【導讀】在揚聲器系統設計中，分頻器是實現音質優化的關鍵環節。隨著數字信號處理（DSP）技術的普及，其與傳統全模擬系統之間的性能差異成為行業關注的焦點。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集成商提供基于實測數據的決策參考。
摘要
在揚聲器系統設計中，分頻器是實現音質優化的關鍵環節。隨著數字信號處理（DSP）技術的普及，其與傳統全模擬系統之間的性能差異成為行業關注的焦點。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集成商提供基于實測數據的決策參考。
簡介
在權衡數字信號處理(DSP)與全模擬的揚聲器系統的優缺點時，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，雙向系統中的傳統無源模擬分頻器網絡廣為人知，無需模數轉換，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，可以在經過專業處理的室內環境中，精確調整監測系統。
本文旨在量化使用DSP設計揚聲器系統的一些優勢和權衡取舍。通過詳實的測量結果和分析，我們將基于數字驅動的匯總結果，簡要總結與傳統模擬方法相比，基于DSP的實現所具備的優勢。
方法
本文選用了高質量組件，旨在通過測量評估與傳統模擬分頻器實現方案相比，DSP實現方案能否實現性能的提升。數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的數字濾波器拓撲結構方框圖。
SigmaStudio?中數字分頻器的拓撲結構：
1. 缺陷糾正：修復各個揚聲器系統中的窄帶問題。
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，實現同相響應匹配。
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字分頻器與模擬無源分頻器網絡的性能。測量兩個系統產生的聽音位響應時，請注意，DSP系統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，模擬系統的低音揚聲器（20 Hz至800 Hz）標準偏差為4.2 dB，而數字系統的偏差為2.9 dB。對于高音揚聲器區域（800 Hz至20 kHz），模擬和DSP系統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。這樣的規格設置通常出現在成本較高的模擬系統中。
盡管模擬系統的容差低且采用了優質組件，但左右通道之間的響應仍存在差異（圖5）。這凸顯了在大規模生產揚聲器系統時，揚聲器組件必然存在的個體差異。
在模擬系統中，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，數字分頻器系統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的整體發聲配置一致性。
圖5.模擬和數字系統分頻器網絡的響應。請注意，數字左右通道都存在，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的數字分頻器（模擬輸入到模擬輸出），結果發現無論EQ校正如何，寬帶系統延遲均為3.4 ms。除了對時間要求嚴格的環境，例如專業錄音設置，在其他所有環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可以實現模擬系統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。這樣便能進一步優化系統，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字校正。
DSP：綜合發聲配置方法
模擬分頻器設計需要構建濾波器組，其中每個部分根據特定的設計參數進行匹配。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可實現綜合發聲配置方法。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。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。
根據聽音位測量結果應用EQ校正時，與模擬響應相比，整體系統頻率響應更趨平坦（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實現對齊靈活性
集成DSP的另一個設計優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下快速實現。
濾波器設計優化
在系統發聲配置中，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）。現代濾波器設計通常使用約束優化方法，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、時間對齊和截止區都可用作約束優化中的約束條件。將數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化選項。
此外，數字揚聲器發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。
查看模擬和數字系統的頻譜圖（圖8）后發現，數字系統中未出現額外的振鈴。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，模擬系統在300 Hz和500 Hz時具有額外諧振。在數字和模擬分頻器中，氣動高音揚聲器（AMT Tweeter）在數字和模擬分頻器中的表現較為一致。
圖8.自由場中的模擬分頻器與數字分頻器圖（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，模擬和數字分頻器具有相似的性能。然而根據觀察，ADAU1467 DSP在實現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于數字分頻器的傳統觀點相悖。
從實際情況來看：在2024年中期，受測試的無源系統的物料清單(BOM)成本約為137美元；而數字系統的BOM成本為28美元（10-100件批量價格）。值得注意的是，數字分頻器系統需要為系統提供雙功放；而BOM可使用較低功率放大器來驅動高頻換能器。
與模擬系統相比，數字發聲配置更加簡單，成本也更低。任何類型的室內揚聲器發聲配置都可以在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的下線優化。
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、動態處理和GPIO調理。
盡管未窮盡所有參數，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勢。我們將在后續文章中展開更多測量任務。
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