杜比降噪系統

   杜比降噪系統是基于磁帶機應用的一種降噪電路,我們知道音頻段的高頻信噪比不良是磁帶錄放音機的先天缺陷,杜比降噪技術的核心是"加重/去加重"即先把節目的高音分量適當提高即"加重"然后錄制,于是在磁帶上,高頻的信噪比就提高了,但對于信號來說,這時是存在著頻率失真的(高頻過沖),為了補償這種失真在放音時再把高音分量適當衰減即"去加重",這樣節目中的過沖部分就平復了.在去加重的過程中高頻噪聲一同被衰減掉,所以高頻段的信噪比得而改善.
   為了進一步提高磁帶錄放機的信噪比,杜比實驗室先后提出了杜比A.B.C三種動態噪技術,這些技術是利用聽覺的"掩蔽效應"來確定加重/去加重的量值,而且不同頻段處理方法也不同.杜比A.B.C三者的頻段劃分加重的量值各不同,杜比A主要用于專業機,B.C則用于家用設備.

杜比立體聲系統

   當初的立體聲系統只由二個聲道組成,顯而而見用兩個聲道來反映一些大型的演奏音樂是完全不夠的,為此美國杜比(DOLBY)公司經過精心設計發明了一種4-2-4立體聲編碼技術(圖D是這種編碼器的原理圖),它的原理是把多聲道的立體聲節目用四個聲道即左(L)中(C)右(R)環繞(S)來表現.但是當時大多數的音頻設備都是雙聲道為主,所以為使四個聲道的立體聲節目能在雙聲道設備上使用,杜比公司通過編碼技術把四聲道合為雙聲道,在還原時只需一臺解碼器將雙聲道還原為四聲道即可.這就是所謂4-2-4編碼技術.杜比立體聲系統其主要特點是引入了一個真實的環繞聲信息(S),這是它與其他模擬環繞聲系統的區別.一般模擬環繞聲只有兩個基本聲道(L,R),它的環繞聲是通過這兩個基本聲道信號移相,加減,延時等后處理產生的是一個假信號,而杜比立體聲具有真實的空間感和方位感.一般模擬環繞聲則只能產生一種包圍感.杜比立體聲的環繞聲道(S)其實是一個單聲道信號(有些人認為它是一個雙聲道信號這是錯的),它并不存在所謂的左環繞和右環繞(AC-3除外),但人們通常為了營造一種寬廣的聲場所以采用了多個揚聲器來從現環繞聲道,其實每個揚聲器所發出的聲音是一樣的,只不過是位置不同罷了.圖D1是杜比立體聲系統的解碼器簡圖.

杜比環繞聲系統

   其結構如圖D2,由圖可知兩路輸入信號LT.RT進如解碼器后形成L'.C'.R'.S'四路其中L'.R'信號直接取自輸入信號LT和RT.輸出信號它們有如下關系:
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
   從以上四式可知,每一個輸出聲道都包含有其它路聲道的信息,這些其他聲道的信息和主聲道(如L'=L+0.7C+J0.7S,其中的0.7C+J0.7S就是其它聲道的信息)電平僅相差3DB(0.7倍)也就是說四個聲道的相鄰聲道間的分離度只有3DB,考慮到中心聲道C是以相同相位和電平分到RT和LT中的,因此可以從L'和R'來獲得正確的中間聲象定位效果.在圖D2的杜比環繞聲系統中,解碼器對LT.RT未作任何處理,讓其直通輸出而省去了中間聲道來改善前方聲道的分離效果.置于前后方向聲道的分離度則是靠解碼器對后方作一系列處理來達到,先是延時然后通過一個低通濾波器把信號帶寬限制在7KHZ以下,這一措施主要是減少高頻串音,同時防止延時電路所產生的噪聲進入后級,再后加入了改進型的杜比降噪器能提供6DB的降噪量,也就是說能使環境噪聲及串音同時減少一半.
   綜上所述,杜比環繞聲系統與杜比立體聲系統的不同之處是少用了一個中間聲道,杜比立體聲系統適用于大場面的聽音環境如影劇院等,而杜比環繞聲系統適用于小場面的聽音環境如家庭影院.

