消費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)生了對無線有源揚聲器的需求。為了通過高端有源揚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。
目前的無線有源揚聲器在驅(qū)動裝置之前的信號路徑上有四個元件，即：接收器、DAC、放大器和分頻器。接收器可以是運行高效編解碼器的藍牙裝置；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；而信號路徑上的最后一個元件是無源分頻網(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)動高、低音揚聲器。如果D類放大器帶有數(shù)字輸入端口，則可以利用DSP資源來實施高效的數(shù)字分頻器，相對于無源分頻器來說，數(shù)字分頻器具備極大的優(yōu)勢。
有源揚聲器的架構(gòu)
圖1顯示的是常規(guī)的無線有源揚聲器架構(gòu)。接收器為藍牙裝置，可運行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行，由單一功率放大器同時驅(qū)動高、低音揚聲器。
圖1：常規(guī)的無線有源揚聲器架構(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)動器將音頻信號分解為合適的頻段。
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，音頻信號在放大器功率級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——無須DAC進行數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，消除了轉(zhuǎn)換錯誤。
圖2：使用數(shù)字輸入D類技術(shù)的無線有源揚聲器
為了實現(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現(xiàn)。盡管每個驅(qū)動器需要一個放大器信道，但是每個信道的功率水平都可以根據(jù)高、低音的靈敏度進行精確調(diào)整。
在分頻器方面，可用的信號處理能力可實現(xiàn)極大的優(yōu)勢。片上DSP方便輕松實施高效的濾波器，濾波器經(jīng)過配置可完全匹配驅(qū)動器特性，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施情況，下文將進一步細致探討本例。
圖3：無源分頻器的實施情況
這種設(shè)計為每個驅(qū)動器采用了一個常規(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，因為位于功率路徑上，所以電感器和電容器必須相對較大。但這樣有可能發(fā)生效率損失，導致熱耗散和性能偏移。隨著功率水平的增加，這些效果會進一步惡化，最終導致較高程度的失真。
盡管電路設(shè)計看上去比較簡單，但是組件的相互作用卻非常復雜，因此難以完全隔離各個驅(qū)動器。驅(qū)動器的特性隨著頻率、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)動器靈敏度，這樣會導致熱耗散進一步提高。因此必須正確實施，否則過功率的電感器將出現(xiàn)飽和，在高功率下導致失真，甚至失效而毀壞高音揚聲器。 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)字信號路徑上，因此不存在無源設(shè)計中的效率損失和熱效應(yīng)問題。濾波器與負載相互隔離，并且濾波器之間也彼此隔離，因此不會因為兩者之間的相互作用而導致性能下降。數(shù)字增益控制實施起來也很簡便，能夠滿足各種不同的驅(qū)動器靈敏度，并且無需填充電阻器。
數(shù)字濾波器不受信號水平的影響，因此效果更為精確、線性和可重復，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。還可以通過時延功能實現(xiàn)最佳的驅(qū)動器時間校準。
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和更加復雜的濾波器，以實現(xiàn)更高的性能，而不必增加額外的成本。
復雜的濾波器設(shè)計能夠更好地配合揚聲器外殼和驅(qū)動器特性。而且，還可以設(shè)定濾波器的特性集，以便進行性能選擇，例如，針對房間條件或音樂類型進行補償。
DSP濾波器的性能
實施有源分頻器，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?shù)募軜?gòu)，否則解析誤差可能導致噪音水平提高。
在數(shù)字放大器中，濾波器通過一組雙二階分級創(chuàng)建，每個分級提供一個二階特性，而類型則由大量的系數(shù)確定；在本例中，5個24位系數(shù)形成一個分級。
保證系統(tǒng)能夠解析和處理所有預期的輸入信號，需要考慮計算精度和系數(shù)位寬。例如，放大器動態(tài)范圍目標為116dB時，35位的計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)字濾波器的實施
我們可以利用一種現(xiàn)有的揚聲器設(shè)計，來說明實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)動器連接時的特性。
圖4：連接驅(qū)動器的無源分頻器特性
效率較高時，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進行簡單的增益調(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）；因為靈敏度比較高，所以保持較低的噪音水平比較好。
采用一個雙二階濾波器分級，將系數(shù)進行調(diào)整以配合無源分頻器和驅(qū)動器組合，可以復制數(shù)字高音單元的實施，見表1。
表1：高音雙二階濾波器設(shè)置
欲實現(xiàn)不太平滑的低音特性，需要四個雙二階分級。低通設(shè)置為2.2kHz，兩個峰值濾波器分別設(shè)置為150Hz和1.7kHz以實現(xiàn)較小的偏移，另外一個高通設(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)動器的無源和有源分頻器特性 主要特性的測量
測量三個主要的特性，對比采用無源和有源分頻濾波器設(shè)計的揚聲器的音頻性能。
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）。負載均為4Ω，最終目的是揭示分頻器產(chǎn)生的性能差異。
因為兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，所以應(yīng)進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，繞開放大器濾波器DSP；有源分頻器時，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時的THD+N和功率特性對比情況。
圖6：無源和有源低音THD+N和功率，4Ω負載
很明顯，無源濾波器的失真和噪音水平要高得多，而且當輸出功率增加時，情況將進一步惡化。
圖7顯示的是有源分頻器在22W時的THD+N和頻率，在整個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時有源高、低音單元的THD+N和頻率，4Ω負載
IMD
圖8中，交調(diào)失真性能的對比情況更為明顯。該FFT采用SMPTE測試，測試頻率為60Hz和7kHz；并對比了14W時有源和無源低音濾波器的性能。
圖8：14W時無源和有源低音單元的IMD特性，4Ω負載
無源濾波器不僅產(chǎn)生較高水平的交調(diào)失真，而且低頻率時噪音也很高。在無源情況下，這種底噪可通過信號幅度進行調(diào)整，但對于有源分頻器來說，它則是恒定的。 阻尼因子
有源分頻濾波器的另外一個性能優(yōu)勢是阻尼因子。阻尼因子是驅(qū)動器負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)動器音圈的運動，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非常低。
表3對比了無源和有源分頻器在各種頻率情況下實現(xiàn)的低音信道阻尼因子，其中負載為8Ω。
表3：對比無源和有源低音信道阻尼因子
無源濾波器在1500Hz時的阻尼因子非常低，是因為無源組件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
結(jié)論
測量結(jié)果說明，實施有源分頻器可以獲得顯著的優(yōu)勢。
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)制可以突出動態(tài)，并且較低的底噪還方便解析極低的細節(jié)水平。較高的阻尼因子可實現(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，每個驅(qū)動器均采用數(shù)字輸入D類放大器，還使得功率水平能夠按照高、低音靈敏度進行精確調(diào)整。再加上有源分頻器沒有耗散，因此可確保實現(xiàn)最佳的效率。
數(shù)字濾波器的實施可以重復，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，使得有源揚聲器系統(tǒng)能夠提供更加一致的性能。
通過幾乎免費提供的DSP裝置，可以輕松地創(chuàng)建更加復雜的濾波器架構(gòu)，從而制定更加精確的濾波器特性——這種能力遠超無源網(wǎng)絡(luò)。驅(qū)動器時間調(diào)整和限幅等其它功能也有助于系統(tǒng)實現(xiàn)最佳的性能。
總之，在高效的無線有源揚聲器中采用有源分頻器的優(yōu)勢極具吸引力。 |
