杜比降噪系统概论

杜比降噪系统
   杜比降噪系统是基于磁带机应用的一种降噪电路,我们知道音频段的高频信噪比不良是磁带录放音机的先天缺陷,杜比降噪技术的核心是"加重/去加重"即先把节目的高音分量适当提高即"加重"然后录制,于是在磁带上,高频的信噪比就提高了,但对于信号来说,这时是存在着频率失真的(高频过冲),为了补偿这种失真在放音时再把高音分量适当衰减即"去加重",这样节目中的过冲部分就平复了.在去加重的过程中高频噪声一同被衰减掉,所以高频段的信噪比得而改善.
   为了进一步提高磁带录放机的信噪比,杜比实验室先后提出了杜比A.B.C三种动态噪技术,这些技术是利用听觉的"掩蔽效应"来确定加重/去加重的量值,而且不同频段处理方法也不同.杜比A.B.C三者的频段划分加重的量值各不同,杜比A主要用于专业机,B.C则用于家用设备.

杜比立体声系统
   当初的立体声系统只由二个声道组成,显而而见用两个声道来反映一些大型的演奏音乐是完全不够的,为此美国杜比(DOLBY)公司经过精心设计发明了一种4-2-4立体声编码技术(图D是这种编码器的原理图),它的原理是把多声道的立体声节目用四个声道即左(L)中(C)右(R)环绕(S)来表现.但是当时大多数的音频设备都是双声道为主,所以为使四个声道的立体声节目能在双声道设备上使用,杜比公司通过编码技术把四声道合为双声道,在还原时只需一台解码器将双声道还原为四声道即可.这就是所谓4-2-4编码技术.杜比立体声系统其主要特点是引入了一个真实的环绕声信息(S),这是它与其他模拟环绕声系统的区别.一般模拟环绕声只有两个基本声道(L,R),它的环绕声是通过这两个基本声道信号移相,加减,延时等后处理产生的是一个假信号,而杜比立体声具有真实的空间感和方位感.一般模拟环绕声则只能产生一种包围感.杜比立体声的环绕声道(S)其实是一个单声道信号(有些人认为它是一个双声道信号这是错的),它并不存在所谓的左环绕和右环绕(AC-3除外),但人们通常为了营造一种宽广的声场所以采用了多个扬声器来从现环绕声道,其实每个扬声器所发出的声音是一样的,只不过是位置不同罢了.图D1是杜比立体声系统的解码器简图.

杜比环绕声系统
   其结构如图D2,由图可知两路输入信号LT.RT进如解码器后形成L'.C'.R'.S'四路其中L'.R'信号直接取自输入信号LT和RT.输出信号它们有如下关系:
L'=L+0.7C+J0.7S J表示移相同90度
R'=R+0.7C-J0.7S
C'=0.7L+0.7R+C
S'=0.7L-0.7R+JS
   从以上四式可知,每一个输出声道都包含有其它路声道的信息,这些其他声道的信息和主声道(如L'=L+0.7C+J0.7S,其中的0.7C+J0.7S就是其它声道的信息)电平仅相差3DB(0.7倍)也就是说四个声道的相邻声道间的分离度只有3DB,考虑到中心声道C是以相同相位和电平分到RT和LT中的,因此可以从L'和R'来获得正确的中间声象定位效果.在图D2的杜比环绕声系统中,解码器对LT.RT未作任何处理,让其直通输出而省去了中间声道来改善前方声道的分离效果.置于前后方向声道的分离度则是靠解码器对后方作一系列处理来达到,先是延时然后通过一个低通滤波器把信号带宽限制在7KHZ以下,这一措施主要是减少高频串音,同时防止延时电路所产生的噪声进入后级,再后加入了改进型的杜比降噪器能提供6DB的降噪量,也就是说能使环境噪声及串音同时减少一半.
   综上所述,杜比环绕声系统与杜比立体声系统的不同之处是少用了一个中间声道,杜比立体声系统适用于大场面的听音环境如影剧院等,而杜比环绕声系统适用于小场面的听音环境如家庭影院.