杜比定向邏輯環繞聲系統

   其結構如圖D3,這是對杜比環繞聲系統作進一步改進后的電路.定向邏輯環繞與環繞聲系統有三處不同:1.增設了一個中心聲道,從而與專業的杜比立體聲系統一致;2.采用了自適應矩陣替代杜比環繞聲中的固定矩陣電路;3.增設中心模式的控制.

杜比環繞聲系統中的固定矩陣功能單一,僅僅是為了取出S'(后環繞信號)信號而已.定向邏輯環繞系統中的自適應矩陣將執行十分復雜的功能,它能根據LT.RT中的L.C.R.S四個聲道信號強弱狀態情況從中檢出并以對數方式加強占優勢方的信號(即加強信號電平較強的聲道),但能保持音量不變,從而使優勢聲道方向上的聲象定位十分明確,這相當于提高了信號間的分離度,所以自適應矩陣電路又叫方向增強電路它使聲道間的分離度從原來的3DB提高到30DB以上.
   杜比邏輯環繞聲系統恢復了使用中心聲道,并設置了中心模式控制器,其作用是對中心聲道作出某些控制.在家庭影院中,人們可能會出于自己的愛好使用小功率的中間揚聲器或中功率揚聲器和大功率揚聲器或干趣不使用中間揚聲器的情況,另外由于一些家庭可能聽音環境較小所以不使用后環繞聲揚聲器,為了使上述各種情況下均能獲得盡可能好的環境效果,需要選擇合適的中心模式,一般有三種模式設置:
1.仿真模式:它的作用是把中心聲道的聲音平均地分配到左右聲道中去重放,顯然這一模式適用于不使用中間揚聲器的情況.
2.普通模式:它的作用是把中心聲道中對方向性基本沒有影響的100HZ以下的低頻分量平均地分配到左右揚聲器中去重放.中心聲道則重放高于100HZ的頻率分量.這是家庭影院中最常使用的模式(它適用于用小功率中心揚聲器的情況).
3.寬帶模式:在這一模式下,系統對中心聲道的聲音不作如上分配保持原樣傳輸,顯然它適用于采用較大功率的揚聲器作為中心揚聲器的情況.
另外通常還有一個"三聲道邏輯模式"它的作用是把后方環境信號送到前方聲道中去重放,顯然這一模式適合于不希望使用后方揚聲器的使用者.
   總之,杜比定向邏輯環繞系統它采用了方向性增強電路可以在揚聲器方向上產生一個清晰的聲象,對于影視片中的對話環境效果聲等單一聲源發聲的情況特別有效,結合人們視覺和聽覺的心理作用在保證前方立體聲聲場基礎上,可以獲得很好的環繞效果.

