【導讀】在揚聲器系統(tǒng)設計中，分頻器是實現(xiàn)音質優(yōu)化的關鍵環(huán)節(jié)。隨著數(shù)字信號處理（DSP）技術的普及，其與傳統(tǒng)全模擬系統(tǒng)之間的性能差異成為行業(yè)關注的焦點。本文通過搭建科學的測試平臺，對兩種方案在音頻控制精度、系統(tǒng)靈活性與成本效益等方面進行客觀比較，旨在為音響制造商與系統(tǒng)集成商提供基于實測數(shù)據(jù)的決策參考。
摘要
在揚聲器系統(tǒng)設計中，分頻器是實現(xiàn)音質優(yōu)化的關鍵環(huán)節(jié)。隨著數(shù)字信號處理（DSP）技術的普及，其與傳統(tǒng)全模擬系統(tǒng)之間的性能差異成為行業(yè)關注的焦點。本文通過搭建科學的測試平臺，對兩種方案在音頻控制精度、系統(tǒng)靈活性與成本效益等方面進行客觀比較，旨在為音響制造商與系統(tǒng)集成商提供基于實測數(shù)據(jù)的決策參考。
簡介
在權衡數(shù)字信號處理(DSP)與全模擬的揚聲器系統(tǒng)的優(yōu)缺點時，往往涉及到許多因素。因此，近年來，DSP技術在揚聲器設計領域的應用成為了備受爭議的話題。
對于模擬方法，雙向系統(tǒng)中的傳統(tǒng)無源模擬分頻器網絡廣為人知，無需模數(shù)轉換，并提供最小群延遲和近零延遲。一些制造商將“全模擬設計”標榜為差異化賣點，但也有一些消費者認為DSP會降低音質。
然而，越來越多的制造商和系統(tǒng)集成商開始認識到DSP技術在針對性設計改進方面的潛力。例如，在高端錄音室，DSP技術非常關鍵，可以在經過專業(yè)處理的室內環(huán)境中，精確調整監(jiān)測系統(tǒng)。
本文旨在量化使用DSP設計揚聲器系統(tǒng)的一些優(yōu)勢和權衡取舍。通過詳實的測量結果和分析，我們將基于數(shù)字驅動的匯總結果，簡要總結與傳統(tǒng)模擬方法相比，基于DSP的實現(xiàn)所具備的優(yōu)勢。
方法
本文選用了高質量組件，旨在通過測量評估與傳統(tǒng)模擬分頻器實現(xiàn)方案相比，DSP實現(xiàn)方案能否實現(xiàn)性能的提升。數(shù)字分頻器的設計旨在模仿具有每通道均衡的模擬雙功放系統(tǒng)的拓撲結構，主要目標是降低頻率響應的標準偏差，并證實DSP不會犧牲系統(tǒng)的其他測量屬性。
圖1為完整的信號鏈拓撲結構。
圖1.使用SigmaStudio的數(shù)字濾波器拓撲結構方框圖。
SigmaStudio?中數(shù)字分頻器的拓撲結構：
1. 缺陷糾正：修復各個揚聲器系統(tǒng)中的窄帶問題。
2. 立體聲分頻器模塊：提供多種分頻類型供設計人員選擇。
3. 立體聲均衡器：控制分頻器的高、低輸出通道的均衡(EQ)。
4. 增益控制：為每個分頻器輸出單獨啟用電平匹配。
5. 時間對齊模塊：通過非常精細的延遲參數(shù)，實現(xiàn)同相響應匹配。
6. 預判限幅器：提供驅動器保護功能。這會增加額外的延遲，錄音室等對此要求較高的場景不建議使用。
圖2.測試和測量設置。
測試設置
測試設置（圖2）使用Acoustic Elegance TD15H-4s作為低音揚聲器，并搭配以線性響應、低分頻點和寬擴散特性著稱的ESS Heil Air Motion Transformer?中高頻器件。這些揚聲器與高性能無源分頻器（圖3）相結合，并由Behringer NX1000放大器供電，該放大器在4 Ω時的每通道輸出功率可達300 W，THD為0.05%。
DSP系統(tǒng)測量組合采用了ADI公司的EVAL-ADAU1467Z和SigmaStudio平臺（針對SigmaDSP?產品的免費編程環(huán)境）。SigmaStudio是基于模塊的IDE圖形用戶界面，支持EQ、分頻、路由、延遲、計量和限幅等特性。該系統(tǒng)的輸出由單獨的高通和低通線路級模擬音頻信號組成。其中，高通輸出饋入ICEpower 1200AS，而低音揚聲器則由Behringer驅動。
測試室經過初步處理，面積約為5.7 m × 6.4 m。在整個測試過程中，揚聲器位置和房間保持一致。
圖3.無源模擬分頻器網絡組件。
結果：室內響應
第一個測試是比較數(shù)字分頻器與模擬無源分頻器網絡的性能。測量兩個系統(tǒng)產生的聽音位響應時，請注意，DSP系統(tǒng)的平滑頻率響應與理想平坦頻率響應的標準偏差較小（圖4）。
