杜比环绕声的技术发展

面向数字电视的杜比E

尽管杜比数字编码技术已经被确定为美制数字电视的音频压缩规范，但真正要用于数字电视传输，还有不少的技术问题需要解决。首先，数字电视的传输必须符合由音频工程协会（AES）和欧洲广播联盟（EBU）联合制订的AE3标准。按照这种标准，电视伴音信号是利用一种AES/EBU线缆传播的，这种线缆只能传播双声道音频信号，而杜比数字为5.1声道，所以要么改变现有电视广播传播的线路架构，要么建立新的数字电视音频传播方法。其次，在DTV信号的传播过程中，因为要不断地被发射或接收，可能会经受多次的编码-解码处理。为了使终端用户能够接收到与发送端相同质量的音频节目，这种多次的编码-解码过程不应造成声音质量的劣化，而杜比数字是为单次编码-解码而设计的，其目标是在低比特率的条件下使音质最佳，因而不能满足上述要求。另外，杜比数字的音频帧与视频帧不同步，所以当在编辑过程中图象内容被改变的时候，音质的变动就难以避免。为了解决上述问题，杜比公司专门研制出了一种全新的数字音频压缩技术，叫做“杜比E”。

杜比E是专为数字电视广播传送和后期制作而设计的一种专业级音频编码系统。利用杜比E技术，一个AES/EBU信道就可以传送多达8个声道的高质量音频数码流，同时还可以加载杜比数字的控制数据信号（常称为metadata，包括杜比数字的声道模式、动态范围类型、输出电平自动调节参数等，以确保用户能正确播放杜比数字节目）。杜比E以其先进的编码算法和较高的数据传输率，能保证数字电视的音频信号经历多达10个循环的编码-解码或其它编辑过程，而不会造成音质的劣化。杜比E的音频可以与各种格式的视频信号良好的匹配，不会因视频干扰导致盲音、声音的毛刺或其它失真。杜比E的音频帧与视频帧在时序上完全对应，可以实现精确的音视频一体化编辑。更为重要的是，利用这种新型编码技术，现有的广播电视系统不经大规模改造就能传播多声道的数字电视音频信号，从而大大降低了系统成本。

杜比E的主要应用场合是在数字电视台站中间的传送，从一个地方电视台通过卫星将节目传送到另一个地方电视台。杜比E在输送到发射终端时会被转换为PCM音频，然后再编码成杜比数字信号，传送到千家万户。因此消费者在家中不可能直接收到杜比E信号，而只能接收到5.1声道的杜比数字信号。为了避免将两者相混淆，通常将杜比E叫做传送编码系统，而将杜比数字叫做发射编码系统。

杜比E的标准数据传输率是1.92Mbits/sec（针对20bit/48kHz的音频信号），典型的工作模式是“5.1+2”，即用六个声道传送5.1声道环绕声信号，另两个声道传送双声道的矩阵编码信号（如杜比定向逻辑环绕声）或双声道的立体声信号。也可工作在其它模式下，如带有两路单声道信号的“5.1+1+1”模式、三路立体声信号的“3×2模式和六路单声道信号的“6×1模式等。杜比目前的版本支持29.97fps帧频（NTSC制式，PAL制式为25fps）、20bit字长和48kHz采样频率的音频信号，将来的版本会支持25fps、16bit或24bit的音频信号。

第一台杜比E环绕声编码器DP571和杜比E环绕声解码器DP572业已推出，前者售价为5395美元，后者售价为3995美元。DP572的频率响应为20Hz～20kHz(0.25dB，失真度小于0.01%(1kHz)或0.02%（20Hz～20kHz），动态范围大于110dB。 兼容影音音乐的杜比Pro Logic II

杜比定向逻辑（Pro Logic）环绕声自1987年问世以来，曾经风靡全球十余年，但随着影音产品的飞速发展，其弱点也开始逐渐表现出来。一方面，它是针对家庭影院的还声技术而开发的，不能很好地兼顾纯音乐的播放；另一方面它的环绕声道为单声道、窄频宽，而且与前方声道的分离度也不够大，使得其环绕声效果不够理想。杜比公司推出的杜比数字环绕声新格式克服了后一缺陷，但前一问题在一定程度上仍然存在，而且聆听杜比数字环绕声必须采用新格式编码的节目源，广大消费者现存的大量杜比定向逻辑编码的节目源无法享受这一成果。为此，杜比公司于2000年6月推出了杜比定向逻辑环绕声的改良解码技术，并将其命名为“杜比Pro Logic II”。杜比公司声称，采用这种技术来重放传统的杜比定向逻辑环绕声电影或者双声道的立体声音乐节目，可以获得类似于杜比数码5.1声道环绕声的效果。

与杜比数字和DTS相同的是，Pro Logic II也能提供5个声道加超低音声道的输出效果，不同的是它的5个主声道不是真实的完全独立的声道，但各个声道之间的分离度要比传统的Pro Logic好得多。对于Pro Logic II，所有声道之间的分离度都可以达到40dB以上，环绕声道是双声道的，且对频宽没有特别的限制；而Pro Logic相邻声道的分离度一般在30dB左右，环绕声道是单声道，且频宽只有7kHz。

杜比Pro Logic II的另一个重要改进是可将双声道的立体声音乐节目源（如CD）以环绕声的形式重放。这样可以使音乐重放更加自然逼真，富有现场感，而且使用范围大大扩展，可以广泛用于电视音响、汽车音响、电脑音响和耳机音响等非环绕声节目源。实际上，这种技术的早期开发动机就是为了纯音乐的环绕声重放，所以它对隐藏在双声道立体声信号中的三维空间信息进行了充分的挖掘，明显地加强了声音的空间感、方向性和清晰度，扩大了声场范围，用户即使不在最佳位置也能获得良好的听感。此外，杜比Pro Logic II处理器的电路实现比较简单经济，同时还兼容Pro Logic的解码播放。

