【導讀】在揚聲器係統設計中，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，其與傳統全模擬係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台，對兩種方案在音頻控製精度、係統靈活性與成本效益等方麵進行客觀比較
，旨在為音響製造商與係統集成商提供基於實測數據的決策參考。

摘要

在揚聲器係統設計中，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
，其與傳統全模擬係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台，對兩種方案在音頻控製精度、係統靈活性與成本效益等方麵進行客觀比較，旨在為音響製造商與係統集成商提供基於實測數據的決策參考。

簡介

在權衡數字信號處理(DSP)與全模擬的揚聲器係統的優缺點時，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。

對於模擬方法

，雙向係統中的傳統無源模擬分頻器網絡廣為人知，無需模數轉換，並提供最小群延遲和近零延遲。一些製造商將“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，越來越多的製造商和係統集成商開始認識到DSP技術在針對性設計改進方麵的潛力。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

，精確調整監測係統。

本文旨在量化使用DSPshejiyangshengqixitongdeyixieyoushihequanhengqushe。tongguoxiangshideceliangjieguohefenxi，womenjiangjiyushuziqudongdehuizongjieguo，jianyaozongjieyuchuantongmonifangfaxiangbi，jiyuDSP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shi現xian方fang案an能neng否fou實shi現xian性xing能neng的de提ti升sheng。數shu字zi分fen頻pin器qi的de設she計ji旨zhi在zai模mo仿fang具ju有you每mei通tong道dao均jun衡heng的de模mo擬ni雙shuang功gong放fang係xi統tong的de拓tuo撲pu結jie構gou


，主zhu要yao目mu標biao是shi降jiang低di頻pin率lv響xiang應ying的de標biao準zhun偏pian差cha
，並bing證zheng實shiDSP不會犧牲係統的其他測量屬性。

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：修複各個揚聲器係統中的窄帶問題。

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：控製分頻器的高、低輸出通道的均衡(EQ)。

4. 增益控製：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，並搭配以線性響應、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，並由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係統測量組合采用了ADI公司的EVAL-ADAU1467Z和SigmaStudio平台（針對SigmaDSP®產品的免費編程環境）。SigmaStudio是基於模塊的IDE圖形用戶界麵，支持EQ、分頻、路由、延遲、計量和限幅等特性。該係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
，麵積約為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。測量兩個係統產生的聽音位響應時，請注意

，DSP係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
，模擬係統的低音揚聲器（20 Hz至800 Hz）標準偏差為4.2 dB
，而數字係統的偏差為2.9 dB。對於高音揚聲器區域（800 Hz至20 kHz），模擬和DSP係統的標準偏差均在高端1型聲級計的測量誤差範圍內。

weihuodegenghaodezhuguanlingtingxiangying，monixitongduizhengxingwangluojinxingleqingweitiaozheng，zhezhenghaojieshiletuzhonggaopinhezhongpinzhijiandezengyichayi。fenpinqidediyinyangshengqiditongshuchumeiyouzhengxingwangluo。

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。係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係統中。

盡管模擬係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係統時，揚聲器組件必然存在的個體差異。

在模擬係統中

，揚聲器組件的變化隻能通過增加分頻器網絡複雜性

、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。

raner
，shuzifenpinqixitongkeyiqingsongxiuzhengzujianchayi。ruguoyindiyinyangshengqimeiyouzaiyuqiweizhigunjiangerxuyaotiaozhengfashengpeizhi，zhezhongqingkuangjinxutongguoruanjiantiaozheng，erwuxutihuanyingjian。deyiyuzhezhonglinghuoxing
，zhizaoshangnenggoujieshourongchajiaodadequdongqi
，tongshirengnengbaozhangzhiliangbingjiangdiquexianlv。ciwai，tongguokuaisuxiaozhengbujianchayi，shejirenyuanyougengduoshijianlaiweitiaomeigexitongdezhengtifashengpeizhiyizhixing。

圖5.模擬和數字係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
，寬帶係統延遲均為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

最後，DSP可以實現模擬係統難以媲美的實時控製和調整，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係統，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mo擬ni分fen頻pin器qi設she計ji需xu要yao構gou建jian濾lv波bo器qi組zu，其qi中zhong每mei個ge部bu分fen根gen據ju特te定ding的de設she計ji參can數shu進jin行xing匹pi配pei。該gai方fang法fa非fei常chang適shi合he分fen治zhi處chu理li聲sheng學xue與yu電dian氣qi領ling域yu的de問wen題ti。然ran而er，如ru果guo揚yang聲sheng器qi不bu匹pi配pei，精jing心xin設she計ji的de濾lv波bo器qi組zu將jiang失shi去qu意yi義yi，因yin為wei最zui終zhong聽ting眾zhong聽ting到dao的de聲sheng音yin實shi際ji上shang是shi電dian氣qi和he聲sheng音yin的de複fu合he響xiang應ying。

