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消費(fèi)者希望連接其家庭娛樂系統(tǒng)的電纜越少越好，因此而產(chǎn)生了對(duì)無線有源揚(yáng)聲器的需求。為了通過高端有源揚(yáng)聲器提供最佳的音頻質(zhì)量，我們可以采用各種各樣的技術(shù)來提升其性能；在這種情況下，數(shù)字有源分頻器可以發(fā)揮重要的作用。 目前的無線有源揚(yáng)聲器在驅(qū)動(dòng)裝置之前的信號(hào)路徑上有四個(gè)元件，即接收器、DAC、放大器和分頻器。接收器可以是運(yùn)行高效編解碼器的藍(lán)牙裝置；放大器可能是常規(guī)的模擬輸入AB類裝置，通過其輸入端口的高效DAC保證提供較高的音頻質(zhì)量；而信號(hào)路徑上的最后一個(gè)元件是無源分頻網(wǎng)絡(luò)。 或者，我們也可以采用高效的D類放大器，通過提高效率來直接驅(qū)動(dòng)高、低音揚(yáng)聲器。如果D類放大器帶有數(shù)字輸入端口，則可以利用DSP資源來實(shí)施高效的數(shù)字分頻器，相對(duì)于無源分頻器來說，數(shù)字分頻器具備極大的優(yōu)勢(shì)。 有源揚(yáng)聲器的架構(gòu) 圖1顯示的是常規(guī)的無線有源揚(yáng)聲器架構(gòu)。接收器為藍(lán)牙裝置，可運(yùn)行aptXTM等高效的編解碼器，以確保最佳的音頻性能。為了方便從數(shù)字域向模擬域轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)需要在放大器輸入端口之前配置高效的DAC。前置放大器和功率放大器在模擬域運(yùn)行，由單一功率放大器同時(shí)驅(qū)動(dòng)高、低音揚(yáng)聲器。 圖1：常規(guī)的無線有源揚(yáng)聲器架構(gòu) 提供較高的音頻質(zhì)量需要AB類放大器架構(gòu)。但是，模擬輸入D類放大器卻非常節(jié)省功率，這一點(diǎn)很有吸引力；如今的閉環(huán)模擬輸入D類放大器也能夠提供很好的音頻性能。提高效率也意味著節(jié)省功率。 在這種架構(gòu)下，無源分頻網(wǎng)絡(luò)提供高通和低通濾波，為高、低音驅(qū)動(dòng)器將音頻信號(hào)分解為合適的頻段。 超高效數(shù)字輸入D類放大器的出現(xiàn)，使得另外一種架構(gòu)也很有吸引力，見圖2。在這種架構(gòu)下，音頻信號(hào)在放大器功率級(jí)輸出之前始終停留在數(shù)字域，這本身就是一種音頻性能優(yōu)勢(shì)——無須DAC進(jìn)行數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，消除了轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。 圖2：使用數(shù)字輸入D類技術(shù)的無線有源揚(yáng)聲器 為了實(shí)現(xiàn)最佳的音頻性能，需要選擇閉環(huán)數(shù)字放大器。本例中的平臺(tái)為CSR直接數(shù)字反饋放大器（DDFATM）技術(shù)。 在本架構(gòu)下，前置放大器和功率放大器的功能通過單一電路實(shí)現(xiàn)。盡管每個(gè)驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)放大器信道，但是每個(gè)信道的功率水平都可以根據(jù)高、低音的靈敏度進(jìn)行精確調(diào)整。 在分頻器方面，可用的信號(hào)處理能力可實(shí)現(xiàn)極大的優(yōu)勢(shì)。片上DSP方便輕松實(shí)施高效的濾波器，濾波器經(jīng)過配置可完全匹配驅(qū)動(dòng)器特性，因此無需無源組件。 無源分頻器和有源分頻器 圖3顯示的是典型的無源分頻器的實(shí)施情況，下文將進(jìn)一步細(xì)致探討本例。 這種設(shè)計(jì)為每個(gè)驅(qū)動(dòng)器采用了一個(gè)常規(guī)的二階濾波器，分頻器頻率約為2.2kHz。低音阻抗為3.5Ω，高音阻抗為3.2Ω。 電路由簡單的電感器和電容器構(gòu)成，因?yàn)槲挥诠β事窂缴�，所以電感器�?a href="http://www.qingdxww.cn/keyword/電容器" target="_blank" class="relatedlink">電容器必須相對(duì)較大。但這樣有可能發(fā)生效率損失，導(dǎo)致熱耗散和性能偏移。隨著功率水平的增加，這些效果會(huì)進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致較高程度的失真。 