10.06.2015

Techniken für qualitativ hochwertige Soundbars




Bild 1 [zum Vergrößern in das Bild klicken] zeigt die Hauptbestandteile einer typischen aktiven Soundbar. Wegen der beengten Platzverhältnisse in einer Soundbar verteilen sich die wichtigsten Funktionen meist auf mehrere Leiterplatten. Der I2S-Standard für Audiosignale wird zum Übertragen der verschiedenen Audiokanäle zwischen den einzelnen Baugruppen benutzt. Um die angestrebte Standby-Leistungsaufnahme von 0,5 W zu erreichen und die Möglichkeit 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 für die Lautsprecher vorhanden, bei denen es sich um Tief- und Hochtöner für die linken, rechten und mittleren Kanäle handelt.
Bild 2 [zum Vergrößern in das Bild klicken] ist ein Screenshot des Designtools für das Verstärker-IC TAS5727 zu sehen. Dieser Baustein kam auch in der elektronischen Frequenzweiche und für die die Treiberkorrektur des im Artikel beschriebenen Prototyps zum Einsatz. Die unkomplizierte Benutzeroberfläche, die typisch für Bauelemente dieser Art ist, macht das Verbessern der Tonqualität des Treibers wesentlich einfacher, als es mit den passiven Frequenzweichen traditioneller Lautsprecherdesigns möglich wäre.

 

Autor: Brewster LaMacchia, Momentum Data Systems

 

Moderne Fernsehgeräte werden immer flacher, ihr Volumen schrumpft erheblich. Dass unter dieser Tatsache die Tonqualität leidet, lässt sich in Anbetracht der physikalischen Gesetze kaum vermeiden. Gleichzeitig enwickeln sich die Audio-Inhalte von Stereo zu hochauflösenden mehrkanaligen Formaten weiter. Auch verändert sich ungeachtet der wachsenden Komplexität der Audioquellen und –inhalte die Erwartungshaltung der Konsumenten: Sie sind kaum mehr bereit, Handbücher zu lesen, sich mit aufwändigen Setup-Menüs herumzuschlagen oder die eigenen Wohnräume zu verkabeln, um mit Surround-Sound echtes Kino-Feeling aufkommen zu lassen.

 

Vor diesem Hintergrund haben sich aktive Soundbars zu einer populären Möglichkeit entwickelt. Sie kombinieren die Eigenschaften traditioneller A/V-Receiver für Mehrkanal-Sound mit einem speziellen Lautsprechersatz und werten TV-Inhalte und Filme durch Surround-Sound auf (Bild 1 zeigt eine typische Konfiguration). Die Soundbars verfügen über einen digitalen Signalprozessor (DSP) zum Decodieren des Mehrkanal-Audiosignals sowie zum Optimieren des Klangs für bestimmte Schallwandler und Treiber. Auch lassen sich psycho-akustische Verfahren zum Erzeugen einer Klangbasis anwenden, die breiter ist als das Gerät selbst.

 

Bassmanagement

Ein kritischer Aspekt qualitativ hochwertiger Soundbars ist das Bassmanagement. Wegen der geringen Gehäuseabmessungen und des eingeschränkten Platzangebots für die Treiber entpuppt sich die Wiedergabe von Frequenzen unter 150 Hz als schwieriges Designproblem. Wenn jedoch beim Hören von Musik und Filmton jegliche Frequenzen unter 150 Hz fehlen, vermittelt dies eher die Anmutung eines alten Tischradios anstelle des Gefühls, mittendrin zu sein.

 

Damit nicht alle Lautsprecher Klänge bis zur typischen unteren Hörgrenze von 20 Hz wiedergeben müssen, leiten Surround-Systeme ebenso wie einige Stereoanlagen die Bassenergie der verschiedenen Kanäle an einen speziellen Subwoofer um. Dies ist möglich, weil das menschliche Gehör 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 können zwar im Allgemeinen breit sein (selbst ein nicht besonders großes Flachbild-Fernsehgerät ist mehr als einen Meter breit), aber hinsichtlich der Tiefe und Höhe sind die Grenzen eng gesteckt, da eine Anpassung an die visuelle Ästhetik des Flatscreen-TV erforderlich ist. Das hieraus resultierende eingeschränkte Gehäusevolumen führt in der Regel zu niedrigen akustischen Empfindlichkeiten, sodass sich bei gegebener Eingangsleistung nur ein begrenzter Schalldruck erzeugen lässt. Klasse-D-Verstärker [2] haben den Weg zu kleinformatigen Subwoofern geebnet, da sie viel Verstärkerleistung bieten und dabei weniger Wärme erzeugen als traditionelle Klasse-AB-Verstärker.


