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“物理极限下的舞蹈”——Gerrit Buhe先生(森海塞尔公司电子与信号处理研发主管)访谈录

PrincessX 添加于 2012-09-15 ·

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Buhe先生,您在Digital 9000系统的开发和研究上已经花费了大约十年的心血和精力,现在回顾起来,您觉得所遇到的最大挑战是什么?

对我来说最大的挑战是这十年来一个形影不离的问题:无线麦克风系统要采用数字传输方式,要实现非常出色音质,这需要让整个系统充分利用每一点可利用的资源,让他们在接近物理极限的状态下工作。一旦我们迫近这个物理极限,技术上的复杂性会几何数量级地增加。我们需要关注每一个方面的诸多细节,攻克无数技术、设计甚至工艺方面的难关,让每一个部件在迫近物理极限的情况下都能完美地相互配合,并稳定工作。如此我们才得以实现比预期更高的数据传输率,用以传输高保真无压缩的数字音频信号。

我们现有的高端无线话筒仍然采用了模拟技术,但由于其杰出的稳定性和多通道能力,而在很多重要的大型活动和演出中得到应用。而且通道数会非常之大,这几乎已经成为了行业的标准。而我们新推出的数字无线系统必须在每一个细节上都比模拟无线系统要好才行,这是我们对自己的最低要求!而这也是为什么我们选择继续使用UHF频率范围的原因,因为这是今天唯一适合大型多通道系统使用的频率范围。但在UHF频率范围内使用无线系统的时候,其工作带宽必须符合相关的法规。这样就限制了数据的传输速率。另外,要提高数据传输速率,良好的信噪比也是先决条件。这是物理上的限制,你没有办法逃避。最终我们把目标集中于确保在UHF频带内实现高度可靠的无线数据传输速率,这样带来的结果便是最佳的音频质量和更好的动态范围。为了达到这个目标,我们首先采用了最现代的、频谱效率最高的调制方法;然后我们开发出了大量精密的附加算法,将非音频的数据缩减到最小。

现在您觉得您和您的团队已经开发出了理想的数字无线话筒了吗?

(Buhe笑道)绝对理想的数字无线话筒是不存在的——但是我觉得我们已经离那个理想的东西非常接近了!严格来说,实际上并没有一个所谓的理想话筒可以对付所有的实际应用,原因就是我之前提到过的物理限制,数字话筒也必须明智地平衡各项参数,比如说对于电池续航时间、尺寸和重量,或者工作距离。为此,我们的系统为用户提供了两种可选择的工作模式,这样就可以适用于更广泛的实际需求。我们的Digital 9000系统的表现是前无古人的,在UHF频段内,从来还不曾有人实现过如此高质量的无线音频传输。

这个系统提供的两个模式是什么呢?

一个叫做HD mode,即高音质模式,还有一个叫做LR mode,即长距离模式。高音质模式提供了不妥协的音频质量,他在传输时并不会对数字音频信号进行码率压缩——用起来就像在使用一支有线话筒一样。这种模式甚至开创了无线话筒应用的一个全新的领域。比如说,以前在苛刻的爵士音乐会上,是只能使用有线话筒的,因为模拟无线系统中存在信号动态压缩扩展器,经过这种处理的声音被苛刻的用户认为无法原汁原味地表现被爵士歌手的音乐风格。而Digital 9000系统不仅仅避免了使用压缩扩展器,而且还可以在不压缩信号的情况下无线传输信号,换句话说就是它保留了音频数据的完整性。至今为止还没有别的厂商可以提供如此高精度的无线传输模式,我们的这个技术真是独一无二的。

长距离模式是我们在所有关键的情况下能肩负起重任的模式。他可以在苛刻的RF环境下提供极高的稳定性。这个模式使用了我们自己研发的森海塞尔数字音频编解码器,这个编解码器也是我们无可非议的骄傲之作,因为他也能给我们带来出色的音频质量。

这个编解码器有什么特别之处呢?

有了这个编解码器,长距离模式就如同传统的模拟FM传输方式一样稳定可靠,而音质比模拟系统还要好。就像Digital 9000系统里的许多组件一样,这个编解码器也有自己的故事。最开始我们想在市场上寻求购买一种现成的编解码器,但最后发现没有一个可以满足我们的需求。我们定的标准太高了。市场上现有的产品要么是延迟方面不如意,要么就是动态、或者失真产物上有太大差距。接下来我们经历了一段相当长时间而且紧张的研发,我们与这个领域内的一些大学和专家们进行了合作,比如说位于汉堡的Helmut Schmidt大学的Zölzer教授。


不幸的是,在这个阶段我们并没有达到决定性的突破,但是我们找到了解决各种情况的重要方案,同时也获得了许许多多关于音频压缩的经验,这使得我们更坚定了继续研发一个属于自己的编解码器的信心。而我们不屈不挠的精神终于见了成效:SeDAC的音质非常非常的高,同时也确保了稳定的工作性能,即便在误码的影响下也没问题,这对于数字传输是极端重要的,因为数字系统并不像模拟系统那样 “宽容”,我们把一个特殊的误码掩盖技术整合进了编解码器中,他包含了我们自己的技术以及Zölzer教授研发的一种处理技术。同时误码掩盖技术也确保了音频信号即使在最远的工作距离下也能够可靠的被拾取到,这就让Digital 9000系统可以比其他系统能够更好的更长时间的稳定工作。

为什么说模拟系统更为宽容?误码掩盖技术又是如何工作的呢?

