10.06.2015

Techniken f√ľr qualitativ hochwertige Soundbars




Bild 1 [zum Vergr√∂√üern in das Bild klicken] zeigt die Hauptbestandteile einer typischen aktiven Soundbar. Wegen der beengten Platzverh√§ltnisse in einer Soundbar verteilen sich die wichtigsten Funktionen meist auf mehrere Leiterplatten. Der I2S-Standard f√ľr Audiosignale wird zum √úbertragen der verschiedenen Audiokan√§le zwischen den einzelnen Baugruppen benutzt. Um die angestrebte Standby-Leistungsaufnahme von 0,5 W zu erreichen und die M√∂glichkeit zu haben, das Produkt mithilfe einer IR-Fernbedienung einzuschalten, kommt in der Regel ein kleiner Mikroprozessor zum Einsatz, sodass das Haupt-SoC in den Deep-Sleep-Modus versetzt werden kann. Es sind elektronische Frequenzweichen f√ľr die Lautsprecher vorhanden, bei denen es sich um Tief- und Hocht√∂ner f√ľr die linken, rechten und mittleren Kan√§le handelt.
Bild 2 [zum Vergr√∂√üern in das Bild klicken] ist ein Screenshot des Designtools f√ľr das Verst√§rker-IC TAS5727 zu sehen. Dieser Baustein kam auch in der elektronischen Frequenzweiche und f√ľr die die Treiberkorrektur des im Artikel beschriebenen Prototyps zum Einsatz. Die unkomplizierte Benutzeroberfl√§che, die typisch f√ľr Bauelemente dieser Art ist, macht das Verbessern der Tonqualit√§t des Treibers wesentlich einfacher, als es mit den passiven Frequenzweichen traditioneller Lautsprecherdesigns m√∂glich w√§re.

 

Autor: Brewster LaMacchia, Momentum Data Systems

 

Moderne Fernsehger√§te werden immer flacher, ihr Volumen schrumpft erheblich. Dass unter dieser Tatsache die Tonqualit√§t leidet, l√§sst sich in Anbetracht der physikalischen Gesetze kaum vermeiden. Gleichzeitig enwickeln sich die Audio-Inhalte von Stereo zu hochaufl√∂senden mehrkanaligen Formaten weiter. Auch ver√§ndert sich ungeachtet der wachsenden Komplexit√§t der Audioquellen und ‚Äďinhalte die Erwartungshaltung der Konsumenten: Sie sind kaum mehr bereit, Handb√ľcher zu lesen, sich mit aufw√§ndigen Setup-Men√ľs herumzuschlagen oder die eigenen Wohnr√§ume zu verkabeln, um mit Surround-Sound echtes Kino-Feeling aufkommen zu lassen.

 

Vor diesem Hintergrund haben sich aktive Soundbars zu einer popul√§ren M√∂glichkeit entwickelt. Sie kombinieren die Eigenschaften traditioneller A/V-Receiver f√ľr Mehrkanal-Sound mit einem speziellen Lautsprechersatz und werten TV-Inhalte und Filme durch Surround-Sound auf (Bild 1 zeigt eine typische Konfiguration). Die Soundbars verf√ľgen √ľber einen digitalen Signalprozessor (DSP) zum Decodieren des Mehrkanal-Audiosignals sowie zum Optimieren des Klangs f√ľr bestimmte Schallwandler und Treiber. Auch lassen sich psycho-akustische Verfahren zum Erzeugen einer Klangbasis anwenden, die breiter ist als das Ger√§t selbst.

 

Bassmanagement

Ein kritischer Aspekt qualitativ hochwertiger Soundbars ist das Bassmanagement. Wegen der geringen Geh√§useabmessungen und des eingeschr√§nkten Platzangebots f√ľr die Treiber entpuppt sich die Wiedergabe von Frequenzen unter 150 Hz als schwieriges Designproblem. Wenn jedoch beim H√∂ren von Musik und Filmton jegliche Frequenzen unter 150 Hz fehlen, vermittelt dies eher die Anmutung eines alten Tischradios anstelle des Gef√ľhls, mittendrin zu sein.

 

Damit nicht alle Lautsprecher Kl√§nge bis zur typischen unteren H√∂rgrenze von 20 Hz wiedergeben m√ľssen, leiten Surround-Systeme ebenso wie einige Stereoanlagen die Bassenergie der verschiedenen Kan√§le an einen speziellen Subwoofer um. Dies ist m√∂glich, weil das menschliche Geh√∂r bei diesen niedrigen Frequenzen keine Richtungen wahrnehmen kann. Die richtige Konstruktion der Frequenzweiche dergestalt, dass beim Anschluss an reale Treiber die Signaleigenschaften im Zeit- und Frequenzbereich erhalten bleiben, stellt ein kniffliges Problem dar, zumal es hier Verfechter der verschiedensten Methoden gibt [1].

