模拟与数字音频分频器设计：DSP能带来哪些好处？
摘要
本文探讨在扬声器系统设计中使用数字信号处理(DSP)和全模拟系统之间的差异。传统模拟系统结构简单，没有模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)级，也因此受到广泛重视；DSP以经济高效的方式提供精确的音频控制，并促进音质的潜在优化。本文详细介绍了一种测试方法和设置，比较了DSP和模拟系统的性能，并重点分析每种方法的优势与权衡取舍。测量结果和分析旨在基于数据，进行简洁清晰的比较，以帮助制造商和系统集成商做出明智决策。
简介
在权衡数字信号处理(DSP)与全模拟的扬声器系统的优缺点时，往往涉及到许多因素。因此，近年来，DSP技术在扬声器设计领域的应用成为了备受争议的话题。
对于模拟方法，双向系统中的传统无源模拟分频器网络广为人知，无需模数转换，并提供最小群延迟和近零延迟。一些制造商将“全模拟设计”标榜为差异化卖点，但也有一些消费者认为DSP会降低音质。
然而，越来越多的制造商和系统集成商开始认识到DSP技术在针对性设计改进方面的潜力。例如，在高端录音室，DSP技术非常关键，可以在经过专业处理的室内环境中，精确调整监测系统。
本文旨在量化使用DSP设计扬声器系统的一些优势和权衡取舍。通过详实的测量结果和分析，我们将基于数字驱动的汇总结果，简要总结与传统模拟方法相比，基于DSP的实现所具备的优势。
方法
本文选用了高质量组件，旨在通过测量评估与传统模拟分频器实现方案相比，DSP实现方案能否实现性能的提升。数字分频器的设计旨在模仿具有每通道均衡的模拟双功放系统的拓扑结构，主要目标是降低频率响应的标准偏差，并证实DSP不会牺牲系统的其他测量属性。
图1为完整的信号链拓扑结构。
SigmaStudio®中数字分频器的拓扑结构：
- 缺陷纠正：修复各个扬声器系统中的窄带问题。
- 立体声分频器模块：提供多种分频类型供设计人员选择。
- 立体声均衡器：控制分频器的高、低输出通道的均衡(EQ)。
- 增益控制：为每个分频器输出单独启用电平匹配。
- 时间对齐模块：通过非常精细的延迟参数，实现同相响应匹配。
- 预判限幅器：提供驱动器保护功能。这会增加额外的延迟，录音室等对此要求较高的场景不建议使用。
测试设置
测试设置（图2）使用 Acoustic Elegance TD15H-4s 作为低音扬声器， 并搭配以线性响应、低分频点和宽扩散特性著称的 ESS Heil Air Motion Transformer™中高频器件。这些扬声器与高性能无源分频器（图3）相结合，并由Behringer NX1000放大器供电，该放大器在4 Ω时的每通道输出功率可达300 W，THD为0.05%。
DSP系统测量组合采用了ADI公司的 EVAL-ADAU1467Z和SigmaStudio平台（针对 SigmaDSP®产品的免费编程环境）。SigmaStudio是基于模块的IDE图形用户界面，支持EQ、分频、路由、延迟、计量和限幅等特性。该系统的输出由单独的高通和低通线路级模拟音频信号组成。其中，高通输出馈入ICEpower 1200AS，而低音扬声器则由Behringer驱动。
测试室经过初步处理，面积约为5.7 m × 6.4 m。在整个测试过程中，扬声器位置和房间保持一致。
结果：室内响应
第一个测试是比较数字分频器与模拟无源分频器网络的性能。测量两个系统产生的听音位响应时，请注意，DSP系统的平滑频率响应与理想平坦频率响应的标准偏差较小（图4）。
在自由场中，模拟系统的低音扬声器（20 Hz至800 Hz）标准偏差为4.2 dB，而数字系统的偏差为2.9 dB。对于高音扬声器区域（800 Hz至20 kHz），模拟和DSP系统的标准偏差均在高端1型声级计的测量误差范围内。
为获得更好的主观聆听响应，模拟系统对整形网络进行了轻微调整，这正好解释了图中高频和中频之间的增益差异。分频器的低音扬声器低通输出没有整形网络。
结果：分频器响应
接下来，通过使用插入Audio Precision APx555的模拟探头，以电气方式测量分频器的响应。正如预期，通过DSP的分频器十分平滑，左右通道之间没有变化。系统还使用了中心频率为 800 Hz的四阶24 dB/倍频程Linkwitz-Riley滤波器。这样的规格设置通常出现在成本较高的模拟系统中。
尽管模拟系统的容差低且采用了优质组件，但左右通道之间的响应仍存在差异（图5）。这凸显了在大规模生产扬声器系统时，扬声器组件必然存在的个体差异。
在模拟系统中，扬声器组件的变化只能通过增加分频器网络复杂性、严格匹配网络与驱动器的特性或缩小扬声器组件的容差来补偿。所有这些解决方案都增加了达到市场质量要求所需的成本。
然而，数字分频器系统可以轻松修正组间差异。如果因低音扬声器没有在预期位置滚降而需要调整发声配置，这种情况仅需通过软件调整，而无需替换硬件。得益于这种灵活性，制造商能够接受容差较大的驱动器，同时仍能保障质量并降低缺陷率。此外，通过快速校正部件差异，设计人员有更多时间来微调每个系统的整体发声配置一致性。
结果：延迟
