SRS虚拟环绕声处理及功放系统设计.docx

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SRS虚拟环绕声处理及功放系统设计

摘要

随着现代视听技术的发展，出现了各类各样的影音系统。

在我国，视听设备、行业在近些年得到了飞速发展，大众化的产品从无到有，产品的价格和成本大幅度地下降。

家庭影院日益普及，丰富了广大人民群众的文化生活，提高了生活质量。

传统的立体声系统大多是双声道的，只能保持声音的部分空间分布特性，为听众提供二维的平面分辨能力，无法再现三维的空间音响效果。

尽管多声道环绕声的出现有效地解决了这一问题，但这种系统需要特制的节目源，对重放设备和听音环境的要求严格，使它的应用受到了限制旷有鉴于此，人们提出了虚拟环绕声的理论，并围绕它进行了多方面的研究。

，对两声道虚拟环绕声系统的研究是本文的目的所在。

在文中，我们首先介绍了声像定位理论，分析了优先效应、耳廓效应、ITD、I／D、头部相关传递函数、反射与混响等因素对听觉定位的影响，跟着对用两只音箱虚拟空间声源的技术进行了理论分析和推导，对音箱的串音消除技术作了比较深入的探讨。

我们也比较了不同类型的虚拟环绕声系统，将重点放在了对SRS--3D技术的研究上。

通过对SRS--3D系统原理和结构的分析，提出了一种设计该系统的关键部分——频率补偿网络的方法。

为了确认所提方法的可行性，我们通过计算机用MATLAB作了模拟实验，得到了比较理想的听觉效果。

而且我们用SRS音频处理芯片设计了具体的电路，与计算机模拟的结果进行了对比分析，证明了我们所提方法的实用性。

虚拟环绕声系统通过对人的听觉心理特性的模拟，利用一对音箱就能在普通音源的重放中实现三维环绕声。

这类系统结构简单，也能达到一定的听觉效果，在居室较为狭小的家庭或不宜采用多通路系统的场合（如多媒体计算机）具有相当广泛的应用前景。

关键词：

虚拟环绕声头部相关传递函数声音恢复系统串音消除混响

Abstract

VariouskindsofAVsystemscameoutwiththedevelopmentofmodernvideoandaudiotechnologies．Havinggainedagreatimprovementduringtherecentyearsinourcounty,AVindustrysuppliedmanypopularcommodities．ThepriceandcostofAVequipmentsdecreasedgreatlyandAVsystemsenteredgeneralfamliesrapidly,whichenrichedpeople’Sculturemovementsandimprovedtheirlifequalities．Traditionalstereosystemsgenerallyhaveonlytwochannels，asaresulttheycanrepresentthespatialdistributionofsoundfieldpartly,andreproducea2Dratherthan3Dhearingeffect．Multi-channelsurroundsoundsystemscomeabouttosolvethisproblem,butthiskindofsystemrequiresthesoundsourceprogramtobetreatedspecially,alsoithassevererestrictstohardwareandcircumstance，alloftheserestrainitsapplication．Inviewofthissituation，peoplebringaboutthetheoryofVirtualSurroundSound（VSS）andcarryaboutmanyresearches.

Itisjustthepurposeofthisthesistoexplorethedual—channelvirtualsurroundsoundsystems．Thethesisfirstintroduceshumansoundlocationtheory,analyzingthecuesofPrecedenceEffect，PinnaEffect，1TD，IID，HeadRelatedTransferFunction，reflectionandreverberation．Thenwecarriedaboutresearchonthetechnologyofvirtualizingsoundsourceusingtwoloudspeakers，anyexploredthecrosstalkcancelationtechnologydeeply．AftercomparingdifferentkindsofVSSsystems，weplacedouremphasisontheaspectofSRS--3Dtechnology．ThroughanalysisonSRSsystem’Sprincipleandconfugration，weputforwardamethodofdesigningthepivotalfilter（PerspectiveNetwork）．Toconfirmthefeasibilityofthismethod，wemadesomeexperimentsoncomputerusingMATLABandgotrathersatisfyingeffects，AlsowedesignedapracticalcircuitusingSRSaudioprocessIC，comparedtheresultswithcomputersimulationandtestifiedourmethod’Spracticability．

Throughsimulationtohumans’spatialhearingcharacteristics，VSSsystemCanreproducenormalsoundsource’S3Dsurroundeffectusingapairofloudspeakers．Thiskindofsystemhassimpleconfigurationandcanproducequitelifelikesense，soitmaybehaveanextensiveapplicationinsmallroomfamiliesorcircumstancesnotsuitformulti-channelsurroundsystems（suchasmultimediaPC）．

