簡介

在權(quán)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(shù)在揚聲器設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)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(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”標(biāo)榜為差異化賣點，但也有一些消費者認(rèn)為DSP會降低音質(zhì)。

然而，越來越多的制造商和系統(tǒng)集成商開始認(rèn)識到DSP技術(shù)在針對性設(shè)計改進(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)測系統(tǒng)。

本文旨在量化使用DSP設(shè)計揚聲器系統(tǒng)的一些優(yōu)勢和權(quán)衡取舍。通過詳實的測量結(jié)果和分析，我們將基于數(shù)字驅(qū)動的匯總結(jié)果，簡要總結(jié)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(zhì)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(shè)計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?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(shè)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(xì)的延遲參數(shù)，實現(xiàn)同相響應(yīng)匹配。

6.預(yù)判限幅器：提供驅(qū)動器保護(hù)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(shè)置

測試設(shè)置

測試設(shè)置（圖2）使用Acoustic Elegance TD15H-4s作為低音揚聲器，并搭配以線性響應(yīng)、低分頻點和寬擴(kuò)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(jié)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(dá)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(chǎn)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(qū)動。

測試室經(jīng)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(wǎng)絡(luò)組件

結(jié)果：室內(nèi)響應(yīng)

第一個測試是比較數(shù)字分頻器與模擬無源分頻器網(wǎng)絡(luò)的性能。測量兩個系統(tǒng)產(chǎn)生的聽音位響應(yīng)時，請注意，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）。

在自由場中，模擬系統(tǒng)的低音揚聲器（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。對于高音揚聲器區(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型聲級計的測量誤差范圍內(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(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、嚴(yán)格匹配網(wǎng)絡(luò)與驅(qū)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(dá)到市場質(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)動器，同時仍能保障質(zhì)量并降低缺陷率。此外，通過快速校正部件差異，設(shè)計人員有更多時間來微調(diào)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(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)。請注意，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(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。除了對時間要求嚴(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。例如，Bluetooth^? Classic的延遲通常超過100 ms。

結(jié)果：EQ響應(yīng)

最后，DSP可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)難以媲美的實時控制和調(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)會導(dǎo)致峰值）、擴(kuò)展頻率響應(yīng)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(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)計需要構(gòu)建濾波器組，其中每個部分根據(jù)特定的設(shè)計參數(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，如果揚聲器不匹配，精心設(shè)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(fù)合響應(yīng)。

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(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)計網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)聽音位測量結(jié)果應(yīng)用EQ校正時，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。可以針對特定聽音位，輕松調(diào)整房間模式。

利用DSP實現(xiàn)對齊靈活性

集成DSP的另一個設(shè)計優(yōu)勢在于能夠?qū)r間對齊進(jìn)行微調(diào)，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(shè)計中，必須仔細(xì)對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)計自由度，還可能需要構(gòu)建多個原型來測試對齊屬性。

通過DSP，設(shè)計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)其中一個換能器的極性并測量頻率響應(yīng)，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(yīng)的分頻點，將觀察到精確零點。這可以在預(yù)生產(chǎn)狀態(tài)下快速實現(xiàn)。

濾波器設(shè)計優(yōu)化

在系統(tǒng)發(fā)聲配置中，最直接的濾波器設(shè)計方法是使用預(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)可簡化為四個濾波器和四個限幅器。頻率平坦度、相位響應(yīng)、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(yīng)（FIR和IIR）相結(jié)合可擴(kuò)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(chǎn)品具有不同的驅(qū)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(chǎn)品。模擬分頻器設(shè)計不提供該功能，而在模擬分頻器設(shè)計中，可調(diào)性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在初始設(shè)計時已確定。在數(shù)字分頻器設(shè)計中，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 自由場測試設(shè)置

測試自由場響應(yīng)

