关于家庭影院5.1声道输入输出设置的研究

简介:本文介绍了输出设备、家庭影院功放及电视机三者之间的不同连接方式,不同连接方式之间的对比,音频输出格式的选择以及一些相关技术的拓展探讨。本文的内容和结论基于我自己的设备与实践,辅以查阅相关资料验证之后得出。主观上掺杂了部分我对于这些技术的理解,客观上不具备市面所有设备的实践机会,如有错误与疏漏还望大家不吝赐教。

一、前言

相信现在越来越多的朋友都在自己家的客厅组建了5.1、7.1甚至是9.1的环绕家庭影院,这些家庭影院的主功放往往也会整合碟机的功能。在使用它欣赏各种DVD或者蓝光的时候,我们往往不用去关心音频是如何被处理并传输到各个喇叭上发声的。但是现在各种技术越来越发达,随之而来的变化就是我们在欣赏高清视听内容的时候不仅仅拘泥于碟片这一种形式了。现在绝大多数的智能电视都内置了很多高清网络节目源,甚至有些发烧友会组装自己的HTPC用来为电视提供内容。那么这时音频的输出就成为了不得不去关注的要点,因为要把外部源输出的音频信号发送到功放里,那么这时信号的传输路由已经脱离了从功放到喇叭这种简单的两点一线方式,变得复杂起来了。

二、音频信号路由的连接方式

1、旧式模拟回传

在上古时代,可能存在着某些功放设备配备了模拟输入接口,也就是RCA口,也叫莲花口。这些设备一方面除了能将自己解码出来的模拟信号传输到喇叭上以外,还能把从外部直接输入的模拟信号也原封不动地传输到喇叭上。

这种传输方式的优点就是简单粗暴,直接把外部模拟音频传给喇叭出声,不用去关心什么数字格式问题。当然缺点也很明显:线太多导致看起来乱七八糟的不好打理;因为传输的是模拟信号所以线的质量会影响音质;你可能插错线导致音频的映射(Mapping)出问题。

这种方式实在是太原始了,我就不多说了,因为你想象一下:从功放输出到喇叭已经用了6条线,现在竟然还要再来额外的6条线接在功放的输入上,上帝啊!

2、SPDIF数字回传

这个可能是使用得最多的方案了,下面我们来简单介绍一下SPDIF是什么。

S/PDIF(Sony/Philips Digital Interface Format)全称是索尼飞利浦数字接口格式,它是一种用来传输数字音频信号的接口规范。SPDIF接口有两种常见的物理存在形式,一种是RCA接口的同轴线,另外一种是Toslink接口的光纤线。SPDIF可以承载2声道的LPCM信号或压缩过的5.1/7.1声道的环绕信号。LPCM就不多解释了,关于这个压缩过的信号有两种格式,一种是Dolby Digital(也叫AC3),另一种是DTS。

这里来拓展讨论一下数字音频格式的话题。我们知道声音在自然界是以一种波的形式存在的,波是连续不断的,所以声音本质上来讲是一种模拟信号。模拟时代的内容我们就跳过不谈了,毕竟已经太老了,让我们直接进入数字时代。好的我们来到了数字时代,我们想通过数字的方式记录声音,那么该怎么做呢?于是聪明的工程师想到了点子,我们来设计一种编码方式,用这种方式可以把连续不断的模拟信号记录为离散的数字信号,于是PCM编码就诞生了。简单来说PCM编码有两个重要的指标,即采样率(Sample Rate)和位深(Bitdepth),那么这两个指标代表什么意义呢?我们来看一张图。