在自由場中，模擬系統(tǒng)的低音揚聲器（20 Hz至800 Hz）標準偏差為4.2 dB，而數(shù)字系統(tǒng)的偏差為2.9 dB。對于高音揚聲器區(qū)域（800 Hz至20 kHz），模擬和DSP系統(tǒng)的標準偏差均在高端1型聲級計的測量誤差范圍內。
為獲得更好的主觀聆聽響應，模擬系統(tǒng)對整形網絡進行了輕微調整，這正好解釋了圖中高頻和中頻之間的增益差異。分頻器的低音揚聲器低通輸出沒有整形網絡。
圖4.模擬分頻器網絡與數(shù)字未校正網絡的室內響應。
結果：分頻器響應
接下來，通過使用插入Audio Precision APx555的模擬探頭，以電氣方式測量分頻器的響應。正如預期，通過DSP的分頻器十分平滑，左右通道之間沒有變化。系統(tǒng)還使用了中心頻率為 800 Hz的四階24 dB/倍頻程Linkwitz-Riley濾波器。這樣的規(guī)格設置通常出現(xiàn)在成本較高的模擬系統(tǒng)中。
盡管模擬系統(tǒng)的容差低且采用了優(yōu)質組件，但左右通道之間的響應仍存在差異（圖5）。這凸顯了在大規(guī)模生產揚聲器系統(tǒng)時，揚聲器組件必然存在的個體差異。
在模擬系統(tǒng)中，揚聲器組件的變化只能通過增加分頻器網絡復雜性、嚴格匹配網絡與驅動器的特性或縮小揚聲器組件的容差來補償。所有這些解決方案都增加了達到市場質量要求所需的成本。
然而，數(shù)字分頻器系統(tǒng)可以輕松修正組間差異。如果因低音揚聲器沒有在預期位置滾降而需要調整發(fā)聲配置，這種情況僅需通過軟件調整，而無需替換硬件。得益于這種靈活性，制造商能夠接受容差較大的驅動器，同時仍能保障質量并降低缺陷率。此外，通過快速校正部件差異，設計人員有更多時間來微調每個系統(tǒng)的整體發(fā)聲配置一致性。
圖5.模擬和數(shù)字系統(tǒng)分頻器網絡的響應。請注意，數(shù)字左右通道都存在，但在圖中完全重疊。
結果：延遲
模擬分頻器和放大器實現(xiàn)了近零延遲，相比之下，有時很難測得DSP的延遲。為了量化該延遲，我們測量了APx555的數(shù)字分頻器（模擬輸入到模擬輸出），結果發(fā)現(xiàn)無論EQ校正如何，寬帶系統(tǒng)延遲均為3.4 ms。除了對時間要求嚴格的環(huán)境，例如專業(yè)錄音設置，在其他所有環(huán)境中該延遲都可以忽略不計。例如，Bluetooth? Classic的延遲通常超過100 ms。
結果：EQ響應
最后，DSP可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)難以媲美的實時控制和調整，進而支持在室內的聽音位調整EQ響應。這樣便能進一步優(yōu)化系統(tǒng)，包括降低觀察到的峰值（某些情況下房間效應會導致峰值）、擴展頻率響應以及匹配高音揚聲器和低音揚聲器的增益。
圖6.通過EQ模塊調整進行模擬與數(shù)字校正。
DSP：綜合發(fā)聲配置方法
模擬分頻器設計需要構建濾波器組，其中每個部分根據(jù)特定的設計參數(shù)進行匹配。該方法非常適合分治處理聲學與電氣領域的問題。然而，如果揚聲器不匹配，精心設計的濾波器組將失去意義，因為最終聽眾聽到的聲音實際上是電氣和聲音的復合響應。
使用DSP可實現(xiàn)綜合發(fā)聲配置方法。揚聲器帶寬和靈敏度可通過軟件校正。無需阻性網絡便可匹配通道增益，僅需通過SigmaStudio滑桿調節(jié)。如果揚聲器的滾降早于預期，可以上下調整分頻器頻率來校正，而無需更改組件值或重新設計網絡。
根據(jù)聽音位測量結果應用EQ校正時，與模擬響應相比，整體系統(tǒng)頻率響應更趨平坦（圖6）。高頻率通過高架濾波器擴展，低音頻率也得到增強。可以針對特定聽音位，輕松調整房間模式。
利用DSP實現(xiàn)對齊靈活性
集成DSP的另一個設計優(yōu)勢在于能夠對時間對齊進行微調，并校正低音揚聲器和高音揚聲器之間的不匹配。在傳統(tǒng)模擬設計中，必須仔細對齊物理組件以避免相位和頻率響應問題。這不僅限制工業(yè)設計自由度，還可能需要構建多個原型來測試對齊屬性。
