【導(dǎo)讀】在揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，分頻器是實(shí)現(xiàn)音質(zhì)優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)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(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過搭建科學(xué)的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)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(jìn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的決策參考。
摘要
在揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，分頻器是實(shí)現(xiàn)音質(zhì)優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)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(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過搭建科學(xué)的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)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(jìn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的決策參考。
簡(jiǎn)介
在權(quán)衡數(shù)字信號(hào)處理(DSP)與全模擬的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，往往涉及到許多因素。因此，近年來，DSP技術(shù)在揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用成為了備受爭(zhēng)議的話題。
對(duì)于模擬方法，雙向系統(tǒng)中的傳統(tǒng)無源模擬分頻器網(wǎng)絡(luò)廣為人知，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換，并提供最小群延遲和近零延遲。一些制造商將“全模擬設(shè)計(jì)”標(biāo)榜為差異化賣點(diǎn)，但也有一些消費(fèi)者認(rèn)為DSP會(huì)降低音質(zhì)。
然而，越來越多的制造商和系統(tǒng)集成商開始認(rèn)識(shí)到DSP技術(shù)在針對(duì)性設(shè)計(jì)改進(jìn)方面的潛力。例如，在高端錄音室，DSP技術(shù)非常關(guān)鍵，可以在經(jīng)過專業(yè)處理的室內(nèi)環(huán)境中，精確調(diào)整監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
本文旨在量化使用DSP設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的一些優(yōu)勢(shì)和權(quán)衡取舍。通過詳實(shí)的測(cè)量結(jié)果和分析，我們將基于數(shù)字驅(qū)動(dòng)的匯總結(jié)果，簡(jiǎn)要總結(jié)與傳統(tǒng)模擬方法相比，基于DSP的實(shí)現(xiàn)所具備的優(yōu)勢(shì)。
方法
本文選用了高質(zhì)量組件，旨在通過測(cè)量評(píng)估與傳統(tǒng)模擬分頻器實(shí)現(xiàn)方案相比，DSP實(shí)現(xiàn)方案能否實(shí)現(xiàn)性能的提升。數(shù)字分頻器的設(shè)計(jì)旨在模仿具有每通道均衡的模擬雙功放系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要目標(biāo)是降低頻率響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并證實(shí)DSP不會(huì)犧牲系統(tǒng)的其他測(cè)量屬性。
圖1為完整的信號(hào)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖1.使用SigmaStudio的數(shù)字濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方框圖。
SigmaStudio?中數(shù)字分頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
1. 缺陷糾正：修復(fù)各個(gè)揚(yáng)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(shè)計(jì)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(gè)分頻器輸出單獨(dú)啟用電平匹配。
5. 時(shí)間對(duì)齊模塊：通過非常精細(xì)的延遲參數(shù)，實(shí)現(xiàn)同相響應(yīng)匹配。
6. 預(yù)判限幅器：提供驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能。這會(huì)增加額外的延遲，錄音室等對(duì)此要求較高的場(chǎng)景不建議使用。
圖2.測(cè)試和測(cè)量設(shè)置。
測(cè)試設(shè)置
測(cè)試設(shè)置（圖2）使用Acoustic Elegance TD15H-4s作為低音揚(yáng)聲器，并搭配以線性響應(yīng)、低分頻點(diǎn)和寬擴(kuò)散特性著稱的ESS Heil Air Motion Transformer?中高頻器件。這些揚(yáng)聲器與高性能無源分頻器（圖3）相結(jié)合，并由Behringer NX1000放大器供電，該放大器在4 Ω時(shí)的每通道輸出功率可達(dá)300 W，THD為0.05%。
DSP系統(tǒng)測(cè)量組合采用了ADI公司的EVAL-ADAU1467Z和SigmaStudio平臺(tái)（針對(duì)SigmaDSP?產(chǎn)品的免費(fèi)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(jì)量和限幅等特性。該系統(tǒng)的輸出由單獨(dú)的高通和低通線路級(jí)模擬音頻信號(hào)組成。其中，高通輸出饋入ICEpower 1200AS，而低音揚(yáng)聲器則由Behringer驅(qū)動(dòng)。
