基于心理声学低频扩展的SOUND BAR音响系统设计

周文辉，彭 芳

（电子科技大学 中山学院，广东 中山 528402）

随着平板电视设计的日趋纤薄，机箱容积和扬声器口径受到了一定的限制，电视机音频听觉效果不理想等问题显得愈发突出。事实上，平板电视机对音频信号的频率响应和动态范围的要求比传统模拟制式的CRT电视机要求更高，但平板电视音响系统较窄的频响使得低频信号，特别是一些包含丰富情感因素的内容观众无法听到；较小的动态范围意味着无法在嘈杂的背景声中听到安静的对话，甚至出现对话声忽大忽小[1]。SOUND BAR音响系统的出现，克服了平板电视音响的缺陷，填补了DTV和AV环绕声家庭影院系统之间的空白。它是一种纤巧时尚的多功能有源音箱，连接放置在平板电视下方，可显著改善观众音响体验，而且没有家庭影院系统涉及的安装环绕声箱、布线等复杂问题，因此受到用户的广泛欢迎。但目前市售的SOUND BAR产品还存在如下问题：1）音效处理方式简单，低音饱满度不高；2）功能简单，难以满足用户多方面的需求；3）外置音响系统的控制没有与其它家电集成，致使遥控器的数目越来越多。因此，研发功能完善、操作简便、音质完美的SOUND BAR音响系统，将具有广阔的市场空间。

1 系统总体结构

项目研发的SOUND BAR音响系统，由一个主控MCU控制各功能模块，包括DSP音效处理、功率放大、MPEG解码、网络高清播放、无线音频收发、APPLE DOCK播放接口、触摸按键处理、遥控处理、电源管理等9个模块，总体结构如图1所示。系统采用模块化设计，提高了产品的开发速度和可靠性；采用集散式控制理论，电源、解码系统和功放分隔排布，弱信号与强信号相互隔离，显著提高了信噪比、分离度，减小失真，改善了频响特性。系统各模块功能主要有：

1）Main MCU：作为系统的核心，控制系统的各子模块，实现与数字音频DSP的信息交互，根据用户操作及输入信号确定各模块的工作。

2）网络高清播放：通过有线或无线方式与 Internet链接，实现网络高清视频的全格式解码及全高清播放；开发在线点播平台和电视直播平台，通过电视遥控器操作，完成影视点播。

3）MPEG Module：完成音视频MPEG解码处理，支持播放碟片、USB 中的 DVD、VCD、WMA、MP3等内容，除 AV、光纤、铜轴、AUX等音视频接口外，还可选择CVBS或HDMI高清接口输出。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall structure of the system

4）APPLE DOCK：苹果通用基座模块，实现音响系统与iphone、ipod等APPLE产品的即插即用连接。

5）DSP AUDIO PROCESS：配置音频专用DSP内核的数字信号处理器，运用MaxxAudio系列音频处理技术，改善音质、音色。

6）AMP：采用D类数字音频功率放大器，将输入的模拟音频信号变换成PWM信号控制大功率开关器件通、断的音频功率放大器。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路和低通滤波器等四部分组成。

7）2.4 G无线音频传输模块：基于RF的通信解决方案，采用无线音频发射、接收模块实现音响主机与音箱之间的高保真无线音频传输与控制。

8）Touch Key Pad：触摸按键的处理模块。

9）IR：遥控处理模块。

10）POWER MANAGER：电源管理模块。

2 系统详细设计

2.1 DSP音效处理模块的设计

音效处理模块采用Waves Audio公司的MX5000 DSP，可 预 处 理 MaxxBass、MaxxVolume、MaxxtTreble、MaxxEQ 与MaxxStereo 5项算法。音效处理以MaxxBass为核心，利用“基频丢失”现象产生低音感觉，但实际上扬声器重放的并不是低音频域真正产生的基波分量，而是通过MaxxBass算法将扬声器谐振频率以下不能再现的低频信号分离出来，生成低频信号对应的一系列高频次谐波，由扬声器重放出这些高频次谐波，从心理声学上让听众感知到对应的基频低音效果。DSP音效处理模块设计了有源高通滤波电路，高低频信号采用分别处理的方式，高频信号通过有源高通滤波电路分离，低频信号则通过DSP进行MaxxBass处理，最后高低频信号通过运算电路叠加[2]，如图2所示。这样的处理方式有效提高了系统的分离度和信噪比。

图2 高低频信号分离处理原理图Fig.2 Schematic diagram of high-low frequency signal separation processing

音效处理除MaxxBass外，还同时运用了MaxxVolume技术用于动态补偿，将RMS值增加12 dB以上，用于补偿节目与商业广告的不同频道间所产生的差异；利用MaxxtTreble增强高频响应，将音乐变得更轻快干净；利用MaxxEQ用于全频均衡，调节频率、增益及Q参数；利用MaxxStereo用于广阔的立体声音效成型，改善了立体声在近距离置放扬声器情况下的分离效果，虚拟出环绕效果。