圖3：無源分頻器的實(shí)施情況 盡管電路設(shè)計(jì)看上去比較簡單，但是組件的相互作用卻非常復(fù)雜，因此難以完全隔離各個(gè)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器的特性隨著頻率、功率和溫度的變化而發(fā)生變化，濾波器的響應(yīng)也直接受此影響。 分頻器通過添加填充電阻器以配合各種不同的驅(qū)動(dòng)器靈敏度，這樣會(huì)導(dǎo)致熱耗散進(jìn)一步提高。因此必須正確實(shí)施，否則過功率的電感器將出現(xiàn)飽和，在高功率下導(dǎo)致失真，甚至失效而毀壞高音揚(yáng)聲器。 而數(shù)字有源分頻器可以解決上述問題，使得產(chǎn)品更加高效、更加簡單。 有源分頻器位于系統(tǒng)的低層數(shù)字信號(hào)路徑上，因此不存在無源設(shè)計(jì)中的效率損失和熱效應(yīng)問題。濾波器與負(fù)載相互隔離，并且濾波器之間也彼此隔離，因此不會(huì)因?yàn)閮烧咧g的相互作用而導(dǎo)致性能下降。數(shù)字增益控制實(shí)施起來也很簡便，能夠滿足各種不同的驅(qū)動(dòng)器靈敏度，并且無需填充電阻器。 數(shù)字濾波器不受信號(hào)水平的影響，因此效果更為精確、線性和可重復(fù)，失真也始終保持在較低的水平。此外還能夠很好地控制限幅，因此消除了過載的問題。還可以通過時(shí)延功能實(shí)現(xiàn)最佳的驅(qū)動(dòng)器時(shí)間校準(zhǔn)。 數(shù)字放大器的DSP資源占用的開銷非常小，因此可以保證提供充分的處理能力。這就意味著能夠?qū)嵤└痈唠A和更加復(fù)雜的濾波器，以實(shí)現(xiàn)更高的性能，而不必增加額外的成本。 復(fù)雜的濾波器設(shè)計(jì)能夠更好地配合揚(yáng)聲器外殼和驅(qū)動(dòng)器特性。而且，還可以設(shè)定濾波器的特性集，以便進(jìn)行性能選擇，例如，針對(duì)房間條件或音樂類型進(jìn)行補(bǔ)償。 DSP濾波器的性能 實(shí)施有源分頻器，必須注意濾波器的規(guī)格，以便保證最佳的音頻性能。例如，除非采用適當(dāng)?shù)募軜?gòu)，否則解析誤差可能導(dǎo)致噪音水平提高。 在數(shù)字放大器中，濾波器通過一組雙二階分級(jí)創(chuàng)建，每個(gè)分級(jí)提供一個(gè)二階特性，而類型則由大量的系數(shù)確定；在本例中，5個(gè)24位系數(shù)形成一個(gè)分級(jí)。 保證系統(tǒng)能夠解析和處理所有預(yù)期的輸入信號(hào)，需要考慮計(jì)算精度和系數(shù)位寬。例如，放大器動(dòng)態(tài)范圍目標(biāo)為116dB時(shí)，35位的計(jì)算精度可以保證過濾而不產(chǎn)生噪音或失真，系數(shù)解析度大于20位。 數(shù)字濾波器的實(shí)施 我們可以利用一種現(xiàn)有的揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)，來說明實(shí)施無源和有源濾波器的性能差異。圖4顯示的是圖3的無源分頻器與高、低音驅(qū)動(dòng)器連接時(shí)的特性。 效率較高時(shí)，納入填充電阻器可以使高音信道減幅。采用數(shù)字分頻器，在配置放大器和濾波器時(shí)進(jìn)行簡單的增益調(diào)整，即可輕松解決這種差異。這樣的調(diào)整還可以改善高音信道的信噪比（SNR）；因?yàn)殪`敏度比較高，所以保持較低的噪音水平比較好。 圖4：連接驅(qū)動(dòng)器的無源分頻器特性 采用一個(gè)雙二階濾波器分級(jí)，將系數(shù)進(jìn)行調(diào)整以配合無源分頻器和驅(qū)動(dòng)器組合，可以復(fù)制數(shù)字高音單元的實(shí)施，見表1。 表1：高音雙二階濾波器設(shè)置 欲實(shí)現(xiàn)不太平滑的低音特性，需要四個(gè)雙二階分級(jí)。低通設(shè)置為2.2kHz，兩個(gè)峰值濾波器分別設(shè)置為150Hz和1.7kHz以實(shí)現(xiàn)較小的偏移，另外一個(gè)高通設(shè)置為450Hz，見表2。 表2：低音雙二階濾波器的設(shè)置 這些設(shè)置的結(jié)果見圖5顯示的特性，非常接近無源分頻器。 圖5：連接驅(qū)動(dòng)器的無源和有源分頻器特性 主要特性的測量 測量三個(gè)主要的特性，對(duì)比采用無源和有源分頻濾波器設(shè)計(jì)的揚(yáng)聲器的音頻性能。 使用Audio Precision分析儀測量總諧波失真和噪音（THD+N）以及交調(diào)失真（IMD）。