杜比定向逻辑环绕声系统
   其结构如图D3,这是对杜比环绕声系统作进一步改进后的电路.定向逻辑环绕与环绕声系统有三处不同:1.增设了一个中心声道,从而与专业的杜比立体声系统一致;2.采用了自适应矩阵替代杜比环绕声中的固定矩阵电路;3.增设中心模式的控制.[Page]
   杜比环绕声系统中的固定矩阵功能单一,仅仅是为了取出S'(后环绕信号)信号而已.定向逻辑环绕系统中的自适应矩阵将执行十分复杂的功能,它能根据LT.RT中的L.C.R.S四个声道信号强弱状态情况从中检出并以对数方式加强占优势方的信号(即加强信号电平较强的声道),但能保持音量不变,从而使优势声道方向上的声象定位十分明确,这相当于提高了信号间的分离度,所以自适应矩阵电路又叫方向增强电路它使声道间的分离度从原来的3DB提高到30DB以上.
   杜比逻辑环绕声系统恢复了使用中心声道,并设置了中心模式控制器,其作用是对中心声道作出某些控制.在家庭影院中,人们可能会出于自己的爱好使用小功率的中间扬声器或中功率扬声器和大功率扬声器或干趣不使用中间扬声器的情况,另外由于一些家庭可能听音环境较小所以不使用后环绕声扬声器,为了使上述各种情况下均能获得尽可能好的环境效果,需要选择合适的中心模式,一般有三种模式设置:
1.仿真模式:它的作用是把中心声道的声音平均地分配到左右声道中去重放,显然这一模式适用于不使用中间扬声器的情况.
2.普通模式:它的作用是把中心声道中对方向性基本没有影响的100HZ以下的低频分量平均地分配到左右扬声器中去重放.中心声道则重放高于100HZ的频率分量.这是家庭影院中最常使用的模式(它适用于用小功率中心扬声器的情况).
3.宽带模式:在这一模式下,系统对中心声道的声音不作如上分配保持原样传输,显然它适用于采用较大功率的扬声器作为中心扬声器的情况.
另外通常还有一个"三声道逻辑模式"它的作用是把后方环境信号送到前方声道中去重放,显然这一模式适合于不希望使用后方扬声器的使用者.
   总之,杜比定向逻辑环绕系统它采用了方向性增强电路可以在扬声器方向上产生一个清晰的声象,对于影视片中的对话环境效果声等单一声源发声的情况特别有效,结合人们视觉和听觉的心理作用在保证前方立体声声场基础上,可以获得很好的环绕效果.

AC-3与杜比环绕声AC-3系统
    AC-3是DVD中的音频标准，它支持5.1声道的环绕立体声，即包括L（左）、R（右）、C（中）、LS（左后）、RS（右后）及一个0.1声道的重低音，此重低音声道频带较窄（3---120HZ），所以为辅助声道，称为0.1声道。
    AC-3是一种数字编码方式，是一种柔性的音频数据压缩技术。现在最常见的另一种使用数字编码的节目源是CD唱片。CD唱片的数字音频编码方式为16bitPCM方式，采样频率为44.1kHz。由于这种编码方式所产生的数据量太大，存储和传输都既不方便也不经济，有时甚至是行不通的。例如：对于电视广播来说，数据传输速率越高，每套节目所需的频宽就越大，在频带资源日趋紧张的今天，过宽的频带是不能允许的；又如：对于有形载体（激光碟、磁带等），每种载体的记录密度都是有限的（受当时技术发展程度的制约），增大数据量就意味着缩短节目长度。一张CD唱片的容量约为680MB，可以容纳约1小时的双声道PCM数字音频节目，节目容量将降为20分钟左右，如果用来装载未经任何压缩的数字视频信号，节目容量将降至数十秒，这当然是没有任何实用价值的。因此需要开发一种新的编码方式，它应该使用较少的数据量，而又不会导致音质的主观听感有明显的下降。这种编码方式被称为“感知型编码（Perceptual Coding）”，它以心理声学原理为基础，只记录那些能被人的听觉所感知的声音信号，从而达到减少数据量而又降低音质的目的。 
    AC-3把整个音频频带分割成若干个较窄的频段，各频段的宽度并不完全一样，因为人类的听觉对不同频率的声音具有不同的灵敏度。由于有用信号被划分成狭窄的频段，编码噪声的滤降问题就比较容易，这是因为对于每个频段来说，该频段以外的所有信号可以全部被滤除掉而不会损伤有用的信号。滤除了多余信号后的剩余噪声信号频率与有用信号的频率非常接近，再通过掩蔽效应（一条心理声学原理：较强的声音信号可以掩蔽临近频段中较弱的信号。换言之，如果在某一频段中出现了一个较强的信号，那么该频段中所有低于某一门槛值的信号都将被强信号掩蔽掉，成为人耳不可闻的信号，滤除这些微弱信号将不会对音质产生不良影响。）将其滤除。可见AC-3编码系统是一种非常有效的减噪系统。这些被分割成狭窄频段的多路数字音频信号最终还需被合成一路完整的全频带信号，但每一个频段所占有的数据量并不是平均分配的，编码器内部有一个“听觉掩蔽摸块”，可以模拟人的听觉掩蔽效应，它能根据信号的动态特性来决定：在某一时刻数据量应如何分配给各频段才是最合适的。频谱密集、音量大的声音元素应该获得较多的数据占有量，那些由于掩蔽效应而听不到的声音则少占用或不占用数据量。掩蔽模块和数据量分配技术是获得高效率的关键技术，它能够使有限的数据量携带更多的有效声音信号，也就是意味着更好的音质。 [Page]
    从技术角度来说，AC-3的动态范围至少可以达到20bit的水平，频响范围为20Hz-20kHz±0.3dB(在3Hz及20.3kHz处为-3db)，低音效果通道的频响范围为3---120 Hz±0.3dB（在3Hz及121 Hz处为-3dB）。采样频率可为32kHz、44kHz 或48kHz，比特率是可变的，最低为32kbit/s （单声道方式），最高为640kbit/s，典型值为384 kbit/s（5.1声道家用数字环绕声系统）和192 kbit/s（双声道立体声系统）。由此可以看出，它能适应多种不同的需求。
    在音频处理技术上，杜比环绕声是人们所熟知的，杜比环绕声系统主要有三种，一种是普通的杜比环绕声系统，只有3个声道（L、R、S）；一种是杜比定向逻辑环绕声系统，有4个声道（L、R、C、S）；一种是杜比环绕声AC-3系统，有6个声道。前两种系统是以2声道的声音设备来处理4声道的声音矩阵编码处理法，属于模拟信号处理方式，而第三种是采用了数码AC-3压缩技术。