AC-3與杜比環繞聲AC-3系統
    AC-3是DVD中的音頻標準，它支持5.1聲道的環繞立體聲，即包括L（左）、R（右）、C（中）、LS（左后）、RS（右后）及一個0.1聲道的重低音，此重低音聲道頻帶較窄（3---120HZ），所以為輔助聲道，稱為0.1聲道。
    AC-3是一種數字編碼方式，是一種柔性的音頻數據壓縮技術。現在最常見的另一種使用數字編碼的節目源是CD唱片。CD唱片的數字音頻編碼方式為16bitPCM方式，采樣頻率為44.1kHz。由于這種編碼方式所產生的數據量太大，存儲和傳輸都既不方便也不經濟，有時甚至是行不通的。例如：對于電視廣播來說，數據傳輸速率越高，每套節目所需的頻寬就越大，在頻帶資源日趨緊張的今天，過寬的頻帶是不能允許的；又如：對于有形載體（激光碟、磁帶等），每種載體的記錄密度都是有限的（受當時技術發展程度的制約），增大數據量就意味著縮短節目長度。一張CD唱片的容量約為680MB，可以容納約1小時的雙聲道PCM數字音頻節目，節目容量將降為20分鐘左右，如果用來裝載未經任何壓縮的數字視頻信號，節目容量將降至數十秒，這當然是沒有任何實用價值的。因此需要開發一種新的編碼方式，它應該使用較少的數據量，而又不會導致音質的主觀聽感有明顯的下降。這種編碼方式被稱為“感知型編碼（Perceptual Coding）”，它以心理聲學原理為基礎，只記錄那些能被人的聽覺所感知的聲音信號，從而達到減少數據量而又降低音質的目的。 
    AC-3把整個音頻頻帶分割成若干個較窄的頻段，各頻段的寬度并不完全一樣，因為人類的聽覺對不同頻率的聲音具有不同的靈敏度。由于有用信號被劃分成狹窄的頻段，編碼噪聲的濾降問題就比較容易，這是因為對于每個頻段來說，該頻段以外的所有信號可以全部被濾除掉而不會損傷有用的信號。濾除了多余信號后的剩余噪聲信號頻率與有用信號的頻率非常接近，再通過掩蔽效應（一條心理聲學原理：較強的聲音信號可以掩蔽臨近頻段中較弱的信號。換言之，如果在某一頻段中出現了一個較強的信號，那么該頻段中所有低于某一門檻值的信號都將被強信號掩蔽掉，成為人耳不可聞的信號，濾除這些微弱信號將不會對音質產生不良影響。）將其濾除。可見AC-3編碼系統是一種非常有效的減噪系統。這些被分割成狹窄頻段的多路數字音頻信號最終還需被合成一路完整的全頻帶信號，但每一個頻段所占有的數據量并不是平均分配的，編碼器內部有一個“聽覺掩蔽摸塊”，可以模擬人的聽覺掩蔽效應，它能根據信號的動態特性來決定：在某一時刻數據量應如何分配給各頻段才是最合適的。頻譜密集、音量大的聲音元素應該獲得較多的數據占有量，那些由于掩蔽效應而聽不到的聲音則少占用或不占用數據量。掩蔽模塊和數據量分配技術是獲得高效率的關鍵技術，它能夠使有限的數據量攜帶更多的有效聲音信號，也就是意味著更好的音質。 

從技術角度來說，AC-3的動態范圍至少可以達到20bit的水平，頻響范圍為20Hz-20kHz±0.3dB(在3Hz及20.3kHz處為-3db)，低音效果通道的頻響范圍為3---120 Hz±0.3dB（在3Hz及121 Hz處為-3dB）。采樣頻率可為32kHz、44kHz 或48kHz，比特率是可變的，最低為32kbit/s （單聲道方式），最高為640kbit/s，典型值為384 kbit/s（5.1聲道家用數字環繞聲系統）和192 kbit/s（雙聲道立體聲系統）。由此可以看出，它能適應多種不同的需求。
    在音頻處理技術上，杜比環繞聲是人們所熟知的，杜比環繞聲系統主要有三種，一種是普通的杜比環繞聲系統，只有3個聲道（L、R、S）；一種是杜比定向邏輯環繞聲系統，有4個聲道（L、R、C、S）；一種是杜比環繞聲AC-3系統，有6個聲道。前兩種系統是以2聲道的聲音設備來處理4聲道的聲音矩陣編碼處理法，屬于模擬信號處理方式，而第三種是采用了數碼AC-3壓縮技術。

家用THX環繞聲系統
美國嚕卡斯公司在杜比定向邏輯解碼器的基礎上推出了THX(電影院高保真音響重放系統),THX的目標是使影院中重放聲正確地達到錄音棚制作時的音響效果,圖D4為一THX系統的框圖,可看出它與杜比系統的差別主要在于應用了一個稱為"THX控制中心"的單元電路,通過圖D4我們可清楚地看出它與杜比系統的關系和聯系了,THX系統使用的軟件與杜比系統相同,因而其中必然有杜比解碼器,兩者區別在于THX系統對杜比解碼后的信號作了進一步的加工處理,目的在于精確補償空間的聲學特性,校正主聲道與環繞聲道間音色上的不平衡等,從而保證杜比編碼的聲源節目能得到最忠實的重放.