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(jìn)行，以了解揚聲器中的自由場響應(yīng)（圖7）。自由場響應(yīng)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(fù)時域效應(yīng)。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(zhǔn)（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(fù)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(chǎn)生陷波。

結(jié)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(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(qū)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(nèi)揚聲器發(fā)聲配置都可以在DSP內(nèi)部輕松完成。有時，DSP的相關(guān)制造商會以應(yīng)用和數(shù)字室內(nèi)校正的形式，將該控制權(quán)提供給最終消費者。

在未來幾年，雖然出色的模擬設(shè)計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)計人員改進(jìn)產(chǎn)品、降低成本、加快產(chǎn)品上市時間，并進(jìn)行模擬領(lǐng)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(chǎn)品設(shè)計人員，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(fù)用、動態(tài)處理和GPIO調(diào)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(shù)的顯著優(yōu)勢。我們將在后續(xù)文章中展開更多測量任務(wù)。

作者簡介

Phenix Nunlee是ADI公司的音頻產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他擁有工程學(xué)學(xué)士學(xué)位，主修電氣工程，輔修電氣工程和音樂技術(shù)。此外，他擁有約翰·霍普金斯大學(xué)音頻學(xué)碩士學(xué)位（聲學(xué)方向）和電氣與計算機工程碩士學(xué)位。Phenix曾在半導(dǎo)體和聲學(xué)咨詢領(lǐng)域工作。他興趣廣泛，涉及數(shù)字信號處理、聲學(xué)、音樂和電氣工程等方面。

Ryan Boyle是ADI公司消費電子事業(yè)部的音頻營銷經(jīng)理。Ryan擁有馬薩諸塞大學(xué)洛威爾分校的電氣工程學(xué)位，輔修錄音技術(shù)。加入ADI之前，他在Bose Automotive Systems擔(dān)任產(chǎn)品營銷和概念開發(fā)工作。音頻和音樂是他畢生的熱愛。

Matthew Tyler是ADI公司可穿戴設(shè)備和專業(yè)級消費電子解決方案總經(jīng)理。他是一位充滿激情的創(chuàng)新者，終生熱愛音頻和音樂技術(shù)。他畢業(yè)于猶他大學(xué)，擁有高級模擬IC設(shè)計和半導(dǎo)體器件物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。加入ADI之前，Matt擔(dān)任過多個涉及全球業(yè)務(wù)的職位，包括業(yè)務(wù)戰(zhàn)略、營銷、系統(tǒng)工程、產(chǎn)品線管理、產(chǎn)品定義以及模擬信號路徑和電源設(shè)計。Matt擁有11項美國專利，并撰寫了多篇關(guān)于一系列主題的技術(shù)論文。

1977年，David Thibodeau在軍隊開始接受音頻電子產(chǎn)品訓(xùn)練。之后，他就職于多個錄音工作室，曾擔(dān)任中田納西州立大學(xué)的首席工程師，并獲得了計算機科學(xué)學(xué)士學(xué)位。隨后，David從事錄音室維修和設(shè)計方面的自由職業(yè)，后來在Pro Audio Design擔(dān)任服務(wù)部門負(fù)責(zé)人一職。任職期間，他翻新并安裝了超過100個控制臺，并參與了專業(yè)音頻設(shè)備的設(shè)計工作。之后，David踏足廣播領(lǐng)域，參與開發(fā)奧運會和世界杯的解說音頻系統(tǒng)。2005年，他擴(kuò)大了自己的專業(yè)音頻設(shè)備設(shè)計工作范圍，與其他設(shè)計人員一同完成了壓縮機、麥克風(fēng)前置放大器和模擬音頻錄音控制臺的設(shè)計。2012年，他加入ADI公司，擔(dān)任應(yīng)用工程師，專門負(fù)責(zé)ADC、DAC和SigmaDSP產(chǎn)品。除此之外，他還在馬薩諸塞大學(xué)洛威爾分校和伯克利音樂學(xué)院教授夜校課程。