負(fù)載均為4Ω，最終目的是揭示分頻器產(chǎn)生的性能差異。 因?yàn)閮煞N系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，所以應(yīng)進(jìn)一步通過阻抗來測量性能。阻尼因子，即兩種阻抗之間的比值，對(duì)于音頻性能有著非常重要的影響。 每種情況均采用相同的放大器架構(gòu)；30W雙信道數(shù)字放大器基于CSR DDFA CSRA6600/6601芯片組。無源分頻器時(shí)，繞開放大器濾波器DSP；有源分頻器時(shí)，放大器DSP配置前述的濾波器架構(gòu)。 THD+N 圖6顯示的是無源和有源低音濾波器在500Hz時(shí)的THD+N和功率特性對(duì)比情況。 圖6：無源和有源低音THD+N和功率，4Ω負(fù)載 很明顯，無源濾波器的失真和噪音水平要高得多，而且當(dāng)輸出功率增加時(shí)，情況將進(jìn)一步惡化。 圖7顯示的是有源分頻器在22W時(shí)的THD+N和頻率，在整個(gè)音頻段上高低音單元的THD+N始終保持較低水平。THD+N持續(xù)低于0.005%，并且從沒超過0.01%。 圖7：22W時(shí)有源高、低音單元的THD+N和頻率，4Ω負(fù)載 IMD 圖8中，交調(diào)失真性能的對(duì)比情況更為明顯。該FFT采用SMPTE測試，測試頻率為60Hz和7kHz；并對(duì)比了14W時(shí)有源和無源低音濾波器的性能。 無源濾波器不僅產(chǎn)生較高水平的交調(diào)失真，而且低頻率時(shí)噪音也很高。在無源情況下，這種底噪可通過信號(hào)幅度進(jìn)行調(diào)整，但對(duì)于有源分頻器來說，它則是恒定的。 圖8：14W時(shí)無源和有源低音單元的IMD特性，4Ω負(fù)載 阻尼因子 有源分頻濾波器的另外一個(gè)性能優(yōu)勢(shì)是阻尼因子。阻尼因子是驅(qū)動(dòng)器負(fù)載阻抗與放大器系統(tǒng)輸出阻抗之間的比值。阻尼因子越高，就能夠越好地控制驅(qū)動(dòng)器音圈的運(yùn)動(dòng)，從而提高音頻性能，尤其是低音頻率范圍中的音頻性能。 在無源分頻器的情況下，輸出阻抗由分頻器組件確定；而在有源的情況下，則為放大器輸出阻抗。如果數(shù)字放大器為閉環(huán)，如本例所示，那么放大器輸出阻抗將會(huì)非常低。 表3對(duì)比了無源和有源分頻器在各種頻率情況下實(shí)現(xiàn)的低音信道阻尼因子，其中負(fù)載為8Ω。 表3：對(duì)比無源和有源低音信道阻尼因子 無源濾波器在1500Hz時(shí)的阻尼因子非常低，是因?yàn)闊o源組件LC諧振頻率為1752Hz，而非分頻器頻率。通過簡單模擬可以清楚地展示這種諧振，見圖9。數(shù)字實(shí)施則可以徹底避免這些諧振峰。 圖9：模擬無源低音濾波器特性 本文小結(jié) 測量結(jié)果說明，實(shí)施有源分頻器可以獲得顯著的優(yōu)勢(shì)。 降低THD和IMD的潛力非常大。阻尼因子的值可以提高數(shù)十到數(shù)百，阻抗異常則完全消除。這些特性的改善可最終提高聲音的質(zhì)量。 降低失真水平可提高清晰度，從而顯示更多的聲音細(xì)節(jié)，并更好地區(qū)分各種樂器。減少底噪調(diào)制可以突出動(dòng)態(tài)，并且較低的底噪還方便解析極低的細(xì)節(jié)水平。較高的阻尼因子可實(shí)現(xiàn)卓越的低音控制，從而提供快速而精確的低音和瞬變。 除了這些特性之外，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字輸入D類放大器，還使得功率水平能夠按照高、低音靈敏度進(jìn)行精確調(diào)整。再加上有源分頻器沒有耗散，因此可確保實(shí)現(xiàn)最佳的效率。 數(shù)字濾波器的實(shí)施可以重復(fù)，因此消除了無源組件容差多變的不利影響。熱效應(yīng)也被降至最低，使得有源揚(yáng)聲器系統(tǒng)能夠提供更加一致的性能。 通過幾乎免費(fèi)提供的DSP裝置，可以輕松地創(chuàng)建更加復(fù)雜的濾波器架構(gòu)，從而制定更加精確的濾波器特性——這種能力遠(yuǎn)超無源網(wǎng)絡(luò)。驅(qū)動(dòng)器時(shí)間調(diào)整和限幅等其它功能也有助于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳的性能。 總之，在高效的無線有源揚(yáng)聲器中采用有源分頻器的優(yōu)勢(shì)極具吸引力。 CSR公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理Dave Brotton |