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滑杆調節。如果揚聲器的滾降早於預期，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，整體係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，輕鬆調整房間模式。

利用DSP實現對齊靈活性

集成DSPdelingyigeshejiyoushizaiyunenggouduishijianduiqijinxingweitiao

，bingxiaozhengdiyinyangshengqihegaoyinyangshengqizhijiandebupipei。zaichuantongmonishejizhong
，bixuzaixiduiqiwulizujianyibimianxiangweihepinlvxiangyingwenti。zhebujinxianzhigongyeshejiziyoudu，haikenengxuyaogoujianduogeyuanxinglaiceshiduiqishuxing。

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SigmaStudiozhongfanzhuanqizhongyigehuannengqidejixingbingceliangpinlvxiangying
，keyiqingsongshibiehexiaozhengsuoyouweiduiqixianxiang。zaidaiyouwanquanduiqixiangyingdefenpindian

，jiangguanchadaojingquelingdian。zhekeyizaiyushengchanzhuangtaixiakuaisushixian。

濾波器設計優化

在係統發聲配置中，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衝響應（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台重用
，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(dan)電(dian)路(lu)板(ban)可(ke)用(yong)於(yu)多(duo)個(ge)產(chan)品(pin)。模(mo)擬(ni)分(fen)頻(pin)器(qi)設(she)計(ji)不(bu)提(ti)供(gong)該(gai)功(gong)能(neng)，而(er)在(zai)模(mo)擬(ni)分(fen)頻(pin)器(qi)設(she)計(ji)中(zhong)，可(ke)調(tiao)性(xing)和(he)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)在(zai)初(chu)始(shi)設(she)計(ji)時(shi)已(yi)確(que)定(ding)。在(zai)數(shu)字(zi)分(fen)頻(pin)器(qi)設(she)計(ji)中(zhong)，拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)和(he)可(ke)調(tiao)性(xing)隻(zhi)是(shi)可(ke)以(yi)隨(sui)意(yi)替(ti)換(huan)的(de)變(bian)量(liang)。

圖7.自由場測試設置。

測試自由場響應

為避免反射幹擾
，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。

查看模擬和數字係統的頻譜圖（圖8）後發現，數字係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，模擬係統在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(er)不(bu)是(shi)測(ce)量(liang)開(kai)始(shi)的(de)時(shi)間(jian)，所(suo)以(yi)圖(tu)中(zhong)出(chu)現(xian)了(le)一(yi)些(xie)負(fu)毫(hao)秒(miao)值(zhi)。揚(yang)聲(sheng)器(qi)放(fang)置(zhi)在(zai)桌(zhuo)子(zi)上(shang)

，以(yi)使(shi)其(qi)高(gao)於(yu)作(zuo)為(wei)反(fan)射(she)源(yuan)的(de)欄(lan)杆(gan)。然(ran)而(er)，抬(tai)高(gao)揚(yang)聲(sheng)器(qi)會(hui)增(zeng)加(jia)地(di)麵(mian)反(fan)射(she)
，在(zai)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於數字分頻器的傳統觀點相悖。

從實際情況來看：在2024年中期，受測試的無源係統的物料清單(BOM)成本約為137美元；而數字係統的BOM成本為28美元（10-100件批量價格）。值得注意的是，數字分頻器係統需要為係統提供雙功放；而BOM可使用較低功率放大器來驅動高頻換能器。

與模擬係統相比
，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內部輕鬆完成。有時，DSP的相關製造商會以應用和數字室內校正的形式，將該控製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，並進行模擬領域無法實現的下線優化。

此外，對於尋求市場差異化和定製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係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鍾域的多個數字輸入
，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/多路複用、動態處理和GPIO調理。

盡管未窮盡所有參數，但針對DSP性能的首次量化嚐試也充分證明了該技術的顯著優勢。我們將在後續文章中展開更多測量任務。

推薦閱讀：

化“正”為“負”
，一文讀懂如何從正電壓高效產生負電壓

尋找TE元件
？貿澤電子供應TE Connectivity超75萬種元器件

品質追求：來自晶圓廠的真知灼見

如何運用振動頻率法則重塑人機交互的未來？

強強聯手！貿澤電子攜手ATI，為自動化產線注入核心部件