表1将Pro Logic和Pro Logic II进行了比较。表2给出了Pro Logic II的三种工作模式。其中，电影模式与Pro logic模式的主要区别在于它对环绕声道的带宽没有限制，而且提供的是立体声的环绕声输出。两者的共同之处在于环绕声道相对于前方声道都设置有一定的延迟，目的是利用哈斯效应加强前方声道信号的定位感。

表 1 杜比Pro Logic与Pro LogicⅡ的比较

表2 杜比PrologicⅡ的工作模式

音乐录音和电影伴音的特点有明显的不同。家庭影院的目标是在家庭环境中重现电影场景中复杂的多声道环境，因此对重放声场参数的设置相对严格，而音乐的重放效果则常常因人而异。为此，Pro Logic II中的电影模式预置好了各种参数，而音乐模式则提供了不同的选项，用户可根据自己的喜好自选。这些选项有：

尺度控制：连续调节声场的前后位置，有助于用户根据自己选听的音乐内容，找到最佳的扬声器平衡点。

中置宽度控制：调节中置声像，使得它精确地定位在中置扬声器所在的位置。利用这种控制调节功能，可以产生均衡良好的左、中、右声场，特别是对于位置局限性很大的汽车司机或者前排观众，效果非常明显。在家庭环境下，中置宽度控制可以有效地改善中置声道和左、右主声道之间的协调程度，控制声场的宽度或高度。

全景模式：用来扩展前方的立体声声场，产生多个环绕声扬声器阵列的还声效果。

在播放音乐时，环绕声道加入了一个叫做Shelf的高频滤波器，用来补偿因房间的反射或吸收所导致的高音衰减，可以使音乐声更加自然柔和，而且声场扩展范围适度。此外，音乐重放要求来自所有扬声器的声音同时到达用户的耳朵，因此在音乐模式下关闭了环绕声延迟功能和自动平衡功能。

世界上第一个杜比Pro Logic II产品是Rockford Fosgate公司专门为汽车音响设计的RFQ5000环绕声处理器。它带有一个数字同轴输入端子和5个模拟线路输出端子，工作模式包括电影、音乐、全景、Pro Logic和立体声直通等。杜比Pro Logic II问世仅有数月，其产品的大批量上市还有待于专用芯片的实现。 迎合个人影院的杜比Headphone

一个浪迹天涯的游子，在旅游途中要欣赏DVD电影节目，没有电视机，也没有环绕声设备，这怎么可能？一个AV发烧友新购进一套家庭影院，想放开音量，尽情享受一番杜比环绕的魅力，但老婆嫌吵、老人要休息、孩子要学习，又如何是好？一个大学生在学习之余想独自看看影碟，放松一下紧张的神经，但集体宿舍、图书馆、教室无法找到一块不干扰别人工作或学习的个人的空间，怎么办？为了满足个人在上述不同的场合收看家庭影院节目的欲望和要求，近年来“个人影院”应运而生，杜比公司也迎合这种需求，专门开发了一种叫做“杜比Headphone”环绕声编码格式，使得用户可以用立体声耳机来收听杜比环绕声节目。

当你用一对性能良好的立体声音箱聆听音乐时，能够获得与在音乐厅现场聆听相类似的空间感和位置感。这种空间声场的重现实际上是两个方面的因素共同作用的结果，一是房间的声学特性，包括室内物体对声音的反射、散射和吸收，可称为“环境效应”；二是你自己的生理结构，主要是耳廓及其周围的头部和肩部，常称之为“耳廓效应”。如果用一对立体声耳机聆听同样的音乐时，上述两个因素不再起作用，因此宽厚的空间感消失了，你所获得的是一种单薄的声像，只有宽度（从一只耳朵到另一只耳朵）而没有纵深感。特别是原来应出现在你正前方的声像，这会儿出现在你的头部中央，这种“头中”效应也是耳机听音临场感差而且长期听音容易疲劳的一个重要原因。既然用耳机来重现双声道立体声都如此困难，要用它来重放多声道的环绕声显然更加不容易。

针对上述问题，杜比Headphone利用先进的数字信号处理器，借助于生理声学和环境声学的最新研究结果，对“环境效应”和“耳廓效应”进行模拟仿真，从而产生强烈的包围感和定位感。它利用普通的立体声耳机就可以产生由五个扬声器（前方的左、中、右和后方的左环绕和右环绕）在一个足够大的房间内所形成的环绕声效果，当然扬声器和房间都是虚拟的。

杜比Headphone可以模拟三种不同房间的听音效果。DH1是指一间容积较小、相对较“干”（指混响时间较短）的房间，既适用于观赏电影，也适用于聆听纯音乐。这是杜比Headphone指定的参考房间，对所有搭载有杜比Headphone的设备都适用。DH2的声学特性更加活泼，混响时间相对较长，特别适用于聆听音乐。DH3是一个较大的房间，其声学特性很象一间音乐厅或商业电影院。DH2和DH3是杜比Headphone的选项，用户可根据节目源内容以及自己的兴趣爱好，选择适当的听音模式。除此之外，杜比Headphone的工作无需用户做任何设定或调整，使用起来非常方便。

杜比Headphone的使用对象不拘一格，既可以采用CD、MD、MP3等纯音响载体来聆听音乐，也可以采用杜比环绕、杜比数字、PCM或MPEG编码格式来聆听环绕声效果。可以加载杜比Headphone的产品也是多种多样，如有线电视和卫星电视顶置盒、VCR录像机、DVD-Video和DVD-Audio播放机、个人与台式电脑、游戏机、汽车音响和民航客舱音响等。