 


DSPs machens möglich ....

Soundbars k√∂nnen zwar im Allgemeinen breit sein (selbst ein nicht besonders gro√ües Flachbild-Fernsehger√§t ist mehr als einen Meter breit), aber hinsichtlich der Tiefe und H√∂he sind die Grenzen eng gesteckt, da eine Anpassung an die visuelle √Ąsthetik des Flatscreen-TV erforderlich ist. Das hieraus resultierende eingeschr√§nkte Geh√§usevolumen f√ľhrt in der Regel zu niedrigen akustischen Empfindlichkeiten, sodass sich bei gegebener Eingangsleistung nur ein begrenzter Schalldruck erzeugen l√§sst. Klasse-D-Verst√§rker [2] haben den Weg zu kleinformatigen Subwoofern geebnet, da sie viel Verst√§rkerleistung bieten und dabei weniger W√§rme erzeugen als traditionelle Klasse-AB-Verst√§rker.


Ebenso k√∂nnen auch Soundbars von dieser Technik profitieren. Diese M√∂glichkeit zur L√∂sung des Ausgangspegel-Problems verlangt jedoch nach Treibern, die physisch klein sind und dennoch eine hohe Ausgangsleistung (25 bis 50 Watt) aufweisen. Hier lassen sich DSPs nutzen, um eine intelligente Dynamikbereich-Kompression vorzunehmen, sodass mit minimalen Verzerrungen die angestrebte Lautheit erreicht wird und der Treiber vor l√§nger dauernder √úberhitzung gesch√ľtzt ist.



Prototyp von MDS

Die Firma MDS hat dazu k√ľrzlich einen Prototypen erstellt. Als Grundlage f√ľr das finale Geh√§use und die Treiber diente eine im Handel angebotene passive Soundbar. Die Softwareentwickler konnten die Ergebnisse so mit realen Audio-Inhalten √ľberpr√ľfen, anstatt nur Pr√ľft√∂ne auf einem Oszilloskop zu betrachten. Die passiven Frequenzweichen wurden aus der gekauften Soundbar entfernt. Stattdessen wurden elektronische Filter in den Verst√§rker-ICs implementiert (verwendet wurden Klasse-D-Verst√§rker-ICs des Typs TAS5727 von Texas Instruments mit I2S-Eingang).


Der DSP-Core des SoC √ľbernimmt die Decodierung des Inhalts, das Bassmanagement und weitere Nachbearbeitungs-Aufgaben. Ein erster H√∂rtest mit der Soundbar ergab, dass die Tonqualit√§t bei Vokalst√ľcken zu w√ľnschen √ľbrig lie√ü. Au√üerdem wurde eine Unausgewogenheit zwischen der Basswiedergabe und dem √ľbrigen System festgestellt. Man modifizierte deshalb das Bassmanagement, verstellte die Frequenzweichen-Einstellung zwischen Mittel-Tieft√∂ner und Hocht√∂ner und nahm eine geringf√ľgige Korrektur im Bereich zwischen 1,2 kHz und 3 kHz vor. Dies ergab eine Klangqualit√§t, die bei A/B-Tests favorisiert wurde . Siehe hierzu Bild 2.

 

Kompensation der Raumakustik

Der Einsatz eines DSP zur Verbesserung der Klangqualit√§t l√§sst sich noch weiter ausdehnen, um sich den Vorlieben des Zuh√∂rers anzupassen, ohne dass es wie bei traditionellen Frequenzweichen f√ľr passive Lautsprecher notwendig ist, verschiedene Bauelemente zuzuschalten. Der DSP bietet Audiounternehmen ferner die M√∂glichkeit zur Einbringung propriet√§rer Verarbeitungsfunktionen, die ihrem Produkt ein Alleinstellungsmerkmal auf dem Audiomarkt verleihen k√∂nnen. Zum Beispiel wird sich der Trend zu einer immer ausgefeilteren Kompensation der Raumakustik, die enorm viel DSP-Rechenleistung voraussetzt, ohne Zweifel auch bei den Soundbars durchsetzen.