2.2 D类功率放大器设计

系统采用两片ST公司的TDA7498 D类功放芯片，一片用于左右声道，一片用于低音。三角波发生器产生标准三角波提供给功放芯片，芯片将该三角波与模拟音频信号进行比较，生成PWM调制信号。将PWM信号送至芯片内部的功放模块进行功率放大，得到的放大信号输出到外部的低通滤波电路，滤波电路采用了截止频率为30 kHz的LC滤波回路，将输出信号的高频噪声滤除，滤除后的功率放大信号驱动扬声器输出[3]。

由于D类功放和开关电源等高速开关元器件的引入，功放设计须考虑电磁兼容（EMC）等问题。功放的三角波发生器晶振辐射的信号容易耦合到电源端的线路滤波器中，出现注入电源骚扰电压测试超出限定值等，因此，需要综合考虑PCB板布线及线路滤波器的设计，才能有效解决相关问题[4]。此外，由于系统具有FM和AM调谐收音的功能，而D类功放工作时会对调谐器产生干扰，导致调谐器信噪比下降。因此设计功放芯片的三角波比较信号发生电路可以产生300 kHz和350 kHz两种标准三角波信号。当三角波产生的谐波有可能影响到AM波段信号的接收时，可切换到另一频率的三角波，则可减少甚至消除D类功放工作时对调谐器的影响。

2.3 网络高清音视频播放模块设计

网络高清播放模块结构如图3所示，以Realtek公司的RTD 1055SoC芯片为核心，包括输入处理、内置硬盘、无线网卡、10/100 M 以太网、USB、DRAM、Flash、音视频输出等[5]。 输入处理模块负责与主控MCU交换信息，实现按键与遥控输入信号的处理；以太网模块采用Realtek RTL8201CP芯片提供的10/100 M自适应连接；USB模块提供2个USB2.0端口；Flash用于存储系统固件；音视频输出模块提供复合视频输出、分量色差端子、HDMI 1.3、双声道立体音等输出；面板显示采用7位VFD（真空荧光显示屏），驱动芯片采用谱诚PT6311-LQ，提供播放/暂停、停止、上个节目、下个节目等功能按键；HDD为IDE内置硬盘用于存放高清节目文件或音频、图片文件及部分系统应用程序。

图3 网络高清播放模块结构Fig.3 Structure of network HD broadcast module

2.4 无线音频传输模块设计

为营造更好的低音效果，低音部分使用专门低音炮实现。低音炮与主机的连接采用2.4 GHz ISM频带传输无线音频信号，最高传输速率2 Mbps，可满足传输CD级别信号需要的理论带宽1.411 2 Mbps，同时有125个频道满足多点通讯和跳频通讯需求。基于无线的高保真音频系统主要由2个部分组成[6]：数字音频发射机和数字音频接收机，如图4所示。在主机中设计2.4 GHz无线发送模块，音频信号经过A/D转换后送入基带处理，接着送入调制器进行载波调制，再送入RF发射机经天线发送；音箱上则设计有无线接收模块，接收到的RF信号经过放大滤波、调解器的解调恢复成数字信号，再经过D/A转换还原回音频信号。RF芯片采用MAXIM公司的MAX283I，提供包括 RF功率放大器（PA）、RF至基带接收通路、基带至RF发射通路、VCO、频率合成器、晶体振荡器、以及基带/控制接口。BASEBAND基带处理器采用STS公司的DARR80，用来合成即将发射的基带信号，或对接收到的基带信号进行解码，提供8通道低延时，无压缩的16 bit，44.1 ksps或者48 ksps的数字音频。

图4 无线发射模块、接收模块设计框图Fig.4 Design diagram of wireless transmitting and receiving module

2.5 CEC功能模块设计

CEC（消费电子控制）是一种单线双向的接口，通过遥控器或任何接入网络的设备上的控制按钮，即可控制HDMI网络中任意设备[7]。传统CEC集控，通过一根信号传输线连接所有具有HDMI接口的设备，每个接口配置有CEC专用驱动芯片，实现CEC信息的编解码和路由功能。实际应用时，驱动芯片的I2C通信时有掉帧现象，不同厂商还存在兼容问题。因此，系统设计的CEC功能模块，去除了传统的CEC驱动芯片，直接利用主控MCU开发底层软件来实现CEC信息的处理，具体包括基本的通讯操作、位时序；处理传输错误，并安排错误帧的重新传输；媒体访问控制层（MAC）功能；动作指令的解释；逻辑地址的生成等各项功能。这样不仅降低了成本，而且使CEC信息的传输更加顺畅，提高了系统的兼容性和可靠性。另外，传统HDMI接口设备上电以后都要分配CEC地址，系统在HDMI接口增加一片E2PROM芯片，使得具有该接口的设备在不插电的情况下，也能保存设备的CEC地址信息，开机重启后不需要再重新分配地址，提高了CEC模块的响应速度。