測(cè)試室經(jīng)過初步處理，面積約為5.7 m × 6.4 m。在整個(gè)測(cè)試過程中，揚(yáng)聲器位置和房間保持一致。
圖3.無源模擬分頻器網(wǎng)絡(luò)組件。
結(jié)果：室內(nèi)響應(yīng)
第一個(gè)測(cè)試是比較數(shù)字分頻器與模擬無源分頻器網(wǎng)絡(luò)的性能。測(cè)量?jī)蓚€(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的聽音位響應(yīng)時(shí)，請(qǐng)注意，DSP系統(tǒng)的平滑頻率響應(yīng)與理想平坦頻率響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小（圖4）。
在自由場(chǎng)中，模擬系統(tǒng)的低音揚(yáng)聲器（20 Hz至800 Hz）標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.2 dB，而數(shù)字系統(tǒng)的偏差為2.9 dB。對(duì)于高音揚(yáng)聲器區(qū)域（800 Hz至20 kHz），模擬和DSP系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均在高端1型聲級(jí)計(jì)的測(cè)量誤差范圍內(nèi)。
為獲得更好的主觀聆聽響應(yīng)，模擬系統(tǒng)對(duì)整形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了輕微調(diào)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(yáng)聲器低通輸出沒有整形網(wǎng)絡(luò)。
圖4.模擬分頻器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字未校正網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)響應(yīng)。
結(jié)果：分頻器響應(yīng)
接下來，通過使用插入Audio Precision APx555的模擬探頭，以電氣方式測(cè)量分頻器的響應(yīng)。正如預(yù)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(shè)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(zhì)組件，但左右通道之間的響應(yīng)仍存在差異（圖5）。這凸顯了在大規(guī)模生產(chǎn)揚(yáng)聲器系統(tǒng)時(shí)，揚(yáng)聲器組件必然存在的個(gè)體差異。
在模擬系統(tǒng)中，揚(yáng)聲器組件的變化只能通過增加分頻器網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、嚴(yán)格匹配網(wǎng)絡(luò)與驅(qū)動(dòng)器的特性或縮小揚(yáng)聲器組件的容差來補(bǔ)償。所有這些解決方案都增加了達(dá)到市場(chǎng)質(zhì)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(yáng)聲器沒有在預(yù)期位置滾降而需要調(diào)整發(fā)聲配置，這種情況僅需通過軟件調(diào)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(qū)動(dòng)器，同時(shí)仍能保障質(zhì)量并降低缺陷率。此外，通過快速校正部件差異，設(shè)計(jì)人員有更多時(shí)間來微調(diào)每個(gè)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(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)。請(qǐng)注意，數(shù)字左右通道都存在，但在圖中完全重疊。
結(jié)果：延遲
模擬分頻器和放大器實(shí)現(xiàn)了近零延遲，相比之下，有時(shí)很難測(cè)得DSP的延遲。為了量化該延遲，我們測(cè)量了APx555的數(shù)字分頻器（模擬輸入到模擬輸出），結(jié)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(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的環(huán)境，例如專業(yè)錄音設(shè)置，在其他所有環(huán)境中該延遲都可以忽略不計(jì)。例如，Bluetooth? Classic的延遲通常超過100 ms。
結(jié)果：EQ響應(yīng)
最后，DSP可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)難以媲美的實(shí)時(shí)控制和調(diào)整，進(jìn)而支持在室內(nèi)的聽音位調(diào)整EQ響應(yīng)。這樣便能進(jìn)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(yīng)會(huì)導(dǎo)致峰值）、擴(kuò)展頻率響應(yīng)以及匹配高音揚(yáng)聲器和低音揚(yáng)聲器的增益。
圖6.通過EQ模塊調(diào)整進(jìn)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(shè)計(jì)需要構(gòu)建濾波器組，其中每個(gè)部分根據(jù)特定的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行匹配。該方法非常適合分治處理聲學(xué)與電氣領(lǐng)域的問題。然而，如果揚(yáng)聲器不匹配，精心設(shè)計(jì)的濾波器組將失去意義，因?yàn)樽罱K聽眾聽到的聲音實(shí)際上是電氣和聲音的復(fù)合響應(yīng)。
使用DSP可實(shí)現(xiàn)綜合發(fā)聲配置方法。揚(yáng)聲器帶寬和靈敏度可通過軟件校正。無需阻性網(wǎng)絡(luò)便可匹配通道增益，僅需通過SigmaStudio滑桿調(diào)節(jié)。如果揚(yáng)聲器的滾降早于預(yù)期，可以上下調(diào)整分頻器頻率來校正，而無需更改組件值或重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)聽音位測(cè)量結(jié)果應(yīng)用EQ校正時(shí)，與模擬響應(yīng)相比，整體系統(tǒng)頻率響應(yīng)更趨平坦（圖6）。高頻率通過高架濾波器擴(kuò)展，低音頻率也得到增強(qiáng)。可以針對(duì)特定聽音位，輕松調(diào)整房間模式。
利用DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)齊靈活性