Keywords：

VirtualSurroundSoundHeadRelatedTransferFunction

SoundRetrievalSystemCrosstalkCancelationReverberation

摘要I

AbstractII

目录IV

第一章绪论1

1．1引言1

1．2环绕声技术的发展1

1．2．1杜比专业逻辑环绕声系统3

1．2．2杜比数字环绕声系统4

1．2．3DSP环绕声系统4

1．2．4两通路虚拟环绕声系统5

1．3虚拟环绕声系统的简介6

1．4本文的主要内容7

第二章两通道虚拟环绕声系统的原理及数学模型8

2．1声像定位理论8

2．1．1优先效应和耳廓效应8

2．1．2ITD和IID10

2．1．3头部相关传递函数（HRTF）13

2．1．4反射与混晌16

2．2虚拟环绕声系统的分类21

2．2．1听觉传输立体声系统21

2．2．23D准虚拟环绕声系统22

2．2．3多通路环绕声的虚拟重发23

2．3虚拟处理技术23

2．3．1原理分析24

2．3．2方案设计26

2．4本章小结31

第三章SRS-3D技术原理及其推导32

3．1SRS系统的提出32

3．2SRS技术的基本原理34

3．3SRS系统的组成方框图35

3．4SRS系统滤波器的计算36

第四章虚拟环绕声功放电路的设计与制作40

电路的组成结构40

虚拟环绕声处理器41

电路构成41

电路分析42

元件清单、制作与使用要点44

音调控制电路47

电路的构成47

电路总体分析48

元件清单、制作与使用要点49

LM1875功放51

电路结构51

电路总体分析51

元件清单、制造与使用要点53

结束语54

参考文献56

致谢57

附录一：

整机电路图58

第一章绪论

1．1引言

人类对声音的听觉中，不但能感觉出音强、音调和音色，而且还能感觉出声源的方向和距离，这表明人耳具有“声学透视”的特性。

这种“声学透视”的特性使人们在听音时具有空间印象感，即立体感。

立体声的目的就是为了真实地再现原声场的声音及其空间信息，使人们在聆听时有“身临其境”的听觉感受。

在立体声的发展历史上，早期提出的有假头型、波阵面型和声级差型三种不同类型（原理）的立体声系统。

其中声级差型双通路立体声系统自二十世纪五十年代末开始被广泛应用于广播、电视和家用音响等方面。

它利用人类的听觉错觉，通过改变两扬声器的声级差，从而能在聆听者前方产生一定角度范围的声音方向信息⋯。

随着立体声理论与技术的发展，人们不再满足于双通道立体声系统仅能再现出聆听者前方一定角度范围的声像分布，而对重。

放的真实感、临场感提出了更高的要求。

为了进一步提高声音的重发效果，就有必要发展一种能够再现环绕聆听者的声音空间信息的环绕声系统。

1．2环绕声技术的发展

国际上从二十世纪七十年代开始研究和发展多通路环绕立体声系统。

环绕声首先是在电影院里获得了相当的成功，这种成功诱发了人们将其“移植”到家庭的念头。

但当时用于家庭的记录媒体主要是立体声唱片，它是利用纵向（垂直）刻纹和横向（水平）刻纹分别记录左、右声道信息的（美国、英国的标准是45。

／45。

制式），无法记录超过两声道的信息。

因此，如何存储节目源成为环绕声进入家庭的“瓶颈”。

直到在信号处理中采用了矩阵重组技术⋯，将多声道的信息进行不同相位调制混合成两声道，这个问题才得到解决。

在此基础上

最早发展起来的是四通路立体声系统，采用矩阵编码把4路信息编码后记录到2路声迹上。

重放时经解码恢复为4路信号，这样不但减少存储和传输的复杂性，而且可与双通路立体声系统兼容。

但’恢复的4路信号与原来不一样，有漏音和串音，使聆听者分不出哪个声音来自哪条通路。

较好的矩阵系统能够产生没有串扰的4路信息的声像，但要求处理几个同时出现的声像时就无能为力了。

实际上四通路立体声的失败是由于没有以心理声学为基础，编码和解码缺乏合理性。

四通路立体声只是把两通路系统简单地扩充，放在后边的扬声器对产生包围感和空间感也不是最好的，可能放在侧向反而更好些。