家用THX环绕声系统
美国噜卡斯公司在杜比定向逻辑解码器的基础上推出了THX(电影院高保真音响重放系统),THX的目标是使影院中重放声正确地达到录音棚制作时的音响效果,图D4为一THX系统的框图,可看出它与杜比系统的差别主要在于应用了一个称为"THX控制中心"的单元电路,通过图D4我们可清楚地看出它与杜比系统的关系和联系了,THX系统使用的软件与杜比系统相同,因而其中必然有杜比解码器,两者区别在于THX系统对杜比解码后的信号作了进一步的加工处理,目的在于精确补偿空间的声学特性,校正主声道与环绕声道间音色上的不平衡等,从而保证杜比编码的声源节目能得到最忠实的重放.


数码声场重建系统--DSP(三维立体声系统)
     这个系统的基本目标是要让人在家庭条件下听到的声音信息与现场听到的"一模一样".室内声音无非就是由直达声和反射声组成,然而由于它们在时间,方向和强度等方面千差万别,在现场听到的声音就变得十分复杂,要重建这些声场就必须须掌握上述声场的定量数据.只要了解各反射声的定量数据才能用电声手段把它模拟出来,首先根据某音乐厅形体数据和它的各个界面材质建立相应的数学模型,然后确定好声源位置和一定范围的聆听区,运用几何声学中的声线法可以作出声源在厅内的各次反射声的路径,便可求出通过聆听区的反射声的方向和强度,根据各次反射声的时间间隔便可得到反射的时间序列,这样便获得原始声场的特征数据.接下来用计算机模拟所得的数据,运用延时放大器和扬声器阵列利用声源中的直达声信号通过控制各延时器的延时量来模拟各次反射声方向和强度与各反射声的先后从而重建一个相似的声场.所以一些高级具DSP功能的AV功放内部就储存有十多种不同环境的声场数据,通过与杜比环绕系统配合营造出十多个声场模式.注意这是所输入的声源信号还是模拟信号,所谓数码的意思是指各声场模拟数据在出厂时就由厂家将这些数据以数码形式储存在相应的控制芯片上,当调用这些数据时,这些数据就会控制各辅助放大器的音量,延时量从而建立起相应的声场效应.
     通过以上介绍,我们可知DSP的原理并不复杂,它的优点是对声源没有特别要求,但它的不足之处是不能反映声源本身的演奏环境.