集成DSP的另一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)r(shí)間對(duì)齊進(jìn)行微調(diào)，并校正低音揚(yáng)聲器和高音揚(yáng)聲器之間的不匹配。在傳統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)中，必須仔細(xì)對(duì)齊物理組件以避免相位和頻率響應(yīng)問題。這不僅限制工業(yè)設(shè)計(jì)自由度，還可能需要構(gòu)建多個(gè)原型來測(cè)試對(duì)齊屬性。
通過DSP，設(shè)計(jì)人員可以獲得更大靈活性，以便創(chuàng)造出差異化產(chǎn)品。通過在SigmaStudio中反轉(zhuǎn)其中一個(gè)換能器的極性并測(cè)量頻率響應(yīng)，可以輕松識(shí)別和校正所有未對(duì)齊現(xiàn)象。在帶有完全對(duì)齊響應(yīng)的分頻點(diǎn)，將觀察到精確零點(diǎn)。這可以在預(yù)生產(chǎn)狀態(tài)下快速實(shí)現(xiàn)。
濾波器設(shè)計(jì)優(yōu)化
在系統(tǒng)發(fā)聲配置中，最直接的濾波器設(shè)計(jì)方法是使用預(yù)定義的濾波器類型（低通、高通等）和濾波器級(jí)別類型（巴特沃茲、切比雪夫、橢圓和貝塞爾）。現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化縮小為四個(gè)濾波器和四個(gè)限幅器。頻率平坦度、相位響應(yīng)、時(shí)間對(duì)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(yīng)（FIR和IIR）相結(jié)合可擴(kuò)展更多的優(yōu)化選項(xiàng)。
此外，數(shù)字揚(yáng)聲器發(fā)聲配置支持更多平臺(tái)重用，因?yàn)樵S多產(chǎn)品具有不同的驅(qū)動(dòng)器組合，但對(duì)揚(yáng)聲器的功率要求相似。通過使用DSP，單電路板可用于多個(gè)產(chǎn)品。模擬分頻器設(shè)計(jì)不提供該功能，而在模擬分頻器設(shè)計(jì)中，可調(diào)性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在初始設(shè)計(jì)時(shí)已確定。在數(shù)字分頻器設(shè)計(jì)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可調(diào)性只是可以隨意替換的變量。
圖7.自由場(chǎng)測(cè)試設(shè)置。
測(cè)試自由場(chǎng)響應(yīng)
為避免反射干擾，最終測(cè)試在開放空間（本例中為實(shí)驗(yàn)室的屋頂）進(jìn)行，以了解揚(yáng)聲器中的自由場(chǎng)響應(yīng)（圖7）。自由場(chǎng)響應(yīng)是一項(xiàng)重要測(cè)試，可驗(yàn)證DSP是否會(huì)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(shí)了DSP分頻器不會(huì)給播放帶來任何負(fù)時(shí)域效應(yīng)。事實(shí)上，模擬系統(tǒng)在300 Hz和500 Hz時(shí)具有額外諧振。在數(shù)字和模擬分頻器中，氣動(dòng)高音揚(yáng)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(chǎng)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(shí)間軸以峰值幅度為基準(zhǔn)（以毫秒為單位），而不是測(cè)量開始的時(shí)間，所以圖中出現(xiàn)了一些負(fù)毫秒值。揚(yáng)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(yáng)聲器會(huì)增加地面反射，在600 Hz時(shí)產(chǎn)生陷波。
結(jié)論
測(cè)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(shí)現(xiàn)更高階的濾波器的同時(shí)，信號(hào)路徑的響應(yīng)更平滑。這一結(jié)果與模擬分頻器優(yōu)于數(shù)字分頻器的傳統(tǒng)觀點(diǎn)相悖。
從實(shí)際情況來看：在2024年中期，受測(cè)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?jī)r(jià)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(qū)動(dòng)高頻換能器。
與模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字發(fā)聲配置更加簡(jiǎn)單，成本也更低。任何類型的室內(nèi)揚(yáng)聲器發(fā)聲配置都可以在DSP內(nèi)部輕松完成。有時(shí)，DSP的相關(guān)制造商會(huì)以應(yīng)用和數(shù)字室內(nèi)校正的形式，將該控制權(quán)提供給最終消費(fèi)者。
在未來幾年，雖然出色的模擬設(shè)計(jì)將是音頻工程師的首選，但DSP技術(shù)也將受到越來越多的認(rèn)可，可以幫助設(shè)計(jì)人員改進(jìn)產(chǎn)品、降低成本、加快產(chǎn)品上市時(shí)間，并進(jìn)行模擬領(lǐng)域無法實(shí)現(xiàn)的下線優(yōu)化。
此外，對(duì)于尋求市場(chǎng)差異化和定制性能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，DSP技術(shù)還提供數(shù)百種額外的功能和算法。SigmaDSP系列中的許多產(chǎn)品都集成了異步采樣速率轉(zhuǎn)換器(ASRC)，此類轉(zhuǎn)換器支持同時(shí)運(yùn)行具有不同時(shí)鐘域的多個(gè)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(fèi)使用其他算法，比如等響度補(bǔ)償、信號(hào)音生成、揚(yáng)聲器管理/診斷、混合/多路復(fù)用、動(dòng)態(tài)處理和GPIO調(diào)理。
盡管未窮盡所有參數(shù)，但針對(duì)DSP性能的首次量化嘗試也充分證明了該技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)。我們將在后續(xù)文章中展開更多測(cè)量任務(wù)。
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