在这张图中,红色的线表示原始的模拟音频信号,横坐标代表采样率,纵坐标代表位深,灰色的部分为数字化采样之后的数字波形。相信你已经看出来了,原始波形是非常平滑的正弦波,但是数字化之后就变成了锯齿波了,不够贴近原本的样子,那怎么办呢?很简单,提高采样率和位深就行了。所谓采样率就是每秒记录多少次,位深就是每次用多少位的数据长度来对这一次的采样结果进行表达。采样率越高,记录出来的波形就越贴近原始的样子,位深越高,则能表达的波形振幅范围就越宽。我们日常生活中最常见的CD格式就是44.1K/16bit,指的是每秒钟采样44100次,每次采样的结果使用16bit的数据长度进行记录。为什么是44100呢?因为人耳的听力上限是22050Hz,所以采样率用44100就可以记录这个频率以内的所有声音了(想想看为什么?)。

PCM介绍到这里,我们就再来聊聊码率的概念。和视频一样,音频也有码率,所谓码率就是每秒钟的数据量。PCM的码率遵循一个很简单的计算公式:

PCM码率 = 采样率 x 位深 x 声道

举个栗子:CD的规范是44.1K/16bit Stereo,那么CD的码率就是44100 x 16 x 2 = 1411200bps,相信更多的时候你看到的写法是1411Kbps。

那么为什么我们要讨论码率呢,是因为这涉及到一个更重要的话题,那就是带宽。什么是带宽呢,简单来讲就是每秒能够传输的数据的量的多少。比如你家上网的带宽是100Mbps,就代表理论上你的下载速度最多最多能达到每秒100Mbps,换算成字节的话就是12.5MBps。传输网络信号的带宽如此,传输音视频信号的带宽亦然,所以翻回头来看SPDIF,为什么立体声就可以使用无损的LPCM,而5.1/7.1就必须用有损压缩的Dolby Digital或DTS,就是因为SPDIF自身的带宽限制。事实上Dolby Digital和DTS目前都有了无损压缩的版本,分别叫做Dolby True-HD和DTS-HD。在它们最新的无损格式里,都内嵌了有损核心(Core),为的就是兼容SPDIF。

那么使用SPDIF进行回传有什么优点呢,最直观的优点大概就是清爽吧,毕竟只需要一条线就可以搞定5.1/7.1。其实SPDIF还有另外一个技术上的优点,就是音质好。因为SPDIF传输的并不是模拟信号而是数字信号,数字信号不太会受到线缆自身问题而产生的干扰变得失真,而且数字信号传到功放里之后,再由功放进行解码,相信要好于外部源设备自身的解码效果。再多说一句,所谓的解码是把数字格式转换为模拟格式的过程,毕竟最后能让喇叭出声的信号还是模拟信号。

SPDIF的缺点也很明显,带宽不够大,立体声内容可以传输无损的LPCM,但是5.1和7.1就不得不使用有损编码了。

OK,到这里我们休息一下,让我们回顾一下已经聊了什么。我们说了模拟信号和数字信号的区别,数字信号的特点以及两种外部源设备与功放的连接方式。等等,如果我有多个外部源设备该怎么办?我有HTPC,我有PS4,我有Xbox,我有……我想把这些设备的音频都送到功放里我该怎么办?是的,SPDIF看起来很美好(尽管它有带宽不够高的问题),但是绝大多数的功放只提供了一个SPDIF输入口(或许有提供两个的,但是我真的没见过提供更多的),所以实际操作上你可能需要经常去插拔SPDIF线,这很烦人。

那么,欢迎来到HDMI的时代。

3、配备多个HDMI输入接口的功放

欢迎回到现代文明社会,让我们来看看现在的功放都有 什么新花样。随着HDMI接口一统客厅(电脑那边则是DisplayPort接口),很多事情都变得简单了起来,比如配备多个HDMI输入接口的功放。如果你的家庭影院是这样的,那么恭喜你,你只需要把外部源设备的HDMI输出接到功放的HDMI输入上,功放的HDMI输出接电视就可以搞定一切了。这时功放会把外部源设备的音频信号解码之后送到喇叭里,视频信号则直接丢给电视机,而且你还能很方便的使用遥控器切换不同的外部源输入!而且随着HDMI新版本的发布,终于摆脱了SPDIF带宽不足的问题,在HDMI2.0规范里你甚至可以传输32声道,192KHz采样率的音频,WOW!!