家庭影院的心脏----AV功放
　　AV功放是家庭影院的中枢。市面上有些模拟的AV功放，严格地说并无定向功能，只有采用杜比定向逻辑解码器，才能使人们在观看画面的同时，真正能感受到一个与画面同步的。动态的声场，产生多维空间的临场感。当然，所使用的音响软件必须带有DOLBYSURRO UND或THX调标记。
　　目前市面上出售的定向逻辑解码器分为三种类型： 纯解码器，机内不带功放，但含有定向逻辑解码器芯片，可以输出多个声道的信息，包括左。中、右环绕（通常二路）重低音等。这样用户可以灵活选配功放，但配哪些功放也有讲究，否则难以营造理想的声场效果。从这一点来看，越简单者反而要求越高。 [Page]
　　带有中置及环绕功放的解码器，机内不带主功放、重低音功放，但各路声道都有信号输出端口，包括中置及环绕。这样，主功放要外配功放，重低音可以配功放，也可以配有源音箱。中置和环绕可以选用机 内功放，也可以外配。
　　这种机型适合于原来已有双声道功放的家庭，将自己的音响系统升级为家庭影院。也适合于音响发烧友提升器材的档次，例如主声道可以选配胆机等更高档次的功放，以欣赏到悠扬梦幻般的声场效果。
　　带有全声道功放的定向逻辑解码器。由于受到整机的限制，其主声道功放的功率不可能做得非常大，绝大多数采用集成电路制成，能满足一般家庭之用。其中主功放功率在5OW左右，中置、环绕功率在3O一4OW，重低音功率在5OW以上。带有这种解码器的AV功放，用户使用起来十分方便，只要配上相应的音箱，再加上LD或DVD，大屏幕彩电即可形成影院系统，性价比较高。

论音响功放机
      音响中的功放是整个音响设备中的关键部件,所以音响发烧友们都在其上不惜花费人力物力财力进行"摩机",在电源部分,电路的整体布局,用料等方面进行不断改良.本人并不是超级发烧友,充其量算是一位音响爱好者吧,为此在这里我就以一个音响爱好者的身份谈一谈我对音响功放的看法.
     功放分胆机与石机,先讨论石机.石机最初的功放为甲类功放,这类功放的功放管的工作点选在管子的线性放大区,所以就算在没有信号输入的情况下,管子也有较大的电流流过,且其负载是一个输出变压器,在信号较强时由于电流大,输出变压器容易出现磁饱和而产生失真,另外为了防止管子进入非线性区,此类放大器往往都加有较深度的负反馈,所以这种功放电路效率低,动态范围小,且频响特性较差.对此人们又推出了一种乙类推挽式功率放大器,这类功放电路其功放管工作在乙类状态,即管子的工作点选在微道通状态,两个放大管分别放大信号的正半周和负半周,然后由输出变压器合成输出.所以流过输出变压器的两组线圈电流方向相反,这就大大地减少了输出变压器的磁饱和现象.另外由于管子工作在乙类状态,这样不仅大大的提高了放大器的效率且也大大的提高了放大器的动态范围,使输出功率大大提高.所以这种功放电路曾流行一时.但人们很快发现,此种功电路由于其功放管工作在乙类工作状态,所以存在小信号交越失真的问题,而且电路需使用两个变压器(一个输出变压器,一个输入变压器),由于变压器是感性负载,所以在整个音频段内,负载特性不均衡,相移失真较严重.为此人们又推出了一种称为OTL的功率放大电路.这种电路的形式其实也是一种推挽电路形式,只不过是去掉了两个变压器,用一个电容器和输出负载进行藕合,这样一来大大的改善了功放的频响特性.晶体管构成的功放电路有了质的飞跃,后来人们又改良了此种电路,推出了OCL和BTL电路,这种电路将输出电容也去掉了,放大器与扬声器采取直接藕合方式,直到现在由晶体管组成的功放电路,其结构基本上是OCL电路或BTL电路.OCL电路与OTL电路不同之处是采取了正负电源供电法,从而能将输出电容取消掉.BTL电路是由两个完全独立的功放模块搭建组成,如图C所示.IC1放大输出的信号一部分通过IC2反相输入端,经IC2反相放大输出,负载(扬声器)则接在两放大器输出之间,这样扬声器就获得由IC1和IC2放大相位相差180度的合成信号了.
    不论是OCL或BTL功放电路,由于其去除了输出变压器和输出电容器,使放大器的频响得到展宽。与扬声器配接方面，当功率放大器连接一个标称阻抗低于其额定负载阻抗的音箱时,理论上将使输出功率增加,但这是有条件的,功放必须有足够小的输出内阻且必须有足够大的电流增益,电源能提供足够大的工作电流,否则不但不失真功率不能增加反而引致放大器性能下降。另一种情形是功率放大器连接一个标称阻抗高于其额定负载阻抗的音箱,这时似乎功率放大器会轻松些,其实也不尽然,如果放大器的电源电压容量不够大,重放时可能未到其额定输出功率就发生电压过载失真。另外扬声器音圈会产生感生电动势,这个感生电动势对扬声器的运动有阻尼作用,放大器的输出阻抗对扬声器所产生的感生电动势有旁路作用,从而能有效地抑制扬声器的感生电动势. [Page]

