10.06.2015

Techniken fĂŒr qualitativ hochwertige Soundbars




Bild 1 [zum VergrĂ¶ĂŸern in das Bild klicken] zeigt die Hauptbestandteile einer typischen aktiven Soundbar. Wegen der beengten PlatzverhĂ€ltnisse in einer Soundbar verteilen sich die wichtigsten Funktionen meist auf mehrere Leiterplatten. Der I2S-Standard fĂŒr Audiosignale wird zum Übertragen der verschiedenen AudiokanĂ€le 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 fĂŒr die Lautsprecher vorhanden, bei denen es sich um Tief- und Hochtöner fĂŒr die linken, rechten und mittleren KanĂ€le handelt.
Bild 2 [zum VergrĂ¶ĂŸern in das Bild klicken] ist ein Screenshot des Designtools fĂŒr das VerstĂ€rker-IC TAS5727 zu sehen. Dieser Baustein kam auch in der elektronischen Frequenzweiche und fĂŒr die die Treiberkorrektur des im Artikel beschriebenen Prototyps zum Einsatz. Die unkomplizierte BenutzeroberflĂ€che, die typisch fĂŒr Bauelemente dieser Art ist, macht das Verbessern der TonqualitĂ€t des Treibers wesentlich einfacher, als es mit den passiven Frequenzweichen traditioneller Lautsprecherdesigns möglich wĂ€re.

 

Autor: Brewster LaMacchia, Momentum Data Systems

 

Moderne FernsehgerĂ€te werden immer flacher, ihr Volumen schrumpft erheblich. Dass unter dieser Tatsache die TonqualitĂ€t leidet, lĂ€sst sich in Anbetracht der physikalischen Gesetze kaum vermeiden. Gleichzeitig enwickeln sich die Audio-Inhalte von Stereo zu hochauflösenden mehrkanaligen Formaten weiter. Auch verĂ€ndert sich ungeachtet der wachsenden KomplexitĂ€t der Audioquellen und –inhalte die Erwartungshaltung der Konsumenten: Sie sind kaum mehr bereit, HandbĂŒcher zu lesen, sich mit aufwĂ€ndigen Setup-MenĂŒs herumzuschlagen oder die eigenen WohnrĂ€ume zu verkabeln, um mit Surround-Sound echtes Kino-Feeling aufkommen zu lassen.

 

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

 

Bassmanagement

Ein kritischer Aspekt qualitativ hochwertiger Soundbars ist das Bassmanagement. Wegen der geringen GehĂ€useabmessungen und des eingeschrĂ€nkten Platzangebots fĂŒr 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 GefĂŒhls, mittendrin zu sein.

 

Damit nicht alle Lautsprecher KlĂ€nge bis zur typischen unteren Hörgrenze von 20 Hz wiedergeben mĂŒssen, leiten Surround-Systeme ebenso wie einige Stereoanlagen die Bassenergie der verschiedenen KanĂ€le 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-FernsehgerĂ€t 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 eingeschrĂ€nkte GehĂ€usevolumen fĂŒhrt in der Regel zu niedrigen akustischen Empfindlichkeiten, sodass sich bei gegebener Eingangsleistung nur ein begrenzter Schalldruck erzeugen lĂ€sst. Klasse-D-VerstĂ€rker [2] haben den Weg zu kleinformatigen Subwoofern geebnet, da sie viel VerstĂ€rkerleistung bieten und dabei weniger WĂ€rme erzeugen als traditionelle Klasse-AB-VerstĂ€rker.


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 lĂ€nger dauernder Überhitzung geschĂŒtzt ist.