3 系统实现

3.1 系统主控流程

系统采用C/S结构，采用C语言编写用户程序，通过主程序对子程序的调用实现MCU对整个系统的控制。主控软件流程如图5所示。

图5 主控软件程序流程图Fig.5 Flow chart of master control software

3.2 心理声学低频扩展实现

为重放低于扬声器谐振频率（fS）的低频信号[8]，MaxxBass把音频信号分为两部分：一部分高于fS，另一部分低于fS。对于低于fS部分的信号进入MaxxBass处理器处理，运用心理声学原理精确计算出与低频信号相关的高次谐波分量，并叠加在高于fS部分的音频信号上一起输出，补偿听觉上的低频衰减。这样既不会改变音乐频率的平衡，还突破原有物理声学条件的限制，拓宽了低频响应。算法实现的原理如图6所示[9]，乘法回路生成无限阶次的谐波信号，并利用衰减增益g消除高次谐波的影响。高通滤波器OUT-HPF和FB-HPF用来减小直流干扰和降低系统的互调畸变。OUT-HPF采用4阶椭圆高通滤波器，截止频率f2=150 Hz，FB-HPF采用2阶巴特沃思高通滤波器，截止频率f1=40 Hz。Upwards Compressor Logic模块通过生成控制信号C（n）实现谐波幅度控制，以保证响度对声压级在各次谐波处的动态平衡。系统输入为[f1，f2]范围内的基频信号，输出为虚拟低音信号。将输出信号与原信号频率在f2以上的高频成分叠加即可得到虚拟低音增强信号。

图6 MaxxBass算法原理图Fig.6 MaxxBass algorithm diagram

3.3 网络高清音视频播放实现

系统搭建Linux平台并移植，在Linux中开发底层驱动程序和用户接口。其软件总体结构包括用户界面模块、传输控制模块、缓冲区管理模块、解码播放模块。视频点播终端基于TCP的传输控制，为了保证长时间连续流畅的播放，应使缓冲区始终处于半充满状态，这样播放器就能将从流媒体服务器上获得的音视频数据源源不断的解码播放。

Linux系统包括Bootloader、内核、文件系统3部分。主板上电后由Bootloader程序初始化硬件，引导内核和文件系统来启动Linux。Rtd 1055中使用Rtd1055_boot_loader_2.8.0.1.tar.bz2，并对zboot和yamon编译后形成完整的bootloader。其中zboot用于引导系统，yamon做linux启动前的设置监视工具。使用Rtd 105x_rootfs_2.8.0.1.tar.bz2，编译rootfs形成根文件系统。使用linux-2.6.15.tar.gz，通过对zbimage-linux-xrpc，kernel-source-2.6.15等的编译形成其内核。此外，为了便于网络共享文件的播放，系统还增加了UpnpAV6（Universal Plug and Play， 通用即插即用协议）、ftp、Samba、NFS 及 BitTorrent等应用软件。启动UpnpAV后，系统能侦测到局域网上所有支持UpnpAV协议的媒体服务器，用户可以播放这些服务器中的多媒体文件。

3.4 高保真无线音频传输实现

采用2.4 G无线通信实现音频信号的传输，最重要的是减小干扰和误码，保证音频信号的高保真。为更好地建立通信信道，在发射端设有接收通道，目的在于通过不断搜索空中信道得到最好的可用通信信道，以便系统确定最佳的跳频图案。采用2.4 G技术的产品接收端和发送端在生产时便内置配对ID码，形成一对一模式，采用自适应跳频算法，避开临近频率干扰，解决了与2.4 GHz ISM频段其他设备的共存性。为了减小误码，系统制定了一套快速容错纠错算法和错包重发机制，有效保证了音频信号的高保真传输。无线音频播放建立流程图如图7所示。

4 结束语

目前，项目研发的SOUND BAR音响系列产品已成功投放国内外市场，其带来如家庭影院般的完美音质，深受用户欢迎。系统采用心理声学低音扩展技术，配合大动态范围补偿，突破了传统音响系统中，低频受成本、体积、功率限制的瓶颈，使用小口径扬声器即可营造出雄厚的低音效果。系统频率响应下限低至30 Hz，动态范围高达110 dB，分离度大于40 dB，失真度小于 0.7%。可播放 DVD、CD、MP3、MPEG4 等多种文件；可通过Internet链接实现网络高清视频的全格式解码及播放；同时集成了HDMI的CEC功能，实现所有家庭影音设备的统一控制。项目已攻克的关键技术可作为开放式技术平台应用于系列音响产品的研发，能大大提高产品研发效率和可靠性，显著提升产品市场竞争力。

图7 无线音频建立连接流程图Fig.7 Flow chart of wireless audio connection

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