   综上所述,晶体管功放要得到好的放声效果,就必须要有较低的输出阻抗,较大的电流增益,电源方面要能提供足够大的工作电流和较高的电源电压且瞬态效应好。
    为了使放大器具有较低的输出阻抗和较大的电流增益,功放的后级我们可用多对功率管并联来实现,并且选取耐压值尽可能高的功放管,使其能适应不同阻抗的负载.不过此举就要增加推动功率了,一台好的功放对电源的要求的苛刻的,为了能提高瞬态响应和提供足够的电流整流管要采用大电流开关型整流二极管(有人称为高速整流二极管),另外滤波电容要采用万μF以上的.由于功放在工作时产生的瞬态电流达10安(视功放机的功率而定)以上,后级的接触电阻和连线电阻均不能忽略,例如:电路存在0.1欧的交流阻抗,那么在10安电流的作用下就在其上产生1伏的交流电压,这个交流电压会藕合到前级,轻则产生交流干扰,重则会使放大器产生自激而损坏功放管.我们曾维修过多台大功率功放机,因整流二极管接触不良或滤波电容虚焊而造成烧坏功率管的.另外,由于大功率的功放机均具较高的增益,所以电源的去藕电路就非常重要,否则很容易产生交流声干扰.一般的功放机均要两级以上的LC滤波电路,且滤波电容的接地点的选取均有讲究.最后就是电源变压器了,现在的功放机其总体效率大概在50%--60%左右,所以所选择的电源变压器的功率的选取应为: 扩音机的最大不失真功率/0.5 例如:一台最大不失真功率为100瓦的功放机其电源变压器的功率应是100/0.5=200瓦.另外为了减少电源内阻和漏感对放大器的干扰,在电源变压器的设计上应尽量减少每伏匝数和选用高磁通率的铁芯.环牛(环形铁芯变压器)就是一种性能较好的变压器.
   在这里我还要提一提的是功放机的一个非常重要的参数---动态范围.我们知道现在高档的数字化音源如CD机,DVD机由于采取了高比特率的数字量化,其输出的音源的动态范围达90db以上较传统录音机（40--70db)大.所以,功放机如果没有足够的动态范围与之相配就很容易产生切峰失真（削波效应）,在切峰失真的信号波形中包含了极丰富的功率能量很大的高次谐波成份,它们加入到音箱中,其能量就极可能超过扬声器的承受功率而令其烧坏。所以在功率放大电路中，为了防止放大器进入削波状态，在电路上都加入了负反馈电路。负反馈电路虽然有效地防止了削波的产生，但它也使信号产生线性失真（幅度失真）和非线性失真（相移引起）。半导体器件制造在今天已经有了很大的进步，大动态范围的半导体器件已经问世，在此前提下，人们提出了无负反馈功率放大器的概念，由于不存在负反馈，放大器的保真度将进一步得到了较大的提高。
    现在来谈一谈胆机（电子管机）以其音质柔和悦耳而受众多音响爱好者的追捧。它与晶体管不同之处有下面几方面：1、晶体管的电路结构比电子管复杂；2、晶体管的集电极电流基本上不受集-射电压Vce的影响，而电子管的阳极电流和阳极电压基本上符合欧母定律；3、晶体管易受温度的影响，而温度对电子管影响较少；4、晶体管工作在低电压大电流状态，因此对电源的要求高；而电子管工作在高电压小电流状态对电源的要求相对比较低；5、晶体管是电流控制器件，输入输出阻抗低，而电子管是电压控制器件，输入输出阻抗高，因此电子管功放都必须要有一个输出变压器与负载匹配。由于输出变压器的电磁惯性和传输频带（特别是高频段）变窄的原因，音频信号被柔化了，听起来音质柔和（其实这并不是高保真）；6、电子管的过载能力比晶体管强，所以动态范围相对比晶体管高，因而声音听起来比较悦耳。