在音频技术的发展历程中，音频分频器是扬声器系统设计中的关键组件，而选择模拟还是数字信号处理（DSP）方案一直是行业内备受关注的话题。本文由工程师 Phenix Nunlee、Ryan Boyle，总经理 Matthew Tyler 以及工程师 David Thibodeau 共同撰写，详细探讨了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，通过一系列测试和分析，为制造商和系统集成商在决策时提供了有力的依据。
传统的模拟音频分频器系统结构相对简单，没有模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）级，这使得它在一些应用场景中受到广泛重视。例如，双向系统中的传统无源模拟分频器网络，无需模数转换，能提供群延迟和近零延迟。一些制造商将 “全模拟设计” 作为差异化卖点，部分消费者也认为 DSP 会降低音质。然而，随着技术的不断发展，越来越多的制造商和系统集成商开始认识到 DSP 技术在扬声器设计领域的潜力。在高端录音室等场景中，DSP 技术能够在经过处理的室内环境中，调整监测系统，实现针对性的设计改进。
为了量化使用 DSP 设计扬声器系统的优势和权衡取舍，本文选用了高质量组件进行测试。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。
测试设置方面，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，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。
从测试结果来看，在室内响应方面，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。
在分频器响应方面，通过 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，这凸显了扬声器组件的个体差异在大规模生产中的影响。数字分频器系统可以轻松修正组间差异，只需通过软件调整，无需替换硬件，这使得制造商能够接受容差较大的驱动器，同时保障质量并降低缺陷率。
在延迟方面，模拟分频器和放大器实现了近零延迟，而 DSP 系统的宽带系统延迟为 3.4 ms。除了对时间要求严格的环境，如录音设置，在其他环境中该延迟都可以忽略不计。
在 EQ 响应方面，DSP 可以实现模拟系统难以媲美的实时控制和调整，支持在室内的听音位调整 EQ 响应，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。
从设计方法来看，模拟分频器设计需要构建滤波器组，每个部分根据特定的设计参数进行匹配。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，还能轻松调整分频器频率。
集成 DSP 还具有对齐灵活性的优势，能够对时间对齐进行微调，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，物理组件的对齐限制了工业设计自由度，而通过 DSP，设计人员可以获得更大灵活性，创造出差异化产品。
在滤波器设计优化方面，使用 DSP 和 SigmaStudio 可简化原始拓扑结构，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，单电路板可用于多个产品。
，在自由场测试中，观察模拟和数字系统的频谱图发现，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。
综上所述，测试表明模拟和数字分频器具有相似的性能，但 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。从成本上看，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）。与模拟系统相比，数字发声配置更加简单，成本也更低。在未来几年，虽然出色的模拟设计仍将是音频工程师的，但 DSP 技术也将受到越来越多的认可，它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，DSP 技术还为寻求市场差异化和定制性能的产品设计人员提供了数百种额外的功能和算法。