模拟系统的宽容特性的一个例子就是当他们在信号场强突变的时候是如何表现的。在接收信号的时候,如此快速的变化是多径传输造成的,这个现象也是几乎无处不在。而在模拟系统中,这样的信号场强突变将会导致信噪比的降低,由于心理声学的原因,这样子通常不会造成严重的后果。而在数字系统中,你需要在智能天线分集和误码纠正处理上下更多的功夫,才能避免数据流丢帧,或者更糟糕的是音频信号的中断。

对于这个误码掩盖技术,也可以说我们是把人性化融合到了他的算法里面。在这个系统里面,几个固定的和一个自动适应的预测器同时工作,他们会各自预测下一个采样将是怎样的。这些预测结果会根据实际情况进行评分。如果由于信号干扰的问题而导致音频信号丢失,得分最高的预测器就会作出相应的预测并且修复这个音频信号。这些误差实际上比1毫秒还要短得多。对于那些长一点的音频信号误差,进一步的处理方法就是检查这个信号是否值得修复,或者系统是否应该静音。所有的这些处理都必须在没有额外延迟的情况下完成,这也是我们遇到的最特别的挑战之一。

Digital 9000系统不再需要互调计算了,为什么会这样呢?

Digital 9000不仅仅是一个数字的里程碑;他还大大的改进了无线传输的质量。这个系统经过了非常仔细的设计,每一级电路都具有最大程度的线性表现,比如说,过去当两个无线发射机非常接近的时候,经常会发生强烈的互调干扰。由于Digital 9000运用了数字调制的技术,发射机的输出级需要在尽量线性的情况下工作,否则接收端就不能将用于代表0或1的众多振幅和相位信息区分开来。为了实现电路的线性性能,我们提升了发射机的功耗,发射机的工作时间因此受到一定影响,但这样做提升了发射机的线性,降低了调制过程中产生的失真,也抑制了发射机之间的互调失真。此外,发射机输出级还安装了环行器, RF信号只能由发射机输出,反向进入的RF信号经过隔离,不会对发射电路产生有害影响。

数字技术是否让所有东西都变得容易实现了呢?

我宁愿说数字技术是一种不可思议的当代技术,他可以让事物看起来简单,但是实际上他是基于或者说是需要高度复杂的内部程序处理的一种东西。比如说其中的一个挑战就是稳定的传输。常规用来增强稳定性的数据传输方法是不能用在麦克风上的,因为他们会大大增加整个系统的延迟量。艺术家在表演的时候,是需要在监听系统中听到他们自己的声音的,所以他们不可能接受那种带有延迟的回声似的效果。也不可能在现场去应对那些10毫秒延迟所带来的令人无法接受的声音染色。这些声染色是由于某些声音频率上的相位抵消而引起的(也称作梳状滤波效应),同时这种声音也是极度令人讨厌的。

如果大多数常规的方法都不能用的话,那么我们是如何确保稳定的传输和误差保护的呢?

我们有一个解决方案已经申请了专利,我们称为“相关适应性RF通道编解码技术”。我们需要最佳的误码保护功能,但希望用尽可能小的数据传输速率来实现。节省下来的数据传输率可用于传输音频数据。接收到的数据元会被检测,并分成若干组。在这些组里有所谓的“LSB最低位数据”,这些数据的误差通常不会造成任何后果。对这些数据采用初级的误码保护就完全足够了。对于更重要的数据元,误码保护的强度就会直线上升。所以一个潜在的误码可能对听感造成的影响越大,系统就会有越高的误码保护功能在起作用。

数字传输链路的运行特点与模拟传输链路是不一样的吗?

RF信号传输的物理特性当然是一样的。可问题在于,虽然我们拥有数十年关于模拟调频传输的实践经验,但如果想建立模拟FM传输路径的数学模型,我们却没有相关的理论数据。而对于移动通信来说,这样的数据已经存在了很长时间了。比如说,我可以查找在丘陵地带以50公里速度移动的发射机的模型数据,以及其他典型应用模式的基本数据。对于我们无线话筒的应用,我们首先需要收集这些数据。所以我们调查了世界上许多著名的大厅和场馆,进行了测量,以便了解在现实环境中,究竟存在什么样的失真,并且考虑我们应该如何解决这样的问题。然后我们将这些“传输通道”进行建模,也是为了优化我们的数据传输算法。这个算法的作用是为了平衡音频信号或者用于天线分集技术中。

谈到天线分集:9000系统的接收机使用的是True-Bit Diversity技术。他与True Diversity有什么不同呢?

在无线传输过程中,信号由于多径反射的存在,会发生特别严重的抵消。换句话说就是由于墙壁、建筑物或者物体的反射,会造成信号的衰落。由于这个原因,我们就使用了两个天线和两个完整的接收通道,并将这两条通道接收到的信号解调为数据码流。此外,接收器还会评估每个通道里被解调的码流的可靠性。但是传统模拟调频的True Diversity系统就只检测接收到的射频信号的强度,Digital 9000系统会对2个独立通道的码流进行校验,并根据每个比特数据的可靠性情况,将2个通道的码流整合起来。误差的识别和纠正就可以从2个通道的码流数据,以及他们的可靠性情况中得到很多重要信息。更多的误差就可以被纠正过来。我们在这种分集接收的技术上花费了很多精力以提升其可靠性。这种对于数据传输的每个方面的细节都非常关注的态度,造就了一个真正先进的数字无线传输系统。

翻译:陈子骞



文章出处 http://www.sennheiser.com.cn

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