數碼聲場重建系統--DSP(三維立體聲系統)
     這個系統的基本目標是要讓人在家庭條件下聽到的聲音信息與現場聽到的"一模一樣".室內聲音無非就是由直達聲和反射聲組成,然而由于它們在時間,方向和強度等方面千差萬別,在現場聽到的聲音就變得十分復雜,要重建這些聲場就必須須掌握上述聲場的定量數據.只要了解各反射聲的定量數據才能用電聲手段把它模擬出來,首先根據某音樂廳形體數據和它的各個界面材質建立相應的數學模型,然后確定好聲源位置和一定范圍的聆聽區,運用幾何聲學中的聲線法可以作出聲源在廳內的各次反射聲的路徑,便可求出通過聆聽區的反射聲的方向和強度,根據各次反射聲的時間間隔便可得到反射的時間序列,這樣便獲得原始聲場的特征數據.接下來用計算機模擬所得的數據,運用延時放大器和揚聲器陣列利用聲源中的直達聲信號通過控制各延時器的延時量來模擬各次反射聲方向和強度與各反射聲的先后從而重建一個相似的聲場.所以一些高級具DSP功能的AV功放內部就儲存有十多種不同環境的聲場數據,通過與杜比環繞系統配合營造出十多個聲場模式.注意這是所輸入的聲源信號還是模擬信號,所謂數碼的意思是指各聲場模擬數據在出廠時就由廠家將這些數據以數碼形式儲存在相應的控制芯片上,當調用這些數據時,這些數據就會控制各輔助放大器的音量,延時量從而建立起相應的聲場效應.
     通過以上介紹,我們可知DSP的原理并不復雜,它的優點是對聲源沒有特別要求,但它的不足之處是不能反映聲源本身的演奏環境.

家庭影院的心臟----AV功放
　　AV功放是家庭影院的中樞。市面上有些模擬的AV功放，嚴格地說并無定向功能，只有采用杜比定向邏輯解碼器，才能使人們在觀看畫面的同時，真正能感受到一個與畫面同步的。動態的聲場，產生多維空間的臨場感。當然，所使用的音響軟件必須帶有DOLBYSURRO UND或THX調標記。
　　目前市面上出售的定向邏輯解碼器分為三種類型： 純解碼器，機內不帶功放，但含有定向邏輯解碼器芯片，可以輸出多個聲道的信息，包括左。中、右環繞（通常二路）重低音等。這樣用戶可以靈活選配功放，但配哪些功放也有講究，否則難以營造理想的聲場效果。從這一點來看，越簡單者反而要求越高。

帶有中置及環繞功放的解碼器，機內不帶主功放、重低音功放，但各路聲道都有信號輸出端口，包括中置及環繞。這樣，主功放要外配功放，重低音可以配功放，也可以配有源音箱。中置和環繞可以選用機 內功放，也可以外配。
　　這種機型適合于原來已有雙聲道功放的家庭，將自己的音響系統升級為家庭影院。也適合于音響發燒友提升器材的檔次，例如主聲道可以選配膽機等更高檔次的功放，以欣賞到悠揚夢幻般的聲場效果。
　　帶有全聲道功放的定向邏輯解碼器。由于受到整機的限制，其主聲道功放的功率不可能做得非常大，絕大多數采用集成電路制成，能滿足一般家庭之用。其中主功放功率在5OW左右，中置、環繞功率在3O一4OW，重低音功率在5OW以上。帶有這種解碼器的AV功放，用戶使用起來十分方便，只要配上相應的音箱，再加上LD或DVD，大屏幕彩電即可形成影院系統，性價比較高。

