數字電視自動音量控制技術

惠州市技師學院電子工程系 趙麗芝 郝國勇

數字電視自動音量控制技術

惠州市技師學院電子工程系 趙麗芝 郝國勇

我們看電視的過程中，切換頻道或播放節目過程中插播廣告時，有時聲音突然變大，影響用戶收看，造成這種現象的原因是節目源音頻信號不一致，輸入聲音信號突變，造成喇叭的輸入功率產生突變，實際的聲壓隨之突變。為給用戶創造更好的收看電視環境，目前有各種自動音量控制技術，本文根據自身工作經驗對幾種自動音量控制技術進行探究。

自動音量控制技術AVL；增益；功放

1 理想音量控制技術基本原理［1］

理想的AVL(或AVC)功能是：在某一音量值下,不管輸入信號源如何變化,我們聽覺感受到的是一個聲音強度,而且聲音的動態響應、飽和度沒有任何影響,這樣的話就要求在輸入信號源較小時,AVL將信號無失真的放大一些,輸入信號源較大時,AVL將信號無失真的壓縮一些,整個過程要做到等比壓縮。

為了達到理想的AVL效果,業界提出了幾種實現方案,例如：

1.1 對某一聲音信號進行自動音量控制

該聲音信號中有多個取樣點的聲音數據,先根據各聲音數據鄰近的多個聲音數據統計得到一對應的平均音量數據。若該平均音量數據大于預先記錄的音量極值數據,則更新該音量極值數據,反之則不更新音量極值數據,并記錄音量極值數據是否被更新。若在對預設聲音數據依序進行上述處理后,發現該音量極值數據均未被更新,則根據現行的平均音量數據更新該音量極值數據。由此該音量極值數據即可反應聲音信號的局部音量極值,實現自動控制該聲音信號播放時的音量大小。

1.2 Dolby 實驗室的Dolby Volume 技術［2］

Dolby Volume(杜比智能音量技術)與普通的自動音量調整技術存在很大區別。它能夠針對不同的信號源和節目內容,在不同聲音電平下提供一致的高質量的聽覺體驗。它主要基于杜比實驗室多年研究開發的新型心理聲學引擎和人體聲學感知模型,能夠對整個聲音頻譜進行實時的多頻段處理,并且能夠在時域和頻域內深入感知聲音的電平和音質。

Dolby Volume 主要包含兩大功能：

(1)Volume Leveler

Volume Leveler功能可以使你在不同的信號源和不同的節目內容之間切換時,提供一致的音量電平和聽音體驗。這與AVL在功能上有些類似,但杜比智能音量技術還能根據人耳在音量調整時敏感度的變化進行補償。它能適當地平衡低頻、中頻和高頻信號,在高或低音量回放時,都能保證完整保留原始混音中動態信息的聆聽體驗。因此,杜比智能音量技術根據人們感知聲音的方式對音量進行測量、分析和保持,不管切換頻道還是切換音源輸入,它都會檢查多種音頻參數以保持回放音量的一致。通過頻域和時域響度分析技術的高超結合,可以快速而適當地糾正音量大小的不同,同時不會在音頻信號中混入人為的壓縮噪音或者拍頻聲,而普通的AVL,只是對不同信號源進行單一電平調整,往往會引入壓縮噪音和其他雜音。

(2)Volume Modeler

Volume Modeler功能主要是保證音頻產品或系統在低音量條件下也能恢復在一般低音條件下會丟失的音質,聲像細節和環繞聲效果。這項技術能讓聽者控制節目的音量動態范圍。例如在深夜將音量關小時,可以調節動態范圍,使對白始終清晰,而音效能夠在不吵醒家人的情況下保持其震撼力與音色。

Dolby Volume對于模擬和數字輸入信號都能進行調整。目前支持Dolby Volume的廠家有Cirrus LoGic, Freescale,Toshiba等等,至于其他AVL的技術方法,據目前了解大多數是對音量簡單削波和提升,而沒有分頻段處理,會引入噪音。