别急着高兴,我不得不泼几盆冷水。这种方式看起来很完美,但是也存在着一些问题。1、功放的HDMI输入口再多也多不过电视,当你的外部设备数量庞大的时候,功放的输入口也是捉襟见肘的。2、你不得不一直开着功放,哪怕是在夜深人静你只能用电视机自带的喇叭看球赛的时候。

更正:现在有的功放有HDMI待机直通功能,不需要打开也可以把信号传输到电视上(感谢@koenyeap)

但是这些缺点有点吹毛求疵了,毕竟这种连接方式基本上能够完美满足绝大多数人的需求了。

4、HDMI ARC回传

这个ARC其实完全不是什么新鲜东西,我们来简单介绍一下。HDMI ARC(Audio Return Channel)是在HDMI 1.4版中加入的功能,它的作用是通过功放输出到电视的这条HDMI线,反向把电视的音频回传给功放。

举个栗子,现在的智能电视内置了各种App可以看大片,那么这时电视自己就是源设备,该如何把音频回传到功放上?传统办法是你可以用一根SPDIF线来搞定,但是如果你的电视支持ARC功能,功放也支持ARC,那么你就可以省去这条SPDIF线,直接用HDMI就可以了。也就是说,本来从功放的HDMI输出口到电视的HDMI输入口的这条线,除了承担把功放的视频信号送给电视的工作以外,还额外的承担了把电视的音频信号送给功放的工作。你不仅可以把电视App里面的声音送回给功放,你甚至还可以把电视其他HDMI接口连接的设备的声音也送给功放。

那么相对于上面第三种连接方式,HDMI ARC则解决所有问题。你不必一直开着功放,关了它你就可以使用电视机自己的喇叭而且不影响视频,并且电视机的输入口远多过功放,你所有的设备都有着落了。

那么是不是这一切都完美解决了呢,其实并不然。ARC功能的通道带宽和上面说的HDMI那么夸张的音频带宽是两回事,ARC使用了独立的通道,本质上来讲它的带宽和SPDIF没什么区别,能传输的格式和SPDIF也是一样的,所以你大可以理解为ARC就是把一条SPDIF线内嵌到HDMI里了,那么未来ARC能不能使用HDMI的全部带宽呢,我不知道……

而且ARC功能还有一些兼容性的问题,如果你想使用ARC,那么尽量选择同样品牌的电视和功放,这样可以最大限度的避免不兼容带来的尴尬。这里罗列了近些年常见的电视对于音频回传功能的测试,可以参考一下,当然实际上还是要看具体产品的参数指标。

三、我是怎么折腾的

在我规划客厅设备走线路由的时候,刚好查到了有HDMI ARC这么个东西,顿时喜出望外(那时我还不知道它的带宽和SPDIF是一样的),我觉得我找到了这些设备最完美的连接方法。

我的设备如下:

  • 电视 Sony 55X8500D HDMI4口支持ARC
  • 家庭影院 Sony BDV-N9200WL HDMI Out口支持ARC
  • 游戏机 PS3 PS4 PSVTV
  • HTPC Intel NUC

于是就像上面说的第四种连接方法,我把各种东西一股脑的都插在电视的HDMI口上,然后把功放和电视的HDMI4连接,打开功放的HDMI控制功能,此时ARC确实生效了,其他各种设备的声音都通过ARC回传到功放里,由我的家庭影院喇叭来发声了。

但是后来我逐渐发现不对劲,感觉用HTPC看5.1的视频时,听到的效果并不是5.1的。但是HTPC里面音频设置认为HDMI输出口连接的设备是支持5.1的。但是在进行测试的时候我发现了问题,点击左后和右后的音箱,声音还是从左前和右前出来的,于是我意识到这或许是ARC的问题,我开始查电视和功放的说明书,试图在里面找到有用的信息。