音乐中来自后方的声音很少，但对空间形象是需要的。

统计表明，喜欢环绕音箱放在两侧的听众比放在后边大约多2-4倍。

应该注意到，四通路立体声系统虽然失败了，但是保留下两大技术发明：

多通路技术和矩阵编码。

杜比实验室把降噪技术和四通路立体声结合起来，创造出四通路杜比系统用于电影放声。

左、中、右三路在前方，单一的环绕通路用听众边上和后面的一组音箱来重放，如图l一1所示。

所有信息编码在2路宽频带声迹上，并发明了编码矩阵和有源解码矩阵。

在家庭影院中采用了杜比环绕声，环绕声音箱减少到两只，放在后方左右两侧，以便为多数用户接受并保证最有效地形成空间感和环绕感。

环绕通路内加一定的延时，使时间上与前方音箱的声音分开。

这时，屏幕中间是定位良好的对白，音乐和声音效果横跨前方并存在于环绕通路中。

混响信息和另一些环境声放在环绕通路，可人为地制造一些从头顶掠过的声音效果。

特别是一个固定的提供对白的中央通路，使听众区展宽，同时环绕通路增强了音乐和音响效果的气氛。

杜比环绕声系统的音箱布置采用l／3方式，即在前方设L、R、c三条通路的音箱用以模拟聆听者前方声源的直达声、前方的早期反射声以及前方的混响信息。

在聆听者后方侧面设置并联在环绕通路的两只音箱，用以携带模拟聆听者左、右和后方的早期反射声和混响声信息，也可以携带画面以外的效果信息，并且在环绕声通路中插入延时电路和降噪电路，利用优先效应（PrecedenceEffect）使环绕声信号不干扰前方声像定位。

1．2．1杜比专业逻辑环绕声系统

杜比专业逻辑环绕声系统（DolbyPro-LogicSurround）是在杜比环绕声基础上改进而成的，它在解码时固定矩阵用自适应矩阵来替代（也称方向强调矩阵），可将各重发通路之间的分离度提高。

在杜比环绕声中，矩阵编码把传递空间信息的独立信号收并为两个，所需的传输信号较少。

因此编码过程中使原声场的空间信息受到损失，解码时只有牺牲后方声像的明晰度来确保前方的明晰度。

在杜比专业逻辑环绕声系统中，方向强调电路可在音箱方向上产生一个明晰的声像，这是它最突出的优点，但是对于非音箱方向上的声像却难以奏效，这样限制了重放时声像的分布。

并且方向强调电路在同一时刻内只能对一个方向、最多是对角线上的两个相对方向起作用，不能同时对多个方向起作用。

所以杜比专业逻辑环绕声系统对在同一时刻内只有单一声源发声的情况，如影视中的对话、一些特殊效果等，结合视觉和听觉的心理特性可以取得较好效果，但是对于同时有多个声源发声的情况，例如大型管弦乐，方向强调电路的作用就不大。

当这种系统的环绕声效果出现在听音室内时，即使在狭小的房间内也能够让聆听者感觉到空问变大，犹如置身于宽广的空间里。

中央通路和前置的一对音箱形成声像定位很精确的前方声场时，若视觉与听觉配合时可以产生非常自然的戏剧性效果，使聆听者感受到剧中人物的言行举止更逼真，且有立体感，能表现出飞跃头项的音响效果。

但是由于环绕通路为单通路，因此无法表现后方不同定位感的微妙变化。

此外，在杜比编码过程中，4个声道所携带的声源直达声、早期反射声和混响信息已经全部包含在2声道信号中，如果用双通路立体声系统重放这样的信号会处在音箱半张角为45。

的位置时，原来在环绕通路内聆听者左、右、后方的早期反射声和混响声很真实地出现在两只音箱以外至聆听者左、右±90。

范围的角度内，具有界外立体声效果。

1．2．2杜比数字环绕声系统

为了解决编解码引起的失真采用了3／1方式4—4—4系统，即杜比AC一3数字环绕声系统，它具有完全分离的5．1通路的独立传输通路，即L、C、R、SL、SR通路，主通路的频率响应均为宽频带（120～20000Hz），另外再加一条超低音通路，其带宽为3～120Hz，故称为5．1通路。

它的中央定位更精确，两条后置环绕声通路具有宽带响应，其声学效果更为自然、真实。

杜比AC一3系统采用感觉编码运算来进行数据压缩，删除无法听闻部分并利用听觉掩蔽效应大幅度减少所需比特数从而实现了实用化，Ac一3系统虽然具有六通路，但其传输率却只有320kb／s。

