【导读】于扬声器体系设计中，分频器是实现音质优化的要害环节。跟着数字旌旗灯号处置惩罚（DSP）技能的普和，其与传统全模仿体系之间的机能差异成为行业存眷的核心。本文经由过程搭建科学的测试平台，对于两种方案于音频节制精度、体系矫捷性与成本效益等方面举行客不雅比力，旨于为音响制造商与体系集成商提供基在实测数据的决议计划参考。

择要

于扬声器体系设计中，分频器是实现音质优化的要害环节。跟着数字旌旗灯号处置惩罚（DSP）技能的普和，其与传统全模仿体系之间的机能差异成为行业存眷的核心。本文经由过程搭建科学的测试平台，对于两种方案于音频节制精度、体系矫捷性与成本效益等方面举行客不雅比力，旨于为音响制造商与体系集成商提供基在实测数据的决议计划参考。

简介

于衡量数字旌旗灯号处置惩罚(DSP)与全模仿的扬声器体系的优错误谬误时，往往触及到很多因素。是以，最近几年来，DSP技能于扬声器设计范畴的运用成了备受争议的话题。

对于在模仿要领，双向体系中的传统无源模仿分频器收集广为人知，无需模数转换，并提供最小群延迟及近零延迟。一些制造商将“全模仿设计”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，愈来愈多的制造商及体系集成商最先熟悉到DSP技能于针对于性设计改良方面的潜力。例如，于高端灌音室，DSP技能很是要害，可以于颠末专业处置惩罚的室内情况中，切确调解监测体系。

本文旨于量化利用DSP设计扬声器体系的一些上风及衡量弃取。经由过程详确的丈量成果及阐发，咱们将基在数字驱动的汇总成果，扼要总结与传统模仿要领比拟，基在DSP的实现所具有的上风。

要领

本文选用了高质量组件，旨于经由过程丈量评估与传统模仿分频器实现方案比拟，DSP实现方案可否实现机能的晋升。数字分频器的设计旨于模拟具备每一通道平衡的模仿双功放体系的拓扑布局，重要方针是降低频率相应的尺度误差，并证明DSP不会捐躯体系的其他丈量属性。

图1为完备的旌旗灯号链拓扑布局。

图1.利用SigmaStudio的数字滤波器拓扑布局方框图。

SigmaStudio®中数字分频器的拓扑布局：

1.缺陷改正：修复各个扬声器体系中的窄带问题。

2.立体声分频器模块：提供多种分频类型供设计职员选择。

3.立体声平衡器：节制分频器的高、低输出通道的平衡(EQ)。

4. 增益节制：为每一个分频器输出零丁启用电平匹配。

5.时间对于齐模块：经由过程很是邃密的延迟参数，实现同相相应匹配。

6.预判限幅器：提供驱动器掩护功效。这会增长分外的延迟，灌音室等对于此要求较高的场景不建议利用。

图2.测试及丈量设置。

测试设置

测试设置（图2）利用Acoustic Elegance TD15H-4s作为低音扬声器，并搭配以线性相应、低分频点及宽扩散特征著称的ESS Heil Air Motion Transformer™中高频器件。这些扬声器与高机能无源分频器（图3）相联合，并由Behringer NX1000放年夜器供电，该放年夜器于4 Ω时的每一通道输出功率可达300 W，THD为0.05%。

DSP体系丈量组合采用了ADI公司的EVAL-ADAU1467Z及SigmaStudio平台（针对于SigmaDSP®产物的免费编程情况）。SigmaStudio是基在模块的IDE图形用户界面，撑持EQ、分频、路由、延迟、计量及限幅等特征。该体系的输出由零丁的高通及低通路线级模仿音频旌旗灯号构成。此中，高通输出馈入ICEpower 1200AS，而低音扬声器则由Behringer驱动。

测试室颠末开端处置惩罚，面积约为5.7 m × 6.4 m。于整个测试历程中，扬声器位置及房间连结一致。

图3.无源模仿分频器收集组件。

成果：室内相应

第一个测试是比力数字分频器与模仿无源分频器收集的机能。丈量两个体系孕育发生的听音位相应时，请留意，DSP体系的光滑频率相应与抱负平展频率相应的尺度误差较小（图4）。