Prototyp von MDS

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


Der DSP-Core des SoC ĂŒbernimmt die Decodierung des Inhalts, das Bassmanagement und weitere Nachbearbeitungs-Aufgaben. Ein erster Hörtest mit der Soundbar ergab, dass die TonqualitĂ€t bei VokalstĂŒcken zu wĂŒnschen ĂŒbrig ließ. Außerdem wurde eine Unausgewogenheit zwischen der Basswiedergabe und dem ĂŒbrigen System festgestellt. Man modifizierte deshalb das Bassmanagement, verstellte die Frequenzweichen-Einstellung zwischen Mittel-Tieftöner und Hochtöner und nahm eine geringfĂŒgige Korrektur im Bereich zwischen 1,2 kHz und 3 kHz vor. Dies ergab eine KlangqualitĂ€t, die bei A/B-Tests favorisiert wurde . Siehe hierzu Bild 2.

 

Kompensation der Raumakustik

Der Einsatz eines DSP zur Verbesserung der KlangqualitĂ€t lĂ€sst sich noch weiter ausdehnen, um sich den Vorlieben des Zuhörers anzupassen, ohne dass es wie bei traditionellen Frequenzweichen fĂŒr passive Lautsprecher notwendig ist, verschiedene Bauelemente zuzuschalten. Der DSP bietet Audiounternehmen ferner die Möglichkeit zur Einbringung proprietĂ€rer 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 GerĂ€ten oder aus Cloud-Services abzuspielen. Die Kombination eines ARMÂź-basierten Hostprozessors mit einem leistungsfĂ€higen DSP erlaubt die Realisierung einer Soundbar mit allen Funktionen, die sich die Konsumenten wĂŒnschen. Das im oben erwĂ€hnten Beispiel verwendete SoC des Typs TMS320DA830 von Texas Instruments enthĂ€lt beispielsweise in einem einzigen Baustein einen ARM-Core und einen Gleitkomma-DSP-Kern, kombiniert mit einer großen Zahl digitaler I2S Audioschnittstellen. Es unterstĂŒtzt so den direkten Anschluss an einen HDMI-Transceiver fĂŒr den Eingang und an Klasse-D-VerstĂ€rker-ICs mit digitalem Eingang fĂŒr die Ausgabe.


Der DSP decodiert mehrkanalige, im Dolby- und DTS-Verfahren komprimierte Audioformate zu mehrkanaligen Surround-Audio in PCM-Technik. WĂ€hrend zu Beginn der 2000er Jahre fĂŒnf KanĂ€le der Standard waren, sind jetzt Systeme mit elf KanĂ€len an der Tagesordnung. Neuere Formate unterstĂŒtzen sogar eine praktisch unbegrenzte Zahl von Audio-ObjektkanĂ€len, die dann auf die gewĂŒnschte Anzahl physischer Lautsprecherstandorte verteilt werden.



Drahtlosfunktionen integrieren

Die Ausstattung der Soundbar mit einem unter Linux laufenden Hostprozessor macht das HinzufĂŒgen von Drahtlosfunktionen wie BluetoothÂź oder Wi-FiÂź wesentlich einfacher, denn die Protokoll-Stacks stehen entweder in Community-unterstĂŒtzten Versionen oder in Form kommerziell unterstĂŒtzter Softwarebibliotheken zur VerfĂŒgung. Bluetooth enthĂ€lt den SBC-Codec [3] fĂŒr Stereo-Audio, der bei seiner höchsten Bitrate ein QualitĂ€tsniveau erreicht, das dem typischer Download-Inhalte im MP3/AAC-Format nahekommt [4]. Die meisten Bluetooth-fĂ€higen Stereo-Audio-GerĂ€te unterstĂŒtzen AAC, doch merkwĂŒrdigerweise gibt es nahezu keine Quelle aus portablen ElektronikgerĂ€ten fĂŒr 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-VerstĂ€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 FernsehgerĂ€t selbst, mĂŒssen aber mit allen Audioquellen und dem TV-GerĂ€t verkabelt werden. Einige Konsumenten ziehen auch das von fĂŒnf oder sieben realen Lautsprechern gebotene Klangerlebnis den psychoakustischen Methoden vor, die bei einer unterhalb des Bildschirms angeordnete Soundbar angewandt werden. Beiden FĂ€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 großen Abmessungen so platzieren lĂ€sst, dass er nicht im Weg ist und/oder eine bessere Basswiedergabe erzielt. Mehrere Unternehmen bieten Bauelemente fĂŒr diesen Zweck an. In dem weiter oben beschriebenen System kam beispielsweise das PurePathℱ Wireless Audio IC CC8520 von TI zum Einsatz.