此外，AC一3系统的环绕声通路实现了立体声化，加上前方三条通路使声像定位和声场再现非常好，在欣赏影视节目时临场感会更强烈。

在AC--3编码系统中，5．1通路没有耗损，消除了通路间串扰，由于采用了先进编码系统极大地提高了动态范围和展宽了频率范围，保证了重发时的低失真。

根据有关文献，通过改变5通路3／2方式系统现有的对信号馈给方法，可以使它能够重发较稳定的侧向声像并且听音区也有所扩大，从而使系统不但能适用于伴随图像声音重发，也可用于不伴随图像的纯音乐重发。

1．2．3DSP环绕声系统

利用人工混响技术可以在家庭听音环境下模拟音乐厅、剧场、电影院等的音效。

由于它是通过电子电路调整听音室的声学特性，因此可模拟的音响效果类型很多，并且调节迅速方便。

DSP环绕声系统采用在数字混响器技术上发展起来的数字声场处理器（DigitalSoundPD3cessor），目前一些AV放大器内部都有设置声场重现的各种模式，或在存储器内记忆环绕声模式、延迟时间和混响特性，后方通路电平、中央通路电平和中央通路模式和平衡等。

如果不使用记忆模式则可以切换为标准模式。

数字声场处理器可提供数十种不同类型声场和环绕声效果。

延迟时间可在较大的范围内选择，有多种中心模式控制，有些还有均衡网络配合以达到最佳效果。

家庭影院可以采用日本YAMAHA公司CinemaDSP环绕声系统，由杜比专业逻辑解码器和声场面处理器组成。

杜比ProLogic系统可使人们在家中欣赏电影所录制的音响效果，而DSP所模拟的是固定的特殊空间，它们是完全不同的。

但是两种效果可以混合在一起形成与电影音响效果结合的空间效果。

例如，当你在电影院内看电影时，除ProLogic环绕声系统营造出来的声音空间外，电影院本身的环境也会影响电影反映的音响效果。

人们听到的声音是混合着两种效果的声音。

然而在家中只使用杜比ProLogic系统或者CinemaDSP系统就只能享受电影音响效果或模拟电影院声学空间效果。

把两种效果叠加在一起，就可以完整地呈现出在特定电影院内看杜比制式电影的临场效果。

CinemaDSP系统除了设有构成杜比ProLogic系统重放的L、c、R、S×2共5条通路以外，还增加了两条通路的前方声音输出，即总共7条通路输出，使家庭影院的音响效果非常良好。

这种技术的要点是以原输入信号为基础，经杜比ProLogic解码器和CinemaDSP处理，根据选择的DSP程序形成7条通路信号以重现一个三维空间声场，将聆听者团团围住。

采用CinemaDSP系统重放时的最显著特点是声像定位十分准确，声场分布连续而平滑，并且受音量的影响较小”。

1．2．4两通路虚拟环绕声系统

双通路立体声系统只能重现有限的前方声场，难以满足对原声场的重现和获得临场感。

但是人们用两只耳朵却能听到三维声音。

虚拟环绕声技术根据生理声学和心理声学研究成果解决了这个问题。

它主要采用两类方法：

（1）采用双耳效应和耳廓效应对音频信号进行处理，并采用滤波技术消除音箱重放时的交叉声音，因此只使用两只音箱就可以再现三维环绕声场；

（2）根据头部相关传递函数（HRTF）设计的滤波器对双通路立体声节目进行处理，利用耳廓效应补偿传声器频率响应与人类听觉系统的差异，最后通过双通路立体声系统重放三维环绕声场。

已经提出的有3D系统、SRS系统、Spacilizer系统和Qxpander系统等。

这种情况一方面反映各人对听觉心理的不同理解，另一方面也受专利权的影响。

这类系统只需两个通路就能实现环绕声的效果，设备简单，成本低，效果好，具有非常好的应用前景，因此成为目前音频技术领域的研究热点之一。

1．3虚拟环绕声系统的简介

两通路虚拟环绕声系统采用3DAudio技术，它产生三维声场的方法与多通路系统完全不同。

多通路系统是通过增加声源的数量来改变客观的物理声场以产生空间感，而3DAudio技术是基于人的主观听觉特性，恢复声音记录时丢失的听觉系统用于空间定位的信息，在放声时重现三维声场。

已经提出的3DAudio技术有三类：

（1）在录制节目时采用特殊录音方法记录下来的信号仍为两路，但保持原有空间定位信息不致丢失，只需使用普通双通路立体声设备重放就可获得三维空间效果，缺点是无法利用现有的立体声节目源；