模拟分频器和放大器实现了近零延迟，相比之下，有时很难测得DSP的延迟。为了量化该延迟，我们测量了APx555的数字分频器（模拟输入到模拟输出），结果发现无论EQ校正如何，宽带系统延迟均为3.4 ms。除了对时间要求严格的环境，例如专业录音设置，在其他所有环境中该延迟都可以忽略不计。例如，Bluetooth® Classic的延迟通常超过100 ms。
结果：EQ响应
最后，DSP可以实现模拟系统难以媲美的实时控制和调整，进而支持在室内的听音位调整EQ响应。这样便能进一步优化系统，包括降低观察到的峰值（某些情况下房间效应会导致峰值）、扩展频率响应以及匹配高音扬声器和低音扬声器的增益。
DSP：综合发声配置方法
模拟分频器设计需要构建滤波器组，其中每个部分根据特定的设计参数进行匹配。该方法非常适合分治处理声学与电气领域的问题。然而，如果扬声器不匹配，精心设计的滤波器组将失去意义，因为最终听众听到的声音实际上是电气和声音的复合响应。
使用DSP可实现综合发声配置方法。扬声器带宽和灵敏度可通过软件校正。无需阻性网络便可匹配通道增益，仅需通过SigmaStudio滑杆调节。如果扬声器的滚降早于预期，可以上下调整分频器频率来校正，而无需更改组件值或重新设计网络。
根据听音位测量结果应用EQ校正时，与模拟响应相比，整体系统频率响应更趋平坦（图6）。高频率通过高架滤波器扩展，低音频率也得到增强。可以针对特定听音位，轻松调整房间模式。
利用DSP实现对齐灵活性
集成DSP的另一个设计优势在于能够对时间对齐进行微调，并 校正低音扬声器和高音扬声器之间的不匹配。在传统模拟设计 中，必须仔细对齐物理组件以避免相位和频率响应问题。这不 仅限制工业设计自由度，还可能需要构建多个原型来测试对齐 属性。
通过DSP，设计人员可以获得更大灵活性，以便创造出差异化产品。通过在SigmaStudio中反转其中一个换能器的极性并测量频率响应，可以轻松识别和校正所有未对齐现象。在带有完全对齐响应的分频点，将观察到精确零点。这可以在预生产状态下快速实现。
滤波器设计优化
在系统发声配置中，最直接的滤波器设计方法是使用预定义的滤波器类型（低通、高通等）和滤波器级别类型（巴特沃兹、切比雪夫、椭圆和贝塞尔）。现代滤波器设计通常使用约束优化方法，如Parks-McClellan和Yule-Walker。
通过使用DSP和SigmaStudio，原始拓扑结构可简化为四个滤波器和四个限幅器。频率平坦度、相位响应、时间对齐和截止区都可用作约束优化中的约束条件。将数字滤波器的有限和无限脉冲响应（FIR和IIR）相结合可扩展更多的优化选项。
此外，数字扬声器发声配置支持更多平台重用，因为许多产品具有不同的驱动器组合，但对扬声器的功率要求相似。通过使用DSP，单电路板可用于多个产品。模拟分频器设计不提供该功能，而在模拟分频器设计中，可调性和拓扑结构在初始设计时已确定。在数字分频器设计中，拓扑结构和可调性只是可以随意替换的变量。
测试自由场响应
为避免反射干扰，最终测试在开放空间（本例中为实验室的屋顶）进行，以了解扬声器中的自由场响应（图7）。自由场响应是一项重要测试，可验证DSP是否会引起振铃伪影或群延迟。
查看模拟和数字系统的频谱图（图8）后发现，数字系统中未出现额外的振铃。这证实了DSP分频器不会给播放带来任何负时域效应。事实上，模拟系统在300 Hz和500 Hz时具有额外谐振。在数字和模拟分频器中，气动高音扬声器(AMT Tweeter)在数字和模拟分频器中的表现较为一致。
图8频谱图上的虚线表示频谱的峰值幅度。图上的时间轴以峰值幅度为基准（以毫秒为单位），而不是测量开始的时间，所以图中出现了一些负毫秒值。扬声器放置在桌子上，以使其高于作为反射源的栏杆。然而，抬高扬声器会增加地面反射，在600 Hz时产生陷波。
结论
测试表明，模拟和数字分频器具有相似的性能。然而根据观 察，ADAU1467 DSP在实现更高阶的滤波器的同时，信号路径的响 应更平滑。这一结果与模拟分频器优于数字分频器的传统观点 相悖。
从实际情况来看：在2024年中期，受测试的无源系统的物料清单(BOM)成本约为137美元；而数字系统的BOM成本为28美元（10-100件批量价格）。值得注意的是，数字分频器系统需要为系统提供双功放；而BOM可使用较低功率放大器来驱动高频换能器。
与模拟系统相比，数字发声配置更加简单，成本也更低。任何类型的室内扬声器发声配置都可以在DSP内部轻松完成。有时，DSP的相关制造商会以应用和数字室内校正的形式，将该控制权提供给最终消费者。
在未来几年，虽然出色的模拟设计将是音频工程师的首选，但DSP技术也将受到越来越多的认可，可以帮助设计人员改进产品、降低成本、加快产品上市时间，并进行模拟领域无法实现的下线优化。
此外，对于寻求市场差异化和定制性能的产品设计人员，DSP技术还提供数百种额外的功能和算法。SigmaDSP系列中的许多产品都集成了异步采样速率转换器(ASRC)，此类转换器支持同时运行具有不同时钟域的多个数字输入，从而为不同用例和来源赋予灵活性。
该软件的用户可免费使用其他算法，比如等响度补偿、信号音生成、扬声器管理/诊断、混合/多路复用、动态处理和GPIO调理。
尽管未穷尽所有参数，但针对DSP性能的首次量化尝试也充分证明了该技术的显著优势。我们将在后续文章中展开更多测量任务。
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