杜比环绕声解码器原理简析

　　杜比环绕声是一种编/解码型环绕声技术。它在制作影视片配音时使用了左、中、右、后四声道录音，然后对它们进行杜比编码：使中置声信号比左、右声道信号降低了一定dB后加到左、右录音信号中去。后置声道信号也降低了dB后，以相互反相地加到左、右录音信号中去。这样一来，四路录音信号被编码成左、右两路环绕声信号（LT和RT）。记录在影视软件上。重放时再用杜比解码器把LT和RT两种环绕声信号恢复左、中、右、后四路，予以重放。
　　
　　杜比模拟环绕声解码器主要分为两类。一类就是目前在电影院中使用的杜比定向逻辑解码器(DolbyPro-LogIC)，1977年它以电影《星球大战》而走红商业影院。现在正规的家庭影院设备中的杜比模拟环绕声解码器也采用了这类解码器。另一类相对简单，成本低廉的解码器称为杜比环绕声解码器(DolbySurrond)，它是杜比实验室为满足当时家用需要而于1981年推出的。本文以此为基础，介绍一种更适于业余仿制的变形电路，它既可对杜比编码的影音软件进行解码，在一定程度上重现杜比环绕声效果，也可用来对普通立体声如CD唱片进行“解码”，从中提取出一定的环境声信息加以重放，可改善普通立体声的音响效果。
　　
　　下图是杜比实验室为家用而提出的解码器方框图。经DVD机唱头读出而形成的左、右环绕声信号LT、RT加到解码器输入端。
　　
　　由图可知，LT和RT不经任何处理直通解码器输出L和R端子，后经普通立体声放大器驱动前方左、右立体声音箱。显然，这部分电路也完全可以用来重放普通立体声信号。下图电路的主要特点在于后置声道信号的取出及其处理，这也是解码器的核心电路。
　　
　　解码器的主要任务是要恢复编码前的声道数目，并使之重放时相互间的干涉减小到必要程度。从前面提到的编码情况可知，中、后声道分别以3dB的幅度差与左、右声道的信号进行混合，所以如果中、后声道信号从左、右声道中分离出来后，它们之间的幅度差也为3dB。换句话说，解码后虽然也是左、中、右、后四个声道，但它们的信号成分已与原始录音有所不同。主要区别是各声道均混有相邻声道的信号。例如，后声道除原始录音的后声道信号外，还含有左、右声道原始信号，它们的幅度仅比原后声道信号低了3dB。重放时，后声道中的左、右声道信号就会降低前方左、右声道信号的立体声定位性能。因此需要对解码后的信号进行一系列处理，以减小它对前方声道的影响。
　　
　　因编码时后声道信号在左、右声道中的反相方式存在的，所以用一个减法器电路从左、右信号LT、RT中取出差信号(L-R)，它就是后声道信号。再对差信号进行20ms的延时，以使后方声道中左、右声道信号比前方声道中的左、右声道信号迟20ms到达人耳。由于人耳具有“先人为主”（声学上叫哈斯效应）的特征，即听音者总是以先听到的声音来定位，从而减小了后声道信号对前方左、右声道的定位性能的影响。
　　
　　延时之后，后声道信号进入低通滤波器，它把后声道的高频限止在7kHz以下，目的是切除延时电路所产生的高频噪声。因为当影视片中声音电平较低，尤其是当出现无声片段时，这种高频噪声听起来很不舒服，容易干扰观者的注意力。其实，在编码前录音时已把后声道信号限止在100Hz～7kHz范围内。切除一些低频可以使后声道音箱小一些，节约系统成本，有利于普及。切除7kHz以上高频则有利减小录放设备相位不一致而出现在环绕声中的噪声。录放设备相位不一致的情况主要出现在7kHz以上高音频段。
　　
　　最后，后声道信号经杜比B型降噪器完成全部处理过程后输出。其实，杜比编码前录音时，后声道也用了杜比B型降噪器，它与解码器中的降噪器是互补的，缺一不可。前一降噪器是对录音信号中的高频(≤7kHz)先进行适当提升，可提高信号对噪声的比例。解码器中的降噪器则对提升了高频信号作相反的衰减，恢复信号原来的面目，从而降低了录制设备中可能介入的高频噪声。
　　
　　下图解码器只有左、右、后三个声道。其实要解出前方中央声道信号也十分简单，只要用一个加法器电路把LT、RT信号加起来一即可获得这个中央声道信号。
　　
　　那么为什么弃之不用呢？原来如解出这个中央声道信号，如同后声道一样，其中必须混有左、右声道信号，而重放这个信号的中置音箱必须放在左、右音箱之间。结果，本来只在左（右）音箱出现的左（右）声道信号，现在也由中置音箱中放出来，从而大大降低了左、右声道间的立体声定位性能。显然，不用中央声道就不会出现上述问题。只是为了获得正确的中央声象（如影视片中人物对白）定位，视听者必须象聆听立体声那样，坐在左、右音箱的中线上。否则，人物对白可能偏离屏幕特定位置，造成视、听感觉上的不一致。

　　下面要介绍的杜比解码器框图如下图，与上图相比有所增减。
　　
　　首先：它仍使用三声道方式。不用中央声道而要求视听者严格坐在左、右音箱之间的问题，通过Rl～R3网络使左、右声道信号相互存在一些串音而得到缓解。
　　
　　这样做的缺点会减小左、右声道间立体声分离度，不过这种影响并不大。
　　
　　其次，对后声道的处理也大为简化，去消了延时电路和降噪器，也就使整个电路无须专用器件就能简单地实现。实际上，20ms延时并非必须，人们对之也并不十分敏感，20ms延时能减小后声道对前方声道的定位影响，但适当减小后声道音量也能达到类似的效果。另外，不用延时电路也就去除了延时电路的噪声。至于降噪器，听音试验表明不用它也是可以接受的。这可能与人耳的听觉对高频有所衰减的缘故。

　　最后，保留了7kHz低通滤波器，但加设了一个旁通开关。因为对有些节目源，可能不用7kHz滤波器，音质更为自然一些，尤其当节目源质量较好时便会出现这种现象。