利用数字有源分频滤波器提升高端有源扬声器的性能 滤波器, 消费者, 扬声器, 分频器, 接收器

我是MT

消费者希望连接其家庭娱乐系统的电缆越少越好，因此而产生了对无线有源扬声器的需求。为了通过高端有源扬声器提供最佳的音频质量，我们可以采用各种各样的技术来提升其性能；在这种情况下，数字有源分频器可以发挥重要的作用。
目前的无线有源扬声器在驱动装置之前的信号路径上有四个元件，即接收器、DAC、放大器和分频器。接收器可以是运行高效编解码器的蓝牙装置；放大器可能是常规的模拟输入AB类装置，通过其输入端口的高效DAC保证提供较高的音频质量；而信号路径上的最后一个元件是无源分频网络。
或者，我们也可以采用高效的D类放大器，通过提高效率来直接驱动高、低音扬声器。如果D类放大器带有数字输入端口，则可以利用DSP资源来实施高效的数字分频器，相对于无源分频器来说，数字分频器具备极大的优势。
有源扬声器的架构
图1显示的是常规的无线有源扬声器架构。接收器为蓝牙装置，可运行aptXTM等高效的编解码器，以确保最佳的音频性能。为了方便从数字域向模拟域转换，系统需要在放大器输入端口之前配置高效的DAC。前置放大器和功率放大器在模拟域运行，由单一功率放大器同时驱动高、低音扬声器。



图1：常规的无线有源扬声器架构

提供较高的音频质量需要AB类放大器架构。但是，模拟输入D类放大器却非常节省功率，这一点很有吸引力；如今的闭环模拟输入D类放大器也能够提供很好的音频性能。提高效率也意味着节省功率。
在这种架构下，无源分频网络提供高通和低通滤波，为高、低音驱动器将音频信号分解为合适的频段。
超高效数字输入D类放大器的出现，使得另外一种架构也很有吸引力，见图2。在这种架构下，音频信号在放大器功率级输出之前始终停留在数字域，这本身就是一种音频性能优势——无须DAC进行数字模拟转换，消除了转换错误。



图2：使用数字输入D类技术的无线有源扬声器

为了实现最佳的音频性能，需要选择闭环数字放大器。本例中的平台为CSR直接数字反馈放大器（DDFATM）技术。
在本架构下，前置放大器和功率放大器的功能通过单一电路实现。尽管每个驱动器需要一个放大器信道，但是每个信道的功率水平都可以根据高、低音的灵敏度进行精确调整。
在分频器方面，可用的信号处理能力可实现极大的优势。片上DSP方便轻松实施高效的滤波器，滤波器经过配置可完全匹配驱动器特性，因此无需无源组件。





        
无源分频器和有源分频器
图3显示的是典型的无源分频器的实施情况，下文将进一步细致探讨本例。

这种设计为每个驱动器采用了一个常规的二阶滤波器，分频器频率约为2.2kHz。低音阻抗为3.5Ω，高音阻抗为3.2Ω。
电路由简单的电感器和电容器构成，因为位于功率路径上，所以电感器和电容器必须相对较大。但这样有可能发生效率损失，导致热耗散和性能偏移。随着功率水平的增加，这些效果会进一步恶化，最终导致较高程度的失真。


图3：无源分频器的实施情况

尽管电路设计看上去比较简单，但是组件的相互作用却非常复杂，因此难以完全隔离各个驱动器。驱动器的特性随着频率、功率和温度的变化而发生变化，滤波器的响应也直接受此影响。
分频器通过添加填充电阻器以配合各种不同的驱动器灵敏度，这样会导致热耗散进一步提高。因此必须正确实施，否则过功率的电感器将出现饱和，在高功率下导致失真，甚至失效而毁坏高音扬声器。
而数字有源分频器可以解决上述问题，使得产品更加高效、更加简单。
有源分频器位于系统的低层数字信号路径上，因此不存在无源设计中的效率损失和热效应问题。滤波器与负载相互隔离，并且滤波器之间也彼此隔离，因此不会因为两者之间的相互作用而导致性能下降。数字增益控制实施起来也很简便，能够满足各种不同的驱动器灵敏度，并且无需填充电阻器。
数字滤波器不受信号水平的影响，因此效果更为精确、线性和可重复，失真也始终保持在较低的水平。此外还能够很好地控制限幅，因此消除了过载的问题。还可以通过时延功能实现最佳的驱动器时间校准。
数字放大器的DSP资源占用的开销非常小，因此可以保证提供充分的处理能力。这就意味着能够实施更加高阶和更加复杂的滤波器，以实现更高的性能，而不必增加额外的成本。
复杂的滤波器设计能够更好地配合扬声器外壳和驱动器特性。而且，还可以设定滤波器的特性集，以便进行性能选择，例如，针对房间条件或音乐类型进行补偿。





        
DSP滤波器的性能
实施有源分频器，必须注意滤波器的规格，以便保证最佳的音频性能。例如，除非采用适当的架构，否则解析误差可能导致噪音水平提高。
在数字放大器中，滤波器通过一组双二阶分级创建，每个分级提供一个二阶特性，而类型则由大量的系数确定；在本例中，5个24位系数形成一个分级。
保证系统能够解析和处理所有预期的输入信号，需要考虑计算精度和系数位宽。例如，放大器动态范围目标为116dB时，35位的计算精度可以保证过滤而不产生噪音或失真，系数解析度大于20位。
数字滤波器的实施
我们可以利用一种现有的扬声器设计，来说明实施无源和有源滤波器的性能差异。图4显示的是图3的无源分频器与高、低音驱动器连接时的特性。