Ebenso können auch Soundbars von dieser Technik profitieren. Diese Möglichkeit zur Lösung 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 länger dauernder Überhitzung geschützt ist.



Prototyp von MDS

Die Firma MDS hat dazu kürzlich einen Prototypen erstellt. Als Grundlage für das finale Gehäuse und die Treiber diente eine im Handel angebotene passive Soundbar. Die Softwareentwickler konnten die Ergebnisse so mit realen Audio-Inhalten überprüfen, anstatt nur Prüftöne auf einem Oszilloskop zu betrachten. Die passiven Frequenzweichen wurden aus der gekauften Soundbar entfernt. Stattdessen wurden elektronische Filter in den Verstärker-ICs implementiert (verwendet wurden Klasse-D-Verstärker-ICs des Typs TAS5727 von Texas Instruments mit I2S-Eingang).


Der DSP-Core des SoC übernimmt die Decodierung des Inhalts, das Bassmanagement und weitere Nachbearbeitungs-Aufgaben. Ein erster Hörtest mit der Soundbar ergab, dass die Tonqualität bei Vokalstücken zu wünschen übrig ließ. Außerdem wurde eine Unausgewogenheit zwischen der Basswiedergabe und dem übrigen System festgestellt. Man modifizierte deshalb das Bassmanagement, verstellte die Frequenzweichen-Einstellung zwischen Mittel-Tieftöner und Hochtöner und nahm eine geringfügige Korrektur im Bereich zwischen 1,2 kHz und 3 kHz vor. Dies ergab eine Klangqualität, die bei A/B-Tests favorisiert wurde . Siehe hierzu Bild 2.

 

Kompensation der Raumakustik

Der Einsatz eines DSP zur Verbesserung der Klangqualität lässt sich noch weiter ausdehnen, um sich den Vorlieben des Zuhörers anzupassen, ohne dass es wie bei traditionellen Frequenzweichen für passive Lautsprecher notwendig ist, verschiedene Bauelemente zuzuschalten. Der DSP bietet Audiounternehmen ferner die Möglichkeit zur Einbringung proprietärer Verarbeitungsfunktionen, die ihrem Produkt ein Alleinstellungsmerkmal auf dem Audiomarkt verleihen können. 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 Geräten oder aus Cloud-Services abzuspielen. Die Kombination eines ARM®-basierten Hostprozessors mit einem leistungsfähigen DSP erlaubt die Realisierung einer Soundbar mit allen Funktionen, die sich die Konsumenten wünschen. Das im oben erwähnten Beispiel verwendete SoC des Typs TMS320DA830 von Texas Instruments enthält beispielsweise in einem einzigen Baustein einen ARM-Core und einen Gleitkomma-DSP-Kern, kombiniert mit einer großen Zahl digitaler I2S Audioschnittstellen. Es unterstützt so den direkten Anschluss an einen HDMI-Transceiver für den Eingang und an Klasse-D-Verstärker-ICs mit digitalem Eingang für die Ausgabe.


Der DSP decodiert mehrkanalige, im Dolby- und DTS-Verfahren komprimierte Audioformate zu mehrkanaligen Surround-Audio in PCM-Technik. Während zu Beginn der 2000er Jahre fünf Kanäle der Standard waren, sind jetzt Systeme mit elf Kanälen an der Tagesordnung. Neuere Formate unterstützen sogar eine praktisch unbegrenzte Zahl von Audio-Objektkanälen, die dann auf die gewünschte Anzahl physischer Lautsprecherstandorte verteilt werden.



