数字化虚拟环绕声音频产品设计方案

   摘 要 介绍虚拟环绕声及其在音视频产品中的设计方案。

   关键词 虚拟环绕声（VSS） 数字化控制 设计方案

1 引言

    随着AV技术的发展，环绕声已广泛应用在音视频技术中的各个领域。

近两年来，VCD影碟机以极快的速度进入了人们的生活，随着彩电和VCD机的广泛普及，人们在家中欣赏高品质画面的同时，也希望能获得使人产生临场感和空间感的环绕声场，因此家庭影院系统已成为新的消费热点。要配置一套家庭影院系统需要一台大屏幕彩电，带环绕声处理器和较大功率的AV功放，并至少有5只或6只音箱。然而，通过五、六只音箱来表现声像定位和营造环绕声效果，不仅对室内声学特性、音箱摆位和声音调校的要求较高，而且五、六只音箱占用空间大，投资份额也占到家庭影院系统的一半左右；这样大的投资和系统复杂的结构以及对居住面积的要求，很难令广大消费者接受。所以从1996年以来，出现了利用双音箱音响系统来产生虚拟环绕声的虚拟环绕声技术。这样不仅系统组成简单、价格便宜和使用方便，而且聆听效果也很不错，用它来营造影院系统必将为广大消费者所接受。
   虚拟环绕声主要原理是基于人的“双耳效应”原理和“耳廓效应”原理。它是一种利用人类头部声音传递函数HRTF的信号处理技术，它仅使用两只音箱就能实现以往要用5只音箱才能产生的符合Dolby^TM公司的Dolby^TM Pro-Logic或Dolby^TM Digital（AC-3）环绕声场。
   虚拟环绕声技术本质上就是可播放Dolby^TM环绕声的虚拟扬声器技术。虚拟扬声器技术可将各个音源精确定位在三维空间的任意位置，或按给定的运动轨迹将音源从某一位置移动到另一位置，解决了当代音响技术中对三维空间声场进行重现和定位的难题，因此虚拟扬声器技术是现代音响的重大突破。虚拟环绕声技术是传统立体声技术的自然延伸。它能够以较低的价格使普通双声道系统营造多声道的虚拟环绕声场。因此虚拟环绕声技术可以用于现有的各种视听产品，如大屏幕彩电、HDTV、录像机、LD、CD、VCD、DVD、Hi-Fi功放、组合音响、有源音箱、游戏机和多媒体计算机等。
   很多文章对虚拟环绕声的原理及现状都有详细的介绍，本文不再重复。本文介绍武汉力源电子股份有限公司的数字化控制的虚拟环绕声音频产品设计方案。

   力源公司音频产品设计方案的虚拟环绕声芯片为Qsound和P&S共同开发的大规模集成电路PS8888和PS9999，芯片采用加拿大Qsound公司最新虚拟算法。Qsound公司的Qsurround虚拟系统是根据大量听音测试通过实验得出的系统。用信号进行几百次不同音箱试听，记录其声音的虚拟数据，最后用这些数据设计出Qsurround系统，用它来进行音箱的虚拟定位，从而维持原有的保真度。它对前方声道和环绕声道信号均作了虚拟处理。在目前现有的虚拟环绕声的方案中，Qsurround是“空间感和包围感最好的系统，声音定位相当精确，有很强的临场感”。
   PS9999芯片是具有Dolby^TM Por-Logic解码功能的虚拟环绕声处理芯片，输入信号被解码后再进行虚拟处理，最后由两声道输出虚拟环绕声信号。对于输入的立体声信号可进行虚拟3D效果处理。它还带有直通功能。此芯片非常适用于VCD、CD、录象机、大屏幕彩电、有源音箱、多媒体音箱和AV功放等音视频的产品中。
   PS8888是功能强大的虚拟环绕声处理芯片。内置16种处理模式（见表1）。PS8888主要针对DVD视盘机，DVD视盘机输出Dolby^TM环绕四声道（Dolby Pro-Logic）或5.1声道（Dolby Digital）信号经PS8888对进行虚拟处理后可通过2、3、4、5、5.1声道输出，并且具有直通和效果增强两种模式输出。因为数字电视伴音信号、DVD盘片音频信号等均采用Dolby Digital（AC-3）作为伴音信号模式，故PS8888将是今后虚拟环绕声音视频产品的最佳选择。
   在很多音频产品中，音源切换、音量、音调、平衡的调节等均采用模拟器件来实现。在我们的方案中这些功能全部采用数字化控制。P&S推出的高集成度、多功能芯片PS8889，一片芯片就可以完成上述功能的数字化调节控制；调节方便准确，采用过零检测技术，实现“零”噪声音源切换。
   方案中的所有功能均采用红外遥控操作，单片机软件解码，有效地降低成本。

表1

续表1

   对于大屏幕彩电、VCD、超级VCD、LD、DVD、有源音箱、多媒体音箱及各种AV功放等音视频产品，P&S均有产品设计方案及演示板。下面介绍几种虚拟环绕声有源音箱和AV功放的设计方案。

  （1）有源音箱设计方案一

   如图1，本方案采用PS8889作为四组音源输入的切换和输出信号的音量、音调、平衡等的控制，信号经PS9999处理，可对Dolby Pro-Logic信号解码并虚拟输出和对立体声信号进行3D处理输出。系统由单片机控制，可由红外遥控或按键调节。适用于两只音箱系统的有源音源或多媒体音箱方案。整套方案电路简单，成本低，性能好。

   如图2，在有源音箱方案一的基础上，增加超重低音输出和卡拉OK功能。超重低音主要用来渲染环境气氛，充实丰满的重低音，对增强家庭影院的临场效果起重要作用。此方案既可适用于一般家庭，也可适用于多媒体系统。在计算机上玩3D游戏或播放VCD、DVD时可通过这套系统得到更逼真、音响效果更好的听觉感受。

  （1）AV功放设计方案一

   图3方案是针对VCD和超级VCD视盘机的一款AV功放，具有Dolby Pro-Logic的解码并虚拟输出。只需两只音箱就可播放Dolby^TM环绕声效果。此方案与带Dolby Pro-Logic解码的AV功放相比具有很高的性价比。用其组成的家庭影院聆听效果很好，而且大大地降低整套家庭影院的投资，更易为广大消费者接受。

   图4方案主要是针对DVD视盘机。用户既可以使用两只音箱输出AC-3的5.1声道环绕声效果，又可以接成3或4声道输出，这时的输出信号均经过虚拟处理。如果用户想接成5.1声道输出，此方案可提供5.1声道的直通方式和效果增强型的5.1声道输出。

4 设计方案优点

  （1）设计方案组成简单，性价比高
   高集成度实现全数字化虚拟环绕声前置处理器，整个系统仅需4至7片集成电路，PS8889单芯片完成四路双声道音源切换、音量、音调、平衡、响度的数字化控制。每个方案都具有较低的总谐波失真和较高的信噪比。
  （2）设计方案技术含量高
   采用硬件过零检测技术，所有功能调节实现“零”噪声。虚拟环绕声技术采用加拿大Qsound公司的最新虚拟环绕声算法。无任何机械电位器，完全实现数字化控制和红外遥控操作。
   （3）采用硬件“看门狗”技术，设计方案具有较强的抗干扰性能。