家庭影院音响系统及环绕声技术

1、家庭影院的形成及普及随着居民收入的提高，VCD的普及，消费者获得了较好的廉价的视频及音频信号源，这时消费者因为对电视机本身的音响不满意，为了获得更好的听觉效果，能够把“电影院”搬回家中，就对家庭影院有了大规模的需求。

家庭影院是利用家庭现有的房间作为视听室，从而获得在电影院中才能享受到的声响效果，考虑到电影院的空间比家庭大得多，而且经过了专门的设计及装修，它的效果是家庭中的视听室所不能比的，为了获得影院中的震撼性效果，只能在AV功放中做文章，也就是需要下面提到的环绕声技术。提到家庭影院，还应与家庭HI-FI系统比较一下，HI-FI系统采用两声道录放，讲究音乐的解析力和保真度，要求能真实的还原音乐，再通过室内的混响获得临场感，AV系统常使用多声道回放，更讲究临场感与真实感，能够与画面配合，对于保真度的要求要综合价格来考虑。

2、家庭影院的组成一般来说，一套家庭影院需要3个部分：信号源、功放及终端。信号源现在主要为VCD或超级VCD，将来应该主要是DVD，其它如LD等在中国没有太大市场。终端包括电视机和音箱，电视机非本文讨论范围，音箱本身要求回放质量要好，而且对于不同的制式有不同的摆放方式，如前二、前二后二、前三后二等方式。功放对于家庭影院很重要，一般用专门的AV功放，AV功放主要由信号源选择器、信号处理前置放大器和后级功率放大器组成，可以切换信号源，如在VCD、LD、VCR之间切换；对信号处理，如杜比解码、虚拟环绕、DSP等处理，调节音调音量；最后通过功率放大器驱动多个音箱。家庭影院大致由以上三部分组成，对于线材，听音室，绝大多数消费者的几千元一套的的家庭影院，没必要太讲究。通常家庭影院系统如图1示，在目前，大多数家庭影院只是由VCD AV功放音箱电视机组成。

3、家庭影院的环绕声系统家庭影院系统的核心是环绕声系统。有了环绕声系统，才能在家庭中达到影院中的效果。环绕声系统是多声道回放系统，由于历史的原因，信号的传送介质大多是双声道的，为了兼容这些系统，多声道的环绕声只能使用编码的方式，把多声道的信号编码为两个声迹的信号，录入介质传送，回放时再进行解码，还原为多声道，也有采用多声道记录传送的（例如AC-3标准的5.1信号），但由于成本的原因，目前应用不是很广泛。

提到环绕声就不能不提到美国杜比（Dolby）实验室，由该实验室开发的杜比环绕声（DOBLY SURROUND）系统使用的最为广泛，据该实验室称，目前大约有3100万套杜比环绕声系统用于家庭影院。

杜比实验室现有三代环绕声系统用于家庭影院系统，分别为采用杜比基本解码器的环绕声系统、采用杜比定向逻辑解码器的环绕声系统和杜比AC-3系统。

3.1杜比基本解码器Dolby实验室参考了Peter Scheiber设计的SQ制式，设计出杜比环绕声系统，它采用固定矩阵解码的4-2-4方式，即拾取4个声道：左（L）、右（R）、中置（C）和后置环绕（S），编码为两个声迹LT、RT，其中LT=L 0.7C 0.7jS，LR=R 0.7C-0.7jS，回放时再解码为四声道。解码方式如图2，其中中置声道以相同的相位和电平同时输入L和R音箱。

杜比环绕系统输出的各声道之间的还原度和分离度均不理想，环绕与前置之间只有3dB的分离度，串音无法消除，声响定位也较差，所以杜比实验室又开发出杜比定向逻辑系统。3.2杜比定向逻辑（DOBLY SURROUND PRO-LOGIC）解码器。
　　