于自由场中，模仿体系的低音扬声器（20 Hz至800 Hz）尺度误差为4.2 dB，而数字体系的误差为2.9 dB。对于在高音扬声器区域（800 Hz至20 kHz），模仿及DSP体系的尺度误差均于高端1型声级计的丈量偏差规模内。

为得到更好的主不雅凝听相应，模仿体系对于整形收集举行了稍微调解，这正好注释了图中高频及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收集。

图4.模仿分频器收集与数字未校订收集的室内相应。

成果：分频器相应

接下来，经由过程利用插入Audio Precision APx555的模仿探头，以电气方式丈量分频器的相应。正如预期，经由过程DSP的分频器十分光滑，摆布通道之间没有变化。体系还有利用了中央频率为800 Hz的四阶24 dB/倍频程Linkwitz-Riley滤波器。如许的规格设置凡是呈现于成本较高的模仿体系中。

只管模仿体系的容差低且采用了优质组件，但摆布通道之间的相应仍存于差异（图5）。这凸显了于年夜范围出产扬声器体系时，扬声器组件一定存于的个别差异。

于模仿体系中，扬声器组件的变化只能经由过程增长分频器收集繁杂性、严酷匹配收集与驱动器的特征或者缩小扬声器组件的容差来赔偿。所有这些解决方案都增长了到达市场质量要求所需的成本。

然而，数字分频器体系可以轻松批改组间差异。假如因低音扬声器没有于预期位置滚降而需要调解发声配置，这类环境仅需经由过程软件调解，而无需替代硬件。患上益在这类矫捷性，制造商可以或许接管容差较年夜的驱动器，同时仍能保障质量并降低缺陷率。此外，经由过程快速校订部件差异，设计职员有更多时间来微调每一个体系的总体发声配置一致性。

图5.模仿及数字体系分频器收集的相应。请留意，数字摆布通道都存于，但于图中彻底堆叠。

成果：延迟

模仿分频器及放年夜器实现了近零延迟，比拟之下，有时很难测患上DSP的延迟。为了量化该延迟，咱们丈量了APx555的数字分频器（模仿输入到模仿输出），成果发明不管EQ校订怎样，宽带体系延迟均为3.4 ms。除了了对于时间要求严酷的情况，例如专业灌音设置，于其他所有情况中该延迟均可以纰漏不计。例如，Bluetooth®Classic的延迟凡是跨越100 ms。

成果：EQ相应

末了，DSP可以实现模仿体系难以媲美的及时节制及调解，进而撑持于室内的听音位调解EQ相应。如许便能进一步优化体系，包括降低不雅察到的峰值（某些环境下房间效应会致使峰值）、扩大频率相应以和匹配高音扬声器及低音扬声器的增益。

图6.经由过程EQ模块调解举行模仿与数字校订。

DSP：综合发声配置要领

模仿分频器设计需要构建滤波器组，此中每一个部门按照特定的设计参数举行匹配。该要领很是合适分治处置惩罚声学与电气范畴的问题。然而，假如扬声器不匹配，精心设计的滤波器组将掉去意义，由于终极听众听到的声音现实上是电气及声音的复合相应。

利用DSP可实现综合发声配置要领。扬声器带宽及敏捷度可经由过程软件校订。无需阻性收集即可匹配通道增益，仅需经由过程SigmaStudio滑杆调治。假如扬声器的滚降早在预期，可以上下调解分频器频率来校订，而无需更改组件值或者从头设计收集。

按照听音位丈量成果运用EQ校订时，与模仿相应比拟，总体体系频率相应更趋平展（图6）。高频率经由过程高架滤波器扩大，低音频率也获得加强。可以针对于特定听音位，轻松调解房间模式。

使用DSP实现对于齐矫捷性

集成DSP的另外一个设计上风于在可以或许对于时间对于齐举行微调，并校订低音扬声器及高音扬声器之间的不匹配。于传统模仿设计中，必需细心对于齐物理组件以免相位及频率相应问题。这不仅限定工业设计自由度，还有可能需要构建多个原型来测试对于齐属性。

