基于SRS环绕声家庭影院放音系统设计(2)

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2 总体方案设计

2.1 问题的提出

立体声录音、放音技术发明于1936年，这种立体声技术使用左、中、右声道的扬声器，只分别表现一个平面声场，真正的“立体声”效果被局限在两平面声场的重叠的部位才能听到。在此狭小的“皇帝位”才能听到左、右两声道的声音，感受其“虚像”所表现出的舞台布局。当偏离此位置时，声像位置也发生变化，远离一端的声道信息将有所丢失。另外，声源当中原来存在的体现反射声、回声等差值信号，在播放是被主声道所掩盖掉了，而人们聆听声音的空间感和方向性恰恰依靠这些信息[3]。

为了改善这种立体声的缺陷，于是出现了杜比环绕声、杜比定向逻辑环绕声、杜比数字环绕声、DTS数字化影音系统，THX技术等，它们都是多声道重放系统。以杜比环绕声技术为例，它在原有的两只前置音响的基础上，再置环绕音箱，以加强立体声音场效果，加中置音箱，以补充人声，从而在皇帝位得到更生动、实在的立体声效果。此外，必须依靠软件和硬件的支持。硬件必须有4～5个声道的AV放大器、杜比解码器、5个音箱；而信号源必须是四声道的编码软件。

人们不禁要问：能否使用两只扬声器实现仿真的三维（3D）音效呢？下面研究的SRS技术就是其中一种性能良好、适于家庭使用的3D环绕声技术。

2.2 SRS环绕声技术原理

所谓SRS（Sound Retrieval System），即声音传播延时系统，该系统依照仿生学原理和人耳聆听系统所产生的听音规则（HRTF），对音频信号进行适当处理后播出，就可以用两只扬声器实现三维（3D）音场。它是根据立体声信号中能体现监场感的环绕声（反射声与混响声）分别记录在左、右声道中，将R、L两个信号相加产生一个总信号（R+L），然后再将两个信号互减产生两个差分信号（R-L）和（L-R），经SRS处理后的总信号、差分信号及周围的环境信息（反射音场和混响声场），提供给人耳系统。对于麦克风和常规的立体声音响来说，由于“L-R”和“R-L”的差分信号麦克风“听”不到，立体声音响系统也不能复制，所以重放时没有空间感。SRS对差分信号和总信号进行处理，最终的声音符合人的听觉系统并使空间信息得以恢复。从而通过对真实演奏环境的恢复，增强了立体声像，使人从主观上感觉到声像的空间方位和分布。 。

1980年，美国声学工程师阿诺德.凯尔曼（Amold Klayman）在加州大学Irvine物理试验室发现：声音从不同角度进入人的耳朵时，会影响声源的定位，耳廓的结构有助于形成音响的空间感。以此音响心理学为基础，他试验研究成功了独特的SRS（Sound Retrieval System）,即声传播延时恢复系统格式的重播系统，并获得发明该向技术与芯片制造技术专利。这种处理系统称为SRS，它将纪录的平面声场信息，依据仿生学原理和人耳聆听系统结构产生的听音规则-位置相当传递函数（HRTF），通过适用处理再播放时，就可以用两只扬声器实现三维（3D）声场。我们将这种技术称为SRS-3D技术。

经研究发现，人的听觉特性可用听觉的传递函数来描述，即HRTF听音规律。HRTF是英文Head Related Transfer Functions的缩写词，意思是位置相关传递函数。这个传递函数与声音的音量和方向等有关系，尤其是相当于耳朵的传输方位角不同时，将得到不同

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的传递函数曲线。这个传递函数与声音的音量和方向等有关系，尤其是声音的传输的方位角不同时，将得到不同的传递函数曲线。根据人耳特有的传递函数规律，人脑可以判断声音来自什么方位、信号频谱情况和声场分布等。在一般的双声道立体声录音和重放的过程中，反映方位角度和空间感、方向感严重不足。在研究中发现，人类聆听系统由于耳廓、耳道结构的复杂性，对正面和侧面来的同样的声音，人耳感受的频响曲线不相同。图2-1中曲线A代表一个人耳听到的从正面而来的声音信号，B则是当A从侧面来时人耳听到的信号曲线。可看出，曲线B从约300Hz至11KHz时对A作了提升;约11KHz时同A一道衰减;但是约到15KHZ时,与A相反相开始提升了。

图2-1 听者曲线示意图

这两段提升正反映了从人耳两旁反射而来的音效。在SRS补偿系统中，用频率补偿网络对包含反射声的L-R互差信号，进行上述两段预提升。并进入正面的声音信号当中，使人耳能听到如同侧面进入人耳的音量即频谱。于是，即使现实重播时没有相同的反射声，经过HRTF预补偿，人耳也会主观感觉这声音是 从某一反射环境中播出的。

