就能將從流媒體服務器上獲得的音視頻數據源源不斷的解碼播放。

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

3.4 高保真無線音頻傳輸實現

采用2.4 G無線通信實現音頻信號的傳輸，最重要的是減小干擾和誤碼，保證音頻信號的高保真。為更好地建立通信信道，在發射端設有接收通道，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，以便系統確定最佳的跳頻圖案。采用2.4 G技術的產品接收端和發送端在生產時便內置配對ID碼，形成一對一模式，采用自適應跳頻算法，避開臨近頻率干擾，解決了與2.4 GHz ISM頻段其他設備的共存性。為了減小誤碼，系統制定了一套快速容錯糾錯算法和錯包重發機制，有效保證了音頻信號的高保真傳輸。無線音頻播放建立流程圖如圖7所示。

4 結束語

目前，項目研發的SOUND BAR音響系列產品已成功投放國內外市場，其帶來如家庭影院般的完美音質，深受用戶歡迎。系統采用心理聲學低音擴展技術，配合大動態范圍補償，突破了傳統音響系統中，低頻受成本、體積、功率限制的瓶頸，使用小口徑揚聲器即可營造出雄厚的低音效果。系統頻率響應下限低至30 Hz，動態范圍高達110 dB，分離度大于40 dB，失真度小于 0.7%。可播放 DVD、CD、MP3、MPEG4 等多種文件；可通過Internet鏈接實現網絡高清視頻的全格式解碼及播放；同時集成了HDMI的CEC功能，實現所有家庭影音設備的統一控制。項目已攻克的關鍵技術可作為開放式技術平臺應用于系列音響產品的研發，能大大提高產品研發效率和可靠性，顯著提升產品市場競爭力。

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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