（2）利用现有节目源，将双通路立体声信号送入3DAudio处理器，通过特殊算法恢复已经丢失的空间信息，然后混入常规节目进行播放；（3）把3DAudio处理过程从录制端移到用户端，这时每个用户需要加装一个3DAudio处理器，但节目源是普通双通路录音节目源。

在播放时由3DAudio处理器对双通路立体声节目源进行实时处理，产生三维空间效果。

显然两通路虚拟环绕声系统是多通路环绕声系统的一个补充，是为了用现有双通路立体声设备产生环绕声效果，虽然它与多通路环绕立体声效果仍有一定差距，但随着信号处理技术的发展会不断提高环绕立体声效果。

虚拟环绕声系统有一些特点，例如：

（1）环绕感强，动态范围大，使节目的音乐和音响效果充满欣赏环境，有良好的空间感和临场感；

（2）声场开阔，环绕声效果与听音位置无关；（3）定位感稍差，虽然对一般影视对白能够定位在屏幕前，但准确性稍差，且中央通路的音量无法调节，L和R通路的声像基本上分布前方，但较为散乱；（4）在一定程度上可改善节目源的信噪比，并且多种虚拟环绕声除了共性外，还有其独特个性。

本文的目的就是对两通路虚拟环绕声系统进行研究并探讨其在实际中的应用。

相对于多通路环绕立体声，虚拟环绕声由于只有两个通路，因此可以减少重放音箱数目，节省设各成本。

另一方面对于家庭居室空间较小而又希望享受“家庭影院”的用户来说，在相对狭小的空间放置5到6只音箱是不可忍受的，并且得到的效果也不见得好，虚拟环绕声系统使他们的“家庭影院”的实现成为可能。

并且，随着个人多媒体电脑越来越多地进入家庭，越来越多的用户以及3D游戏爱好者希望能在电脑上欣赏到多通路环绕声的效果。

但在相对狭小的工作台上放置那么多音箱显然是不现实的，作为一种既能减少重放设备，又能产生三维空间效果的系统，性价比极高的两通路虚拟环绕声系统具有相当广泛的应用范围。

1．4本文的主要内容

本文主要包括以下内容：

第一章是绪论部分，回顾了环绕声的历史及其发展，并简要介绍了虚拟环绕声系统，使读者了解到音频信号处理领域的现状及本文的研究方向。

第二章首先介绍了两通道虚拟环绕声系统赖以存在的声像定位理论基础，包括优先效应和耳廓效应、1TD、liD、头部相关传递函数HRTF、反射与混响等。

然后介绍了虚拟环绕声系统的分类，分析了其优缺点。

最后对虚拟处理技术进行了分析和探讨。

第三章推出了本文研究的重点——SRS一3D系统，介绍了SRS技术的原理及结构，并在第二章的虚拟技术的基础上提出了一种设计SRS系统滤波器的方法。

第四章做了虚拟环绕声功放电路的设计，以实际设计对前三章进行总结。

最后以一篇总结作为全文的结束。

第二章两通道虚拟环绕声系统的原理及数学模型

近年来，随着高密度记录媒体（如DVD光盘）、HDTV、家庭影院、多媒体计算机等的发展，环绕声技术得到较大的发展，并得到日益广泛的应用。

在发展的过程中，国际上逐渐形成了两个平行的发展方向——多通路环绕声技术和虚拟环绕声技术。

它们各自基于不同的声学原理，各自有不同的优缺点和适用范围，并且近年来也出现了两种技术相互结合应用的趋势。

2．1声像定位理论

虚拟环绕声由于只需两个独立的重发通路（扬声器），硬件上较为简单，因而在家庭影院与多媒体计算机方面得到广泛的应用。

虚拟环绕声的基础是听觉传输技术，通过头部相关传递函数（也就是声源到双耳的传输函数）来实现声场空间信息的传输、重发或模拟。

下面简单介绍一下其原理：

我们知道声源或媒体的变化都会使得在接收者脑中感知到的声像发生相应的改变，但怎样才能描述这种改变呢声像的产生有人脑工作的影响，所以它不象人体的血压、心跳等物理特征可以用仪器直接测量到，也不能再用普通物理声学的原理来解释，为此我们引入了“心理声学”的概念。

心理声学研究的内容包括人脑对各种不同声音激励的响应，以及激励特征与响应特征之间的关系。

心理声学的基本要素是到达人耳的声音频率、强度和谱结构。

以下将进一步讨论基于心理声学的声源定位和环境模拟特