論音響功放機
      音響中的功放是整個音響設備中的關鍵部件,所以音響發燒友們都在其上不惜花費人力物力財力進行"摩機",在電源部分,電路的整體布局,用料等方面進行不斷改良.本人并不是超級發燒友,充其量算是一位音響愛好者吧,為此在這里我就以一個音響愛好者的身份談一談我對音響功放的看法.
     功放分膽機與石機,先討論石機.石機最初的功放為甲類功放,這類功放的功放管的工作點選在管子的線性放大區,所以就算在沒有信號輸入的情況下,管子也有較大的電流流過,且其負載是一個輸出變壓器,在信號較強時由于電流大,輸出變壓器容易出現磁飽和而產生失真,另外為了防止管子進入非線性區,此類放大器往往都加有較深度的負反饋,所以這種功放電路效率低,動態范圍小,且頻響特性較差.對此人們又推出了一種乙類推挽式功率放大器,這類功放電路其功放管工作在乙類狀態,即管子的工作點選在微道通狀態,兩個放大管分別放大信號的正半周和負半周,然后由輸出變壓器合成輸出.所以流過輸出變壓器的兩組線圈電流方向相反,這就大大地減少了輸出變壓器的磁飽和現象.另外由于管子工作在乙類狀態,這樣不僅大大的提高了放大器的效率且也大大的提高了放大器的動態范圍,使輸出功率大大提高.所以這種功放電路曾流行一時.但人們很快發現,此種功電路由于其功放管工作在乙類工作狀態,所以存在小信號交越失真的問題,而且電路需使用兩個變壓器(一個輸出變壓器,一個輸入變壓器),由于變壓器是感性負載,所以在整個音頻段內,負載特性不均衡,相移失真較嚴重.為此人們又推出了一種稱為OTL的功率放大電路.這種電路的形式其實也是一種推挽電路形式,只不過是去掉了兩個變壓器,用一個電容器和輸出負載進行藕合,這樣一來大大的改善了功放的頻響特性.晶體管構成的功放電路有了質的飛躍,后來人們又改良了此種電路,推出了OCL和BTL電路,這種電路將輸出電容也去掉了,放大器與揚聲器采取直接藕合方式,直到現在由晶體管組成的功放電路,其結構基本上是OCL電路或BTL電路.OCL電路與OTL電路不同之處是采取了正負電源供電法,從而能將輸出電容取消掉.BTL電路是由兩個完全獨立的功放模塊搭建組成,如圖C所示.IC1放大輸出的信號一部分通過IC2反相輸入端,經IC2反相放大輸出,負載(揚聲器)則接在兩放大器輸出之間,這樣揚聲器就獲得由IC1和IC2放大相位相差180度的合成信號了.

    不論是OCL或BTL功放電路,由于其去除了輸出變壓器和輸出電容器,使放大器的頻響得到展寬。與揚聲器配接方面，當功率放大器連接一個標稱阻抗低于其額定負載阻抗的音箱時,理論上將使輸出功率增加,但這是有條件的,功放必須有足夠小的輸出內阻且必須有足夠大的電流增益,電源能提供足夠大的工作電流,否則不但不失真功率不能增加反而引致放大器性能下降。另一種情形是功率放大器連接一個標稱阻抗高于其額定負載阻抗的音箱,這時似乎功率放大器會輕松些,其實也不盡然,如果放大器的電源電壓容量不夠大,重放時可能未到其額定輸出功率就發生電壓過載失真。另外揚聲器音圈會產生感生電動勢,這個感生電動勢對揚聲器的運動有阻尼作用,放大器的輸出阻抗對揚聲器所產生的感生電動勢有旁路作用,從而能有效地抑制揚聲器的感生電動勢.