音频:5.1声道线性PCM:32、44.1、48、88.2、96、176.4和192 kHz,16、20 和 24 比特,Dolby Digital 和 DTS
ARC(Audio Return Channel)(仅限 HDMI输入4)

这是我在电视机的说明书中找到的规格描述,看来实际上电视机自己的HDMI接口规格很高,那么问题可能是出在功放上。

输入(数字)
TV (音频回传信道/OPTICAL)
支持的格式:LPCM 2CH (高达48 kHz),杜比数字技术,DTS

果然,问题出在功放的ARC回传支持上,看起来就和SPDIF的规格没什么两样。问题到这里也就很清楚了,在HTPC的音频设置里,虽然我把扬声器配置为5.1,但是这个5.1指的是LPCM5.1,我的功放是不支持的,所以会自动被电视Mixdown至2.0然后送给功放。

那么要解决这个问题就有两种方法:1、把这些设备接到功放的HDMI In上,采用上文的第三种连接方式;2、不用LPCM。第一种方法我比较抗拒,因为我的功放并非HDMI2.0接口,如果把HTPC和PS4都接上去,则会无法输出4K分辨率,PS4更是失去了HDR功能,所以对于我来讲,可行的办法只有第二种。

接下来我会介绍如何使用非LPCM的方式输出音频,使得我的HTPC和PS4都能在ARC回传的状态下正常的输出5.1。

四、如何使ARC正确的输出5.1声道

要想让ARC回传能正确的输出5.1只需要记住一个要点,那就是不要用LPCM,说白了就是这么简单,那么来说一下具体如何操作。

PS4很简单就不截图了,在系统设置的声音与显示器设置里更改音频输出格式为优先使用DTS,当然也可以使用Dolby Digital,但是DTS的码率要比DD高不少,所以还是推荐DTS。

HTPC的情况略微有点复杂这涉及到播放器与解码器搭配的问题,我会以我的使用情景为栗子来说明。首先是MPC-BE配合LAV Filter,这是我电脑的常用搭配,在这种搭配下,MPC-BE的音频渲染器要使用MPC Audio Renderer,安全起见改成共享模式,不要用独占模式。然后是LAV Audio Decoder,在Bitstreaming(S/PDIF, HDMI)项目里面勾上Dolby Digital和DTS,至于其他的项目只要你的功放回传能支持就都可以勾上。这样设置以后,MPC-BE在播放视频文件时如果遇到了Dolby Digital或者DTS格式的5.1音频,则不会将它解码为LPCM而是直接保持源编码格式传给功放,由功放进行解码,则5.1能够正常输出。

当然实际情况是我在HTPC上用的最多的是Kodi,毕竟NUC支持红外遥控器,而且Kodi的UI设计非常符合电视的使用场景。在Kodi中,设置方法是进入系统设置,把左下角的设置级别改成专家,将音频输出设备改为WASAPI,然后将下面音频直通输出改为允许,把直通输出设备改为WASAPI,打开功放支持的数字格式,这样Kodi在播放视频的时候也会像MPC-BE搭配LAV Filter一样把原始编码格式直接传输给功放。

至于其他播放器和音频解码器应该大同小异,类似的设置应该很容易就可以找到。

五、总结

啰哩啰唆写了将近6K字,不知道对朋友们有没有什么帮助。实际上我从开始折腾到发现问题到查阅各种资料甚至还给索尼的客服打过咨询电话,里里外外用了几个月的时间。虽然很折腾,但是也是一次很好的学习,毕竟经过这次之后我理解了为什么Ture-HD和DTS-HD格式要保留一个所谓的有损核心,为什么国外一些Ripper不把原盘里的AC3和DTS编码成AAC,这些东西真的只有自己用到的时候才能理解它存在的意义。

现在我的客厅已经捣鼓完毕,可以很开心的看5.1的电影,也可以用PS4玩支持5.1输出的游戏(如The Last of Us、如龙6),如果你也有类似的使用需求那么就动手来搭建它吧,5.1声道给你的回馈绝对是物有所值的。

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