杜比定向逻辑解码器将杜比基本解码器的固定矩阵解码改为自适应矩阵解码，采用前三后二的音箱摆放方式，有了独立的中置音箱，加上其他方面的改进，把分离度提高到了25～30dB，解决了杜比环绕声系统的一些问题，目前杜比定向逻辑解码器应用得最为广泛。杜比定向逻辑解码方式如图3。
　　

杜比定向逻辑系统的工作方式如图4。当杜比定向逻辑系统缺少中置音箱时，它能以一种幻象（Phantom）模式工作，缺少后置音箱时，它能只提供叁前（左中右）信号，这就叫Dolby3 Stereo模式了，这样给杜比定向逻辑系统带来了一定的灵活性。但由于杜比定向逻辑系统仍然是一种4-2-4的模拟环绕声系统，它的左右两路後置音箱其实是重播同一单声道环绕声信号，而且只有7kHz以下的信号，再加上在解码过程中会损失一些真实的信号，使得声场的再现不够自然。针对杜比定向逻辑系统的以上缺陷，杜比实验室又开发了杜比AC-3系统。

3.3杜比AC-3（DOLBY AC-3）系统杜比AC-3系统也称杜比数字（DOLBY DIGITAL）系统，是一种音频感觉编码系统（AUDIO-PERCE PTURAL CODING SYS-TEM），它根据人耳的听觉特性，把各个声道的音频带分为很窄的音频带，通过数字方式编码，删除噪音、冗余信息或对人的听觉不起作用的信息，而且把固定的比特率动态分配，用在最需要的频带，实现了在较低的数据传输容量下，回放5.1个声道，包括左、中、右及左后、右后5个相对独立的全音频范围（3Hz～20kHz）的声道及一个独立的超重低音（3Hz～120Hz）声道。杜比数字系统解决了杜比定向逻辑系统的不足，获得了极好的环绕声效果，具有自然的声场，所以被HDTV、DVD等下一代的音响媒体选为标准的音响编码制式，前景十分乐观，有望占领最大的家庭影院市场。杜比数字系统如图5。
　　

杜比实验室研究出以上的环绕声系统后，采用许可证的方式，让集成电路厂家生产兼容的芯片，对于音响厂家，则采用认证的方式，让他们生产杜比认证产品，经过认证的音响产品可以打杜比标志，有此标记的产品一般较正规。环绕声系统其实还有许多种类，如THX、DSP、SDDS、DDSC和DTS等，效果甚至好于杜比数字系统，但是杜比实验室的环绕声系统影响力最大，使用最广泛。

4、虚拟环绕声技术在以上各种环绕声制式中，都有一个特点，就是回放时需要多个音箱，一般一个声道对应至少一个音箱，比如用杜比数字系统，起码需要5个全音频范围的音箱，再加上一个低音炮，由于价格及空间方面的原因，有的消费者，如多媒体电脑的用户，并没有足够的音箱，这时候就需要一种技术，能够把多声道的信号经过处理，在两个平行放置的音箱中回放出来，并且能够让人感觉到环绕声的效果，这就是虚拟环绕声技术。

虚拟环绕声技术主要有SRS公司的SRS TruSurround、Qsound公司的Qsurround、Aureal公司的A3D和Spatializer公司的N-2-2DVS等技术，当然还有杜比实验室的杜比虚拟环绕声技术，非杜比实验室的技术一般也获得了杜比实验室的认可，可以用于回放杜比定向逻辑和杜比数字信号。

虚拟环绕声技术比较有名的为SRS Labs、QSurround方案等，SRS（Sound Retrieval System）指的是声传播延时恢复系统格式的声音还原系统，其原理是根据头部声音传递函数HRTF（Head Related Transfer Function）来还原声音，所谓HRTF是指人的外耳和头部对声音的加工作用，使声音发生了微小的变化，而人就可以通过这种变化判别出声音的来源方向，如果把环绕声通过同样的函数处理后再通过前置音箱放出来，也能让人以为是后置的环绕音箱放出来的，这样就达到了用两个音箱回放多声道的目的。而QSurround方案则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，记录其声音的虚拟系统，最后用这些数据设计出QSurround系统，它用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，实现时只选择环绕声道；中置声道则只作了简单的混合合成，效果甚为理想。QSurround方案的框图如图6所示。