綜上所述,晶體管功放要得到好的放聲效果,就必須要有較低的輸出阻抗,較大的電流增益,電源方面要能提供足夠大的工作電流和較高的電源電壓且瞬態效應好。
    為了使放大器具有較低的輸出阻抗和較大的電流增益,功放的后級我們可用多對功率管并聯來實現,并且選取耐壓值盡可能高的功放管,使其能適應不同阻抗的負載.不過此舉就要增加推動功率了,一臺好的功放對電源的要求的苛刻的,為了能提高瞬態響應和提供足夠的電流整流管要采用大電流開關型整流二極管(有人稱為高速整流二極管),另外濾波電容要采用萬μF以上的.由于功放在工作時產生的瞬態電流達10安(視功放機的功率而定)以上,后級的接觸電阻和連線電阻均不能忽略,例如:電路存在0.1歐的交流阻抗,那么在10安電流的作用下就在其上產生1伏的交流電壓,這個交流電壓會藕合到前級,輕則產生交流干擾,重則會使放大器產生自激而損壞功放管.我們曾維修過多臺大功率功放機,因整流二極管接觸不良或濾波電容虛焊而造成燒壞功率管的.另外,由于大功率的功放機均具較高的增益,所以電源的去藕電路就非常重要,否則很容易產生交流聲干擾.一般的功放機均要兩級以上的LC濾波電路,且濾波電容的接地點的選取均有講究.最后就是電源變壓器了,現在的功放機其總體效率大概在50%--60%左右,所以所選擇的電源變壓器的功率的選取應為: 擴音機的最大不失真功率/0.5 例如:一臺最大不失真功率為100瓦的功放機其電源變壓器的功率應是100/0.5=200瓦.另外為了減少電源內阻和漏感對放大器的干擾,在電源變壓器的設計上應盡量減少每伏匝數和選用高磁通率的鐵芯.環牛(環形鐵芯變壓器)就是一種性能較好的變壓器.
   在這里我還要提一提的是功放機的一個非常重要的參數---動態范圍.我們知道現在高檔的數字化音源如CD機,DVD機由于采取了高比特率的數字量化,其輸出的音源的動態范圍達90db以上較傳統錄音機（40--70db)大.所以,功放機如果沒有足夠的動態范圍與之相配就很容易產生切峰失真（削波效應）,在切峰失真的信號波形中包含了極豐富的功率能量很大的高次諧波成份,它們加入到音箱中,其能量就極可能超過揚聲器的承受功率而令其燒壞。所以在功率放大電路中，為了防止放大器進入削波狀態，在電路上都加入了負反饋電路。負反饋電路雖然有效地防止了削波的產生，但它也使信號產生線性失真（幅度失真）和非線性失真（相移引起）。半導體器件制造在今天已經有了很大的進步，大動態范圍的半導體器件已經問世，在此前提下，人們提出了無負反饋功率放大器的概念，由于不存在負反饋，放大器的保真度將進一步得到了較大的提高。
    現在來談一談膽機（電子管機）以其音質柔和悅耳而受眾多音響愛好者的追捧。它與晶體管不同之處有下面幾方面：1、晶體管的電路結構比電子管復雜；2、晶體管的集電極電流基本上不受集-射電壓Vce的影響，而電子管的陽極電流和陽極電壓基本上符合歐母定律；3、晶體管易受溫度的影響，而溫度對電子管影響較少；4、晶體管工作在低電壓大電流狀態，因此對電源的要求高；而電子管工作在高電壓小電流狀態對電源的要求相對比較低；5、晶體管是電流控制器件，輸入輸出阻抗低，而電子管是電壓控制器件，輸入輸出阻抗高，因此電子管功放都必須要有一個輸出變壓器與負載匹配。由于輸出變壓器的電磁慣性和傳輸頻帶（特別是高頻段）變窄的原因，音頻信號被柔化了，聽起來音質柔和（其實這并不是高保真）；6、電子管的過載能力比晶體管強，所以動態范圍相對比晶體管高，因而聲音聽起來比較悅耳。