经由过程DSP，设计职员可以得到更年夜矫捷性，以便创造出差异化产物。经由过程于SigmaStudio中反转此中一个换能器的极性并丈量频率相应，可以轻松辨认及校订所有未对于齐征象。于带有彻底对于齐相应的分频点，将不雅察到切确零点。这可以于预出产状况下快速实现。

滤波器设计优化

于体系发声配置中，最直接的滤波器设计要领是利用预界说的滤波器类型（低通、高通等）及滤波器级别类型（巴特沃兹、切比雪夫、椭圆及贝塞尔）。现代滤波器设计凡是利用约束优化要领，如Parks-McClellan及Yule-Walker。

经由过程利用DSP及SigmaStudio，原始拓扑布局可简化缩小为四个滤波器及四个限幅器。频率平展度、相位相应、时间对于齐及截止区均可用作约束优化中的约束前提。将数字滤波器的有限及无穷脉冲相应（FIR及IIR）相联合可扩大更多的优化选项。

此外，数字扬声器发声配置撑持更多平台重用，由于很多产物具备差别的驱动器组合，但对于扬声器的功率要求相似。经由过程利用DSP，单电路板可用在多个产物。模仿分频器设计不提供该功效，而于模仿分频器设计中，可调性及拓扑布局于初始设计时已经确定。于数字分频器设计中，拓扑布局及可调性只是可以随便替代的变量。

图7.自由场测试设置。

测试自由场相应

为防止反射滋扰，终极测试于开放空间（本例中为试验室的屋顶）举行，以相识扬声器中的自由场相应（图7）。自由场相应是一项主要测试，可验证DSP是否会引起振铃伪影或者群延迟。

查看模仿及数字体系的频谱图（图8）后发明，数字体系中未呈现分外的振铃。这证明了DSP分频器不会给播放带来任何负时域效应。事实上，模仿体系于300 Hz及500 Hz时具备分外谐振。于数字及模仿分频器中，气动高音扬声器（AMT Tweeter）于数字及模仿分频器中的体现较为一致。

图8.自由场中的模仿分频器与数字分频器图（未校订）。两图之间可不雅察到的振铃/群延迟差异很是小。

图8频谱图上的虚线暗示频谱的峰值幅度。图上的时间轴以峰值幅度为基准（以毫秒为单元），而不是丈量最先的时间，以是图中呈现了一些负毫秒值。扬声器放置于桌子上，以使其高在作为反射源的雕栏。然而，举高扬声器会增长地面反射，于600 Hz时孕育发生陷波。

结论

测试注解，模仿及数字分频用具有相似的机能。然而按照不雅察，ADAU1467DSP于实现更高阶的滤波器的同时，旌旗灯号路径的相应更光滑。这一成果与模仿分频器优在数字分频器的传统不雅点相悖。

从现实环境来看：于2024年中期，受测试的无源体系的物料清单(BOM)成本约为137美元；而数字体系的BOM成本为28美元（10-100件批量价格）。值患上留意的是，数字分频器体系需要为体系提供双功放；而BOM可以使用较低功率放年夜器来驱动高频换能器。

与模仿体系比拟，数字发声配置越发简朴，成本也更低。任何类型的室内扬声器发声配置均可以于DSP内部轻松完成。有时，DSP的相干制造商会以运用及数字室内校订的情势，将该节制权提供应终极消费者。

于将来几年，虽然精彩的模仿设计将是音频工程师的首选，但DSP技能也将遭到愈来愈多的承认，可以帮忙设计职员改良产物、降低成本、加速产物上市时间，并举行模仿范畴没法实现的下线优化。

此外，对于在追求市场差异化及定制机能的产物设计职员，DSP技能还有提供数百种分外的功效及算法。SigmaDSP系列中的很多产物都集成为了异步采样速度转换器(ASRC)，此类转换器撑持同时运行具备差别时钟域的多个数字输入，从而为差别用例及来历付与矫捷性。

该软件的用户可免费利用其他算法，好比等响度赔偿、旌旗灯号音天生、扬声器治理/诊断、混淆/多路复用、动态处置惩罚及GPIO调度。

只管未穷尽所有参数，但针对于DSP机能的初次量化测验考试也充实证实了该技能的显著上风。咱们将于后续文章中睁开更多丈量使命。

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