圖1 自動音量控制技術信號流程圖

圖3 不同大小輸入信號AVL功能探究

2 自動音量控制技術方案一

2.1 控制原理

該方案采用的AVL功能的原理是在增益一定的情況下,將音頻功放的輸入限制在某一區域之內,使其不隨外部節目源音頻信號的無限增強而增大。該方案信號流程圖如圖1所示。

如圖2所示,橫軸為輸入信號,右豎軸為功放輸出,打開AVL功能后,當輸入信號超過某限定值后,輸出不再改變(紅線),即AVL是限制輸入功放的音頻信號強度。

2.2 調測結果及波形

(1)輸入0.5Vrms、1KHz 正弦波 音量50

由圖3(a)、(b)可知,當輸入0.5Vrms、1KHz 正弦波、音量50時,AVL功能打開或關閉功放輸出無變化。

(2)輸入0.6Vrms、1KHz 正弦波 音量50

由圖3(c)、(d)可知,當輸入0.6Vrms、1KHz 正弦波、音量50時,AVL功能打開時輸出相比關閉時進行了壓制,輸出限制在6.75Vrms。

(3)輸入0.8Vrms、1KHz 正弦波 音量50

由圖3(e)、(f)可知,當輸入0.8Vrms、1KHz 正弦波、音量50時,AVL功能打開時輸出相比關閉時進行了壓制,輸出仍限制在6.75Vrms。

綜合以上測試結果可知：

①當輸入信號小于0.6Vrms時,AVL功能無論打開與否,功放輸出信號無變化。

②當輸入信號大于等于0.6Vrms時,AVL功能關閉時,功放輸出隨輸入信號增大而增大,并出現失真;AVL功能打開時,功放輸出一直限制在6.75Vrms,不隨輸入信號增大而增大。因此,AVL功能限制功放輸入信號是一個漸變過程,如圖4所示。

圖4 輸入信號瞬變時AVL功能關閉和打開的輸出變化

由圖4(a)、(b)可知,當音頻輸入信號從低到高(0.1V——＞1V)瞬間變化時,AVL功能開啟時音頻輸出信號的改變有一個漸變過程,聲音會從強轉為平衡,時間約35mS;AVL功能關閉時,音頻輸出信號立即從低轉高,沒有任何緩沖。

此方案通過限幅輸入信號來完成對音量的自動控制,此種做法在一定程度上犧牲了聲音的動態響應范圍。

3 自動音量控制技術方案二

3.1 控制原理

方案二首先對音頻輸入信號進行采樣分析,當一個突變信號來臨時,通過采樣分析即可得知同前一信號的差異。通過分析差異,在不改變輸入信號的情況下,在增益上進行控制(提升或降低),以達到同前一輸出在同一強度級別。由于我們對輸入信號沒有進行任何操作,因此對音頻的動態響應范圍等參數不會產生很大影響,此時滿足：功放輸出=輸入信號+增益

3.2 調測結果及波形

(1)輸入0.5V rms、1KHz 正弦波 音量50

由圖5(a)、(b)可知,當輸入0.5Vrms、1KHz 正弦波、音量50時,由于輸入信號還沒有超過功放的閾值,所以AVL功能無論打開與否,功放輸出無變化。

(2)輸入0.8Vrms、1KHz 正弦波 音量50

由圖5(c)、(d)可知,當輸入0.8Vrms、1KHz 正弦波、音量50時,由于輸入己經超過了功放的閾值,AVL功能關閉,輸出失真;AVL功能打開時,首先會對輸入信號進行采樣,當發現音頻輸入信號幅度超過輸入閾值時,程序會自動把功放的輸入增益降低,從而使功放的凈輸入信號小于閾值,從而輸出穩定而不失真的信號。

圖5 不同大小輸入信號AVL功能探究

實現自動音量控制,除上述兩種方案外,還有很多其它方案。總之,AVL功能的主要目的是限制聲音輸出強度在一定的范圍內,不隨輸入信號的增強而持續增強。在電視中,采用AVL功能的主要優點是：避免夜間看電視時,切換頻道或插播廣告時,輸入信號突變,引起的聽覺不適;缺點是降低了聲音的動態頻響范圍,讓聲音聽起來較無味。當然,夜間看電視時,將音量開到較小的值,不用AVL功能,也可降低音頻輸入信號突變帶來的影響,同樣不影響聲音的動態范圍,但此時要求環境安靜,否則就會有聽不清楚的困擾。數字電視自動音量控制技術,使我們的聽覺系統更舒適。

[1]師公社,何寧,張荷芳,等．電視接收機信號切換中的音量智能均衡控制[J]．西安工業學院學報,2005．

[2]http://www．dolby．com/cn/zh/technologies/dolbyvolume．html．