由图6中可以看出，QSound公司的方案有两种模式，一种是真实（ACTUAL）模式，对应于有多个音箱的情况，把主声道及环绕声道处理后，直接输入各自的音箱，可以改善环绕声的效果，扩大了可听位置（皇帝位），另一种是幻象（PHANTOM）模式，对应于只有两个音箱的情况，这时把中置及环绕经换算后叠加到主声道上，以实现两音箱回放多声道的功能，并使人觉得有幻象音箱在回放中央声道及环绕声道。

当前世界很多厂商不断推出不同的虚拟环绕声系统，在这里就SRS、QSound等公司（实验室）所推出的六个系统，在声音的流畅性和准确度、对话的可懂度、声像定位的精确度和空间感以及虚拟产生的副作用等方面作一比较。

（1）SRS公司的Tru Surround采用频率滤波虚拟环绕声技术，可营造极好的包围环绕环境。但最佳听音区很小，声像定位感不如其它几种，有的情况下会引起短期耳压听觉疲劳的副作用。在最佳听音区移动一个座位时，仍感觉有环绕的效应，但不如中心位置好，移动几英尺时，声音带瓮声，对白似乎只来自最近的音箱。

（2）Spatializer公司的N-2-2N-2-2的技术还未完全公开，其目标在于扩大最佳听音区、减少染色和听觉疲劳。N-2-2的包围感不如其它几种；定位感也不如有些方案；对白不如真实5声道清晰响亮，但可听懂；背音色声音自然，没有短期耳压。移动一个座位时，环绕声似乎来自主音箱平面之外，大部分时间仍只能听到普通双声道立体声；离开几英尺时，对白更是低弱无力。

（3）QSound公司的QSurround前已指出，这是根据大量听音测试通过实验得出的系统，是六种方案中空间感和包围感最好的系统。声音定位相当精确。但听了会感觉到短期耳压。与真实5声道相比，声音发重，但很悦耳。

移动一个座位，只能听到少许环绕声，移动几英尺，环绕声完全丧失，但对白仍可听懂。

（4）Harman公司的VMAX采用串音抵消法，因此在最佳听音区听音时双耳间无干扰。声音宽广，空间感和包围感好，定位非常准确。移动感不及杜比虚拟环绕声方案，但比其它四种方案好。对白也比其它方案清晰。在大音量场面中总的声特性有点刺耳。
　　移动一个座位时，临场感变成普通双声道，移动几英尺时，声音带瓮声，对白也混浊不清。

（5）Aureal公司的A3D采用计算滤波法来营造虚拟环绕声。临场感宽阔，定位效果好，声音悦耳、流畅。有时能感到短期耳压。

移动一个座位时，声音变得略带空虚，空间感也降级至普通双声道水平；移动几英尺时，对白变得轻微而模糊。

（6）杜比实验室的杜比虚拟环绕声它结合串音抵消和频率滤波对杜比环绕声和杜比数字信号进行虚拟处理。临场感宽阔而协调一致，声音和其它几种方案无多大差别。

听音位置移向一侧时，有些短期耳压，声音带瓮声，环绕声效大多集中在两只音箱之间。移位更大时，虚假特性更为明显，对白可懂度变差，空间临场感降级至单声道。

综上六种方案，二音箱虚拟环绕声的音色均匀性、临场感等方面的表现不亚于真实5音箱系统。其主要缺点是最佳听音区太小。虚拟环绕声系统是解决家庭影院投资大、占地宽的一种有效办法。因此已被许多著名厂家广泛用于电视机、多媒体电脑、DVD机和AV接收机的解码芯片中，便于用户用两只音箱欣赏5声道的音响乐趣。在中国市场上也有足够的生存空间，武汉力源电子股份有限公司使用QSound和P。

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