 


Kombination von DSP und ARM

Parallel zu den technologischen Fortschritten in der Soundbar-Elektronik hegen die Konsumenten inzwischen die Erwartung, Audio-Inhalte von ihren tragbaren elektronischen Ger√§ten oder aus Cloud-Services abzuspielen. Die Kombination eines ARM¬ģ-basierten Hostprozessors mit einem leistungsf√§higen DSP erlaubt die Realisierung einer Soundbar mit allen Funktionen, die sich die Konsumenten w√ľnschen. Das im oben erw√§hnten Beispiel verwendete SoC des Typs TMS320DA830 von Texas Instruments enth√§lt beispielsweise in einem einzigen Baustein einen ARM-Core und einen Gleitkomma-DSP-Kern, kombiniert mit einer gro√üen Zahl digitaler I2S Audioschnittstellen. Es unterst√ľtzt so den direkten Anschluss an einen HDMI-Transceiver f√ľr den Eingang und an Klasse-D-Verst√§rker-ICs mit digitalem Eingang f√ľr die Ausgabe.


Der DSP decodiert mehrkanalige, im Dolby- und DTS-Verfahren komprimierte Audioformate zu mehrkanaligen Surround-Audio in PCM-Technik. W√§hrend zu Beginn der 2000er Jahre f√ľnf Kan√§le der Standard waren, sind jetzt Systeme mit elf Kan√§len an der Tagesordnung. Neuere Formate unterst√ľtzen sogar eine praktisch unbegrenzte Zahl von Audio-Objektkan√§len, die dann auf die gew√ľnschte Anzahl physischer Lautsprecherstandorte verteilt werden.



Drahtlosfunktionen integrieren

Die Ausstattung der Soundbar mit einem unter Linux laufenden Hostprozessor macht das Hinzuf√ľgen von Drahtlosfunktionen wie Bluetooth¬ģ oder Wi-Fi¬ģ wesentlich einfacher, denn die Protokoll-Stacks stehen entweder in Community-unterst√ľtzten Versionen oder in Form kommerziell unterst√ľtzter Softwarebibliotheken zur Verf√ľgung. Bluetooth enth√§lt den SBC-Codec [3] f√ľr Stereo-Audio, der bei seiner h√∂chsten Bitrate ein Qualit√§tsniveau erreicht, das dem typischer Download-Inhalte im MP3/AAC-Format nahekommt [4]. Die meisten Bluetooth-f√§higen Stereo-Audio-Ger√§te unterst√ľtzen AAC, doch merkw√ľrdigerweise gibt es nahezu keine Quelle aus portablen Elektronikger√§ten f√ľr MP3 per Bluetooth, obwohl dies das verbreitetste Downloadformat ist. Die Koexistenz mehrerer HF-Quellen (Bluetooth, Wi-Fi, drahtlose Subwoofer) in einer Soundbar zusammen mit leistungsstarken Klasse-D-Verst√§rkern und umfangreicher digitaler Logik wirft beim Design ein gravierendes EMV-Problem auf, das von Anfang in das Industriedesign einbezogen werden muss.

 

Besseres Klangerlebnis

Aktive Soundbars bieten einen deutlich besseren Klang als das Fernsehger√§t selbst, m√ľssen aber mit allen Audioquellen und dem TV-Ger√§t verkabelt werden. Einige Konsumenten ziehen auch das von f√ľnf oder sieben realen Lautsprechern gebotene Klangerlebnis den psychoakustischen Methoden vor, die bei einer unterhalb des Bildschirms angeordnete Soundbar angewandt werden. Beiden F√§llen gemeinsam ist, dass die notwendigen Kabel ein Problem darstellen, wenn ein System in einem vorhandenen Raum eingerichtet werden soll.

 

Viele Soundbars enthalten eine drahtlose Verbindung zum Subwoofer, der sich dadurch trotz seiner gro√üen Abmessungen so platzieren l√§sst, dass er nicht im Weg ist und/oder eine bessere Basswiedergabe erzielt. Mehrere Unternehmen bieten Bauelemente f√ľr diesen Zweck an. In dem weiter oben beschriebenen System kam beispielsweise das PurePath‚ĄĘ Wireless Audio IC CC8520 von TI zum Einsatz.

 

Kompression und mehr

Das Problem besteht in der Ausdehnung dieser drahtlosen Verbindung auf mehrere Lautsprecher f√ľr ein vollwertiges Surround-Sound-Erlebnis. Au√üerdem soll es nicht mehr notwendig sein, Leitungen von der Soundbar zu allen Signalquellen (Kabelfernseh-Receiver, Spielkonsole usw.) zu verlegen. Hierf√ľr gibt es verschiedene propriet√§re Verfahren. In einigen F√§llen wird durch Kompression die Bitrate reduziert, um die Anforderungen an die Funk√ľbertragung zu entsch√§rfen. Sieben Audiokan√§le plus Subwoofer werden aber von diesen L√∂sungen dennoch nicht unterst√ľtzt.