通過DSP，設計人員可以獲得更大靈活性，以便創(chuàng)造出差異化產品。通過在SigmaStudio中反轉其中一個換能器的極性并測量頻率響應，可以輕松識別和校正所有未對齊現(xiàn)象。在帶有完全對齊響應的分頻點，將觀察到精確零點。這可以在預生產狀態(tài)下快速實現(xiàn)。
濾波器設計優(yōu)化
在系統(tǒng)發(fā)聲配置中，最直接的濾波器設計方法是使用預定義的濾波器類型（低通、高通等）和濾波器級別類型（巴特沃茲、切比雪夫、橢圓和貝塞爾）。現(xiàn)代濾波器設計通常使用約束優(yōu)化方法，如Parks-McClellan和Yule-Walker。
通過使用DSP和SigmaStudio，原始拓撲結構可簡化縮小為四個濾波器和四個限幅器。頻率平坦度、相位響應、時間對齊和截止區(qū)都可用作約束優(yōu)化中的約束條件。將數(shù)字濾波器的有限和無限脈沖響應（FIR和IIR）相結合可擴展更多的優(yōu)化選項。
此外，數(shù)字揚聲器發(fā)聲配置支持更多平臺重用，因為許多產品具有不同的驅動器組合，但對揚聲器的功率要求相似。通過使用DSP，單電路板可用于多個產品。模擬分頻器設計不提供該功能，而在模擬分頻器設計中，可調性和拓撲結構在初始設計時已確定。在數(shù)字分頻器設計中，拓撲結構和可調性只是可以隨意替換的變量。
圖7.自由場測試設置。
測試自由場響應
為避免反射干擾，最終測試在開放空間（本例中為實驗室的屋頂）進行，以了解揚聲器中的自由場響應（圖7）。自由場響應是一項重要測試，可驗證DSP是否會引起振鈴偽影或群延遲。
查看模擬和數(shù)字系統(tǒng)的頻譜圖（圖8）后發(fā)現(xiàn)，數(shù)字系統(tǒng)中未出現(xiàn)額外的振鈴。這證實了DSP分頻器不會給播放帶來任何負時域效應。事實上，模擬系統(tǒng)在300 Hz和500 Hz時具有額外諧振。在數(shù)字和模擬分頻器中，氣動高音揚聲器（AMT Tweeter）在數(shù)字和模擬分頻器中的表現(xiàn)較為一致。
圖8.自由場中的模擬分頻器與數(shù)字分頻器圖（未校正）。兩圖之間可觀察到的振鈴/群延遲差異非常小。
圖8頻譜圖上的虛線表示頻譜的峰值幅度。圖上的時間軸以峰值幅度為基準（以毫秒為單位），而不是測量開始的時間，所以圖中出現(xiàn)了一些負毫秒值。揚聲器放置在桌子上，以使其高于作為反射源的欄桿。然而，抬高揚聲器會增加地面反射，在600 Hz時產生陷波。
結論
測試表明，模擬和數(shù)字分頻器具有相似的性能。然而根據(jù)觀察，ADAU1467 DSP在實現(xiàn)更高階的濾波器的同時，信號路徑的響應更平滑。這一結果與模擬分頻器優(yōu)于數(shù)字分頻器的傳統(tǒng)觀點相悖。
從實際情況來看：在2024年中期，受測試的無源系統(tǒng)的物料清單(BOM)成本約為137美元；而數(shù)字系統(tǒng)的BOM成本為28美元（10-100件批量價格）。值得注意的是，數(shù)字分頻器系統(tǒng)需要為系統(tǒng)提供雙功放；而BOM可使用較低功率放大器來驅動高頻換能器。
與模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字發(fā)聲配置更加簡單，成本也更低。任何類型的室內揚聲器發(fā)聲配置都可以在DSP內部輕松完成。有時，DSP的相關制造商會以應用和數(shù)字室內校正的形式，將該控制權提供給最終消費者。
在未來幾年，雖然出色的模擬設計將是音頻工程師的首選，但DSP技術也將受到越來越多的認可，可以幫助設計人員改進產品、降低成本、加快產品上市時間，并進行模擬領域無法實現(xiàn)的下線優(yōu)化。
此外，對于尋求市場差異化和定制性能的產品設計人員，DSP技術還提供數(shù)百種額外的功能和算法。SigmaDSP系列中的許多產品都集成了異步采樣速率轉換器(ASRC)，此類轉換器支持同時運行具有不同時鐘域的多個數(shù)字輸入，從而為不同用例和來源賦予靈活性。
該軟件的用戶可免費使用其他算法，比如等響度補償、信號音生成、揚聲器管理/診斷、混合/多路復用、動態(tài)處理和GPIO調理。
盡管未窮盡所有參數(shù)，但針對DSP性能的首次量化嘗試也充分證明了該技術的顯著優(yōu)勢。我們將在后續(xù)文章中展開更多測量任務。
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