Drahtlosfunktionen integrieren

Die Ausstattung der Soundbar mit einem unter Linux laufenden Hostprozessor macht das Hinzufügen von Drahtlosfunktionen wie Bluetooth® oder Wi-Fi® wesentlich einfacher, denn die Protokoll-Stacks stehen entweder in Community-unterstützten Versionen oder in Form kommerziell unterstützter Softwarebibliotheken zur Verfügung. Bluetooth enthält den SBC-Codec [3] für Stereo-Audio, der bei seiner höchsten Bitrate ein Qualitätsniveau erreicht, das dem typischer Download-Inhalte im MP3/AAC-Format nahekommt [4]. Die meisten Bluetooth-fähigen Stereo-Audio-Geräte unterstützen AAC, doch merkwürdigerweise gibt es nahezu keine Quelle aus portablen Elektronikgeräten für 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-Verstärkern 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 Fernsehgerät selbst, müssen aber mit allen Audioquellen und dem TV-Gerät verkabelt werden. Einige Konsumenten ziehen auch das von fünf oder sieben realen Lautsprechern gebotene Klangerlebnis den psychoakustischen Methoden vor, die bei einer unterhalb des Bildschirms angeordnete Soundbar angewandt werden. Beiden Fällen 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 großen Abmessungen so platzieren lässt, dass er nicht im Weg ist und/oder eine bessere Basswiedergabe erzielt. Mehrere Unternehmen bieten Bauelemente für diesen Zweck an. In dem weiter oben beschriebenen System kam beispielsweise das PurePath™ Wireless Audio IC CC8520 von TI zum Einsatz.

 

Kompression und mehr

Das Problem besteht in der Ausdehnung dieser drahtlosen Verbindung auf mehrere Lautsprecher für ein vollwertiges Surround-Sound-Erlebnis. Außerdem soll es nicht mehr notwendig sein, Leitungen von der Soundbar zu allen Signalquellen (Kabelfernseh-Receiver, Spielkonsole usw.) zu verlegen. Hierfür gibt es verschiedene proprietäre Verfahren. In einigen Fällen wird durch Kompression die Bitrate reduziert, um die Anforderungen an die Funkübertragung zu entschärfen. Sieben Audiokanäle plus Subwoofer werden aber von diesen Lösungen dennoch nicht unterstützt.

 

Ein neuer Standard für diesen Einsatzzweck wurde von der ‚Wireless Speaker and Audio association‘ (WiSA) entwickelt. Die WiSA Compliance Test Specification (CTS) skizziert ein Interoperabilitätstest- und Zertifizierungsprogramm für Produkte, die eine drahtlose, störungsfreie Übertragung mehrerer unkomprimierter Audiokanäle in HD-Qualität unterstützen. Dank der Verwendung eines 5 GHz UNII-Bands stehen mehr HF-Kanäle zur Verfügung. Die Konsumenten können somit die Überbelegung vermeiden, mit denen sie es bei 2,4 GHz und in nicht lizenzierten 5-GHz-Bändern zu tun haben können. Die WiSA-Technologie bietet bis zu acht unkomprimierte 24-Bit-Audiokanäle mit Abtastraten bis 96 kHz und einer Latenz von unter 5 ms. Diese Eigenschaften ermöglichen ein Maximum an Audioqualität ohne Kompressions-Artefakte.

 

WiSA-Standard

Wird der WiSA-Standard für die Audioübertragung genutzt, kann eine aktive Soundbar die vorderen LCR-Kanäle (links, Mitte und rechts) übernehmen und die Signale für Subwoofer, Surround und die hinteren Kanäle drahtlos übertragen, um das volle 7.1-Surround-Sound-Erlebnis zu bieten. Die weltweit für besondere, qualitativ hochwertige Systeme bekannte Firma Bang & Olufsen präsentierte anlässlich der CES 2014 vollständig WiSA-basierte Systeme [5].

 

Der WiSA-Standard hält ebenfalls eine Lösung für das Problem der Kabel bereit, die von allen Klangquellen an eine aktive Soundbar verlegt werden müssen. Stattdessen kann ein kleiner Audio-Hub genutzt werden, um die Eingangsquelle zu wählen, die Surround-Sound-Formate zu decodieren und anschließend mit dem WiSA-Standard die 7.1-Audiosignale an alle Lautsprecher zu übertragen. Ebenso kann der WiSA-Sender in das Fernsehgerät 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-Verstärkern, drahtlosen Audioquellen (zum Beispiel Bluetooth) mit Systemen für die drahtlose Übertragung unkomprimierter Audiosignale in hoher Qualität (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 Bücher 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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