 

Kompression und mehr

Das Problem besteht in der Ausdehnung dieser drahtlosen Verbindung auf mehrere Lautsprecher fĂŒr 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. HierfĂŒr gibt es verschiedene proprietĂ€re Verfahren. In einigen FĂ€llen wird durch Kompression die Bitrate reduziert, um die Anforderungen an die FunkĂŒbertragung zu entschĂ€rfen. Sieben AudiokanĂ€le plus Subwoofer werden aber von diesen Lösungen dennoch nicht unterstĂŒtzt.

 

Ein neuer Standard fĂŒr diesen Einsatzzweck wurde von der ‚Wireless Speaker and Audio association‘ (WiSA) entwickelt. Die WiSA Compliance Test Specification (CTS) skizziert ein InteroperabilitĂ€tstest- und Zertifizierungsprogramm fĂŒr Produkte, die eine drahtlose, störungsfreie Übertragung mehrerer unkomprimierter AudiokanĂ€le in HD-QualitĂ€t unterstĂŒtzen. Dank der Verwendung eines 5 GHz UNII-Bands stehen mehr HF-KanĂ€le zur VerfĂŒgung. Die Konsumenten können somit die Überbelegung vermeiden, mit denen sie es bei 2,4 GHz und in nicht lizenzierten 5-GHz-BĂ€ndern zu tun haben können. Die WiSA-Technologie bietet bis zu acht unkomprimierte 24-Bit-AudiokanĂ€le mit Abtastraten bis 96 kHz und einer Latenz von unter 5 ms. Diese Eigenschaften ermöglichen ein Maximum an AudioqualitĂ€t ohne Kompressions-Artefakte.

 

WiSA-Standard

Wird der WiSA-Standard fĂŒr die AudioĂŒbertragung genutzt, kann eine aktive Soundbar die vorderen LCR-KanĂ€le (links, Mitte und rechts) ĂŒbernehmen und die Signale fĂŒr Subwoofer, Surround und die hinteren KanĂ€le drahtlos ĂŒbertragen, um das volle 7.1-Surround-Sound-Erlebnis zu bieten. Die weltweit fĂŒr besondere, qualitativ hochwertige Systeme bekannte Firma Bang & Olufsen prĂ€sentierte anlĂ€sslich der CES 2014 vollstĂ€ndig WiSA-basierte Systeme [5].

 

Der WiSA-Standard hĂ€lt ebenfalls eine Lösung fĂŒr das Problem der Kabel bereit, die von allen Klangquellen an eine aktive Soundbar verlegt werden mĂŒssen. Stattdessen kann ein kleiner Audio-Hub genutzt werden, um die Eingangsquelle zu wĂ€hlen, die Surround-Sound-Formate zu decodieren und anschließend mit dem WiSA-Standard die 7.1-Audiosignale an alle Lautsprecher zu ĂŒbertragen. Ebenso kann der WiSA-Sender in das FernsehgerĂ€t selbst eingebaut sein, um den an Radios der 60er Jahre erinnernden Sound der Flatscreen-Lautsprecher von vornherein zu vermeiden.

 

SelbstverstÀndlich 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-VerstĂ€rkern, drahtlosen Audioquellen (zum Beispiel Bluetooth) mit Systemen fĂŒr die drahtlose Übertragung unkomprimierter Audiosignale in hoher QualitĂ€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 BĂŒcher 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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