 

Ein neuer Standard f√ľr diesen Einsatzzweck wurde von der ‚ÄöWireless Speaker and Audio association‚Äė (WiSA) entwickelt. Die WiSA Compliance Test Specification (CTS) skizziert ein Interoperabilit√§tstest- und Zertifizierungsprogramm f√ľr Produkte, die eine drahtlose, st√∂rungsfreie √úbertragung mehrerer unkomprimierter Audiokan√§le in HD-Qualit√§t unterst√ľtzen. Dank der Verwendung eines 5 GHz UNII-Bands stehen mehr HF-Kan√§le zur Verf√ľgung. Die Konsumenten k√∂nnen somit die √úberbelegung vermeiden, mit denen sie es bei 2,4 GHz und in nicht lizenzierten 5-GHz-B√§ndern zu tun haben k√∂nnen. Die WiSA-Technologie bietet bis zu acht unkomprimierte 24-Bit-Audiokan√§le mit Abtastraten bis 96 kHz und einer Latenz von unter 5 ms. Diese Eigenschaften erm√∂glichen ein Maximum an Audioqualit√§t ohne Kompressions-Artefakte.

 

WiSA-Standard

Wird der WiSA-Standard f√ľr die Audio√ľbertragung genutzt, kann eine aktive Soundbar die vorderen LCR-Kan√§le (links, Mitte und rechts) √ľbernehmen und die Signale f√ľr Subwoofer, Surround und die hinteren Kan√§le drahtlos √ľbertragen, um das volle 7.1-Surround-Sound-Erlebnis zu bieten. Die weltweit f√ľr besondere, qualitativ hochwertige Systeme bekannte Firma Bang & Olufsen pr√§sentierte anl√§sslich der CES 2014 vollst√§ndig WiSA-basierte Systeme [5].

 

Der WiSA-Standard h√§lt ebenfalls eine L√∂sung f√ľr das Problem der Kabel bereit, die von allen Klangquellen an eine aktive Soundbar verlegt werden m√ľssen. Stattdessen kann ein kleiner Audio-Hub genutzt werden, um die Eingangsquelle zu w√§hlen, die Surround-Sound-Formate zu decodieren und anschlie√üend mit dem WiSA-Standard die 7.1-Audiosignale an alle Lautsprecher zu √ľbertragen. Ebenso kann der WiSA-Sender in das Fernsehger√§t selbst eingebaut sein, um den an Radios der 60er Jahre erinnernden Sound der Flatscreen-Lautsprecher von vornherein zu vermeiden.

 

Selbstverständlich benötigen drahtlose Lautsprecher einen Netzanschluss, doch ist dies meist kein Problem. In Frage kommen auch Surround-Lautsprecher mit Akkus, die meist insgesamt weniger Energie benötigen.

 

Die Kombination aus effizienten Klasse-D-Verst√§rkern, drahtlosen Audioquellen (zum Beispiel Bluetooth) mit Systemen f√ľr die drahtlose √úbertragung unkomprimierter Audiosignale in hoher Qualit√§t (zum Beispiel WiSA) bietet den Herstellern von Audio-Elektronik die Gelegenheit zur Realisierung von Systemen, die besser klingen und dabei weniger Installationsprobleme verursachen als noch vor wenigen Jahren.

 

Literaturhinweise

Die folgenden B√ľcher gehen unterschiedlich detailliert auf die hier beschriebenen akustischen und konstruktiven Probleme ein:

  • Winer, Ethan. The Audio Expert: Everything You Need to Know about Audio. Waltham, MA: Focal, 2012.
  • Toole, Floyd E. Sound Reproduction: The Acoustics and Psychoacoustics of Loudspeakers and Rooms. Amsterdam: Elsevier, 2008.
  • Newell, Philip Richard., and K. R. Holland. Loudspeakers For Music Recording and Reproduction. Oxford: Focal, 2007

Weitere Einzelheiten zum TV-Sound und zur Klasse-D-Technik finden Sie auf:

http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274774.

Allgemeines zur Klasse-D-Technik außerdem auf:

http://en.wikipedia.org/wiki/Class-D_amplifier

https://www.bluetooth.org/docman/handlers/DownloadDoc.ashx?doc_id=260859&vId=290074

http://soundexpert.org/encoders-320-kbps

http://wisaassociation.tumblr.com/post/67391915573/ces-awards-go-to-wisa-enabled-products


 


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