SRS技术没有采用传统的立体声和环绕立体声重现声场，而是把声场信号经过SRS电路处理、改造，使它符合上述HREF听音规则。聆听者听到的声音好像在空间产生，而不是单从扬声器发出。当声音从人的头部上下、左右不同的地方传送到人耳时，会受到外耳廓不同角度的反射及进入外耳时，会受到外耳廓不同角度的反射及进入外耳时的方向影响，发出不同的延时和幅度、频率范围，人脑以此判定声音的三维位置，“听”到不同的声音。当初传声器按其特性选择信号，在重放时以平面的二维声场再现，但经过SRS处理器处理后，声场中被错误处理的信号能按HRTF规则进行补偿、校正，被提升至原有水平，人耳可感受到其正确方位和声场[3]。

2.3 基于SRS环绕声家庭影院放音系统的设计方案逻辑框图

综上所述，本课题设计的内容包括低噪声前置放大器，用以放大微弱的输入信号以及音源的选择；SRS3D环绕声处理器，以实现环绕声的处理；音调均衡器的设计，用以实现对不同成分的声音信号进行不同的提升和衰减，补偿由于听音设备和听音环境等原因造成的信号中欠缺的频率成分，抑制声音中过多的频率成分，满足不同的听音者对频率响应的需求；后级电压放大器及音量控制器的设计，以实现音量大小的控制；功率放大器的设计用以放大音源，驱动扬声器；供电设备为各部分功能电路及音响供电。前级分频超重低音

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基于SRS环绕声家庭影院放音系统设计方案如图2-2所示

电 源 电 路 前置放大器 音量控制器 S R S 处理电路 音调均衡 后级放大 功率放大器 器 器 功率放大器 图2-2 基于SRS环绕声家庭影院放音系统的逻辑框图

本方案设计中，供电电源电路统一给各功能电路供电，除功率放大器外单独供电。

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3前置放大器及音量控制器的设计

任何功率放大器总是要将节目源输入的信号进行放大，然后输出给扬声器。节目源的种类多种多样，而节目源设备的输出信号电压差别很大，功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些节目源，如果从同一输入接口输入放大器。或者由于输入电频过低，使功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；或者由于输入电频过高，使放大器输出信号产生严重过载失真，失去高保真放大的意义。因此，必须设置前置放大器，对输入放大器的各种输入信号进行处理；或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配[3]。

3.1前置放大电路的设计要求与总体方案

对前置放大器的技术要求，就是必须要和功率放大器的特性相适应，即对功率放大器的技术要求，同样也适用于前置放大电路，而且对前置放大器还应略高些。

本课题前置放大器所要满足的技术指标是：

(1)失真度：包括谐波失真和互调失真，要求分别小于0.1%和0.05%。 (2)信噪比：应大于90dB。 (3)频率响应：在20～20kHz±0.5dB。 (4)转换速率：应大于5V/μs。 (5)动态范围：应大于75～80dB。

(6)输入/输出信号匹配：前置放大器的输入端和输出端分别和节目源设备以及功率放大器相连。要使信号高质量传输，必须满足匹配条件，包括阻抗匹配、电平匹配、传输方式匹配等。

(7)电源：高质量的电源是前置放大器性能好坏的因素之一，应包括低噪声大容量和低内阻等条件。前置放大器的电源应与功率放大器的电源分开，单独供电。

本课题中信号源的输入包括RADIO、TAPE、VIDEO、CD和MIC。由于MIC的输出电压比起其他的信号电平是非常低的，同时要有两个MIC输出，因此本设计采用TL072作为两个MIC输出的混合放大器，并进行56dB放大。通过信号源选择开关进行信号的选择，由NE5532集成运放对所选择的信号进行放大。

3.2 TL072、TDA1029、NE5532芯片特性介绍。8、、

3.2.1 TL072的性能介绍

TL072是结型场效应管型低噪声的双运放集成放大电路。具有低功耗、输入偏置低、失调电流低的特点；具有输出短路保护功能；总谐波失真低，典型值仅为0.03%;同时低噪声，转换速率高。其引脚封装如图3-1：

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图3-1 TL072引脚封装

3.2.2 TA7325P的性能介绍

TAP7325P是日本东芝公司生产的双通道低噪声集成运算放大器。输入转换噪声电压为1uVrms(Rg?2.2k?)的低噪声。虽为单电源供电，但工作电源电压范围为7到18V，便于使用，开环增益高到100dB，所以是低失真率。其内部电路图如图3-2所示：

图3-2 TA7325P内部电路图

TA7325P的电气特性如表3-1所示：

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