在当今的音频领域，扬声器系统设计中模拟与数字信号处理（DSP）的应用一直是备受关注的话题。本文将深入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，详细分析每种方法的优势与权衡取舍，为制造商和系统集成商提供决策依据。
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。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，可以在经过处理的室内环境中，调整监测系统。
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. 使用 SigmaStudio 的数字滤波器拓扑结构方框图
SigmaStudio? 中数字分频器的拓扑结构包括缺陷纠正、立体声分频器模块、立体声均衡器、增益控制、时间对齐模块和预判限幅器等。这些模块为音频控制提供了的手段，有助于优化音质。
测试设置
测试设置使用 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相结合，并由 Behringer NX1000 放大器供电。
DSP 系统测量组合采用了 ADI 公司的 EVAL - ADAU1467Z 和 SigmaStudio 平台。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。
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。
测试结果
室内响应
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，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。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。
分频器响应
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。DSP 的分频器十分平滑，左右通道之间没有变化。而模拟系统尽管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。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。数字分频器系统可以轻松修正组间差异，通过软件调整即可，无需替换硬件，有助于降低成本和提高质量。
图 5. 模拟和数字系统分频器网络的响应。请注意，数字左右通道都存在，但在图中完全重叠
延迟
模拟分频器和放大器实现了近零延迟，而 DSP 的延迟经测量为 3.4 ms。除了对时间要求严格的环境，例如录音设置，在其他所有环境中该延迟都可以忽略不计。
EQ 响应
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、扩展频率响应以及匹配高音扬声器和低音扬声器的增益。
图 6. 通过 EQ 模块调整进行模拟与数字校正
DSP 的优势
综合发声配置方法
模拟分频器设计需要构建滤波器组，而使用 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，还可轻松调整分频器频率。根据听音位测量结果应用 EQ 校正时，整体系统频率响应更趋平坦。
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。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。
滤波器设计优化
在系统发声配置中，使用 DSP 和 SigmaStudio 可简化滤波器设计，将原始拓扑结构缩小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。数字扬声器发声配置支持更多平台重用，单电路板可用于多个产品。
自由场响应测试
为避免反射干扰，终测试在开放空间进行，以了解扬声器中的自由场响应。查看模拟和数字系统的频谱图后发现，数字系统中未出现额外的振铃，证实了 DSP 分频器不会给播放带来任何负时域效应。
图 8. 自由场中的模拟分频器与数字分频器图（未校正）。两图之间可观察到的振铃 / 群延迟差异非常小
结论
测试表明，模拟和数字分频器具有相似的性能。然而，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。从成本来看，数字系统的 BOM 成本低于模拟系统。与模拟系统相比，数字发声配置更加简单，成本也更低。