效率较高时，纳入填充电阻器可以使高音信道减幅。采用数字分频器，在配置放大器和滤波器时进行简单的增益调整，即可轻松解决这种差异。这样的调整还可以改善高音信道的信噪比（SNR）；因为灵敏度比较高，所以保持较低的噪音水平比较好。


图4：连接驱动器的无源分频器特性

采用一个双二阶滤波器分级，将系数进行调整以配合无源分频器和驱动器组合，可以复制数字高音单元的实施，见表1。



表1：高音双二阶滤波器设置

欲实现不太平滑的低音特性，需要四个双二阶分级。低通设置为2.2kHz，两个峰值滤波器分别设置为150Hz和1.7kHz以实现较小的偏移，另外一个高通设置为450Hz，见表2。



表2：低音双二阶滤波器的设置

这些设置的结果见图5显示的特性，非常接近无源分频器。



图5：连接驱动器的无源和有源分频器特性






        
主要特性的测量
测量三个主要的特性，对比采用无源和有源分频滤波器设计的扬声器的音频性能。
使用Audio Precision分析仪测量总谐波失真和噪音（THD+N）以及交调失真（IMD）。负载均为4Ω，最终目的是揭示分频器产生的性能差异。
因为两种系统结构不同，所以应进一步通过阻抗来测量性能。阻尼因子，即两种阻抗之间的比值，对于音频性能有着非常重要的影响。
每种情况均采用相同的放大器架构；30W双信道数字放大器基于CSR DDFA CSRA6600/6601芯片组。无源分频器时，绕开放大器滤波器DSP；有源分频器时，放大器DSP配置前述的滤波器架构。
THD+N
图6显示的是无源和有源低音滤波器在500Hz时的THD+N和功率特性对比情况。



图6：无源和有源低音THD+N和功率，4Ω负载

很明显，无源滤波器的失真和噪音水平要高得多，而且当输出功率增加时，情况将进一步恶化。
图7显示的是有源分频器在22W时的THD+N和频率，在整个音频段上高低音单元的THD+N始终保持较低水平。THD+N持续低于0.005%，并且从没超过0.01%。



图7：22W时有源高、低音单元的THD+N和频率，4Ω负载






        
IMD
图8中，交调失真性能的对比情况更为明显。该FFT采用SMPTE测试，测试频率为60Hz和7kHz；并对比了14W时有源和无源低音滤波器的性能。

无源滤波器不仅产生较高水平的交调失真，而且低频率时噪音也很高。在无源情况下，这种底噪可通过信号幅度进行调整，但对于有源分频器来说，它则是恒定的。


图8：14W时无源和有源低音单元的IMD特性，4Ω负载

阻尼因子
有源分频滤波器的另外一个性能优势是阻尼因子。阻尼因子是驱动器负载阻抗与放大器系统输出阻抗之间的比值。阻尼因子越高，就能够越好地控制驱动器音圈的运动，从而提高音频性能，尤其是低音频率范围中的音频性能。
在无源分频器的情况下，输出阻抗由分频器组件确定；而在有源的情况下，则为放大器输出阻抗。如果数字放大器为闭环，如本例所示，那么放大器输出阻抗将会非常低。
表3对比了无源和有源分频器在各种频率情况下实现的低音信道阻尼因子，其中负载为8Ω。



表3：对比无源和有源低音信道阻尼因子

无源滤波器在1500Hz时的阻尼因子非常低，是因为无源组件LC谐振频率为1752Hz，而非分频器频率。通过简单模拟可以清楚地展示这种谐振，见图9。数字实施则可以彻底避免这些谐振峰。



图9：模拟无源低音滤波器特性






        
本文小结
测量结果说明，实施有源分频器可以获得显著的优势。
降低THD和IMD的潜力非常大。阻尼因子的值可以提高数十到数百，阻抗异常则完全消除。这些特性的改善可最终提高声音的质量。
降低失真水平可提高清晰度，从而显示更多的声音细节，并更好地区分各种乐器。减少底噪调制可以突出动态，并且较低的底噪还方便解析极低的细节水平。较高的阻尼因子可实现卓越的低音控制，从而提供快速而精确的低音和瞬变。
除了这些特性之外，每个驱动器均采用数字输入D类放大器，还使得功率水平能够按照高、低音灵敏度进行精确调整。再加上有源分频器没有耗散，因此可确保实现最佳的效率。
数字滤波器的实施可以重复，因此消除了无源组件容差多变的不利影响。热效应也被降至最低，使得有源扬声器系统能够提供更加一致的性能。
通过几乎免费提供的DSP装置，可以轻松地创建更加复杂的滤波器架构，从而制定更加精确的滤波器特性——这种能力远超无源网络。驱动器时间调整和限幅等其它功能也有助于系统实现最佳的性能。
总之，在高效的无线有源扬声器中采用有源分频器的优势极具吸引力。


CSR公司产品营销经理Dave Brotton