如何应对平板电视音频系统设计挑战

liyf

目前电视机正从采用CRT显示器的标清模拟电视机向采用LCD和等离子显示器的高清数字电视快速转变。不过，尽管画面质量有了极大提高，但仍有多种因素使得新型电视很难获得或提高CRT电视所具有的音频质量。
? 用户希望使用更薄的电视机，但机箱厚度的缩小迫使制造商使用更小的扬声器，从而降低了低频时的音频响应。
? 为了减小电视机框的大小，有时会将扬声器放在屏幕背后，声音通过很小的声学喇叭发送出来，容易引起调谐共振。
? 与CRT电视机箱相比，平板电视机的薄型机箱容易引起机械共振。
? 大多数平板电视机越来越宽，也迫使制造商将扬声器安装在电视机下方而不是两边，从而影响立体声的分离。
? 平板电视机屏幕尺寸越大，意味着电视机的位置离观众越来越远，因而也造成了立体声分离度的减小。
另一方面，消费者对电视机声音效果的期望值越来越高，这主要是由于：
? 画面质量的提高增加了对音频质量的期望值。由于越来越多的用户能够再现电影院里的那种视觉效果，因此他们也希望能感受到与电影院中一样的音频质量。
? 具有多通道数字音频(如杜比、DTS等)的DVD和数字电视节目可以提供更高质量的音频内容。数字音频处理和放大可以用来弥补平板电视机带来的这些问题，并提供高质量的音频体验。
数字音频处理除了能弥补这些问题之外，还能通过重建家庭影院系统中常见的中央声道和后置扬器感觉来提高音频质量，增强对话清晰度，并提高深夜收看电视节目在低音量时的声音质量。
数字电视中的音频通道
ATSC数字电视广播的音频与视频一起嵌入在MPEG传送数据流中。数字电视机中的MPEG解码器同时解码视频和音频(通常是杜比数字)，并提供数字音频输出(一般是I2S)和视频输出。
在简单配置中，音频信号可能只经过音量控制后就被发送到音频DAC，然后输出到放大器(图1)。在实际应用中会增加一些额外的音频处理电路来改善音频质量，并使之与视频同步(图2)。




图1：在简单配置中，音频信号可能只经过音量控制后就被发送到音频DAC，然后输出到放大器。




图2：在实际应用中增加一些额外的音频处理电路来改善音频质量，并使之与视频同步。
在从模拟电视向数字电视转变的过程中，电视机也需要能够同时处理模拟和数字音频。模拟电视信号中的音频要使用一个子载频，而模拟调谐器通常有一个需要被解调的声音中频(SIF)输出。DTV平台通常有一个用于解调来自模拟调谐器的SIF输出的模拟输入端和一个来自解码器的数字输入端，后面的解码器用于处理MPEG数据流中的视频和数字音频(图2)。
模拟电视接收电路即使在模拟广播关闭后可能还是需要的，因为要兼容VCR(录像机)、视频游戏以及所有仍输出射频调制后信号的音频/视频外设。
口型同步延时(Lip Sync Delay)
由于用于显示的视频信号处理越来越复杂，输入和显示器之间的视频延时也越来越长。这就要求电视机能延时音频信号，使之与视频信号保持同步。
共有三种方法实现口型同步延时：1)利用音频处理器中的口型同步延时存储器，2)利用与音频处理器连接的外部口型同步延时存储器，3)将音频环回到视频处理器，利用视频器的DRAM实现音频延时。在音频处理器中实现口型同步延时是最简单的方法，但它会增加音频处理器的成本，并且缺乏灵活性。
使用专门的外部存储器实现口型同步延时与集成式口型同步存储器相比成本增加得的更多，但它也很简单，并且更加灵活。使用视频处理器的DRAM是成本最低的一种方法，但它增加了系统的复杂性。
图示均衡
频率响应校正的第一步是图示均衡。图示均衡使用带通滤波器来提升或降低特定频段的增益。这是一个能让用户很好地控制频率响应的好方法，因为他们非常熟悉这种处理的接口。
图示均衡可以用来弥补由于小型扬声器、机箱谐振等引起的音频问题，但它不是最好的方法，因为频段的宽度和频率是固定的。




图3：采用参数均衡的LCD电视音频系统具有更佳的频率响应。
参数均衡
参数滤波器也可以用来调整电视放大器的响应曲线。在修正由于小型扬声器和超薄机箱等引起的不良频率响应和谐振问题方面，参数滤波器要好于图示均衡器，因为参数滤波器可以通过编程来调整总的滤波器响应、中心频率和Q。
双二阶滤波器常用于参数化均衡。数字双二阶滤波器也具有很大的灵活性，因为它有两个极点和两个零点可用来调整滤波器响应，从而形成低通、高通或带通甚至陷波器。双二阶滤波器中的极点和零点位置可以通过调整滤波器系数值来改变。
提高立体声分离度
随着数字电视机长宽比的增大，立体声分离度也应越来越大，但越来越多的电视机制造商将扬声器放在显示器下方，而不是两侧，这是为了减小电视机的总体宽度。而将扬声器放在显示器下方将减小立体声的分离度，而且还会使声音中心从显示器中心移到显示器下方。
SRS Labs、bbE Sound和QSound Labs等公司的算法可以用来增加音频声像的尺寸，提高能够感觉到的低音性能，并使两个扬声器产生中置和后置通道扬声器的效果。这些算法可以改善电视机的可感知音频质量，并产生类似于多通道家庭影院系统的聆听系统。图4表明了bbE ViVA如何能改善音频声像(bbE Sound公司)。




图4： bbE ViVA如何能改善音频声像(bbE Sound公司)
动态范围优化
小型电视扬声器很难再现数字音频轨迹中含有的全部动态范围。当你在晚上收看电视节目，想避免低声私语和战争场面之间音量的极大差异时，扩展动态范围也成为问题。为了优化当前节目的总体响度，音频处理器可以提供从宽频带到多频带等多种动态范围压缩选项。
更高的功率电平
采用大显示器的平板电视机的观看距离通常要大于CRT电视机，从而需要更大的音频功率。另外，平板电视机缺少Ab类放大器需要的散热空间。这两大因素使得数字音频放大器成为平板电视机的更好选择。
共有两种基本的数字音频放大器类型。传统的D类放大器接收模拟输入信号，利用模拟电路产生脉宽调制开关输出。传统的D类放大器非常适合具有模拟信号源的产品使用，但数字D类放大器更适合具有数字音频源的产品(如数字电视)使用。
数字D类放大器接受数字音频输入，利用数字电路产生开关输出，因此在音频处理器输出端无需再使用DAC。数字放大器具有很高的信噪比和动态范围，因为信号路径已经完全数字化。另外，如果需要额外的处理能力，还可以在放大器中集成音频处理功能。