處理器設(shè)置規(guī)則.doc

處理器設(shè)置規(guī)則長期以來，人們對分頻器有一些錯(cuò)誤的認(rèn)識，不知道分頻器是什么？不知道分頻器在多功放擴(kuò)聲系統(tǒng)中怎么使用？過去，只有專業(yè)設(shè)計(jì)人員才能更改處理器的設(shè)置，而今天，可設(shè)置的DSP處理器則允許普通用戶調(diào)整其參數(shù)?？刹恍业氖?，在音響系統(tǒng)中，僅對廠家的推薦設(shè)置做微小的改變，就可能對其系統(tǒng)性能產(chǎn)生巨大的影響。這篇文章試圖解釋一些分頻器的細(xì)節(jié)并指出一些嚴(yán)重影響音質(zhì)的常見操作錯(cuò)誤。一什么是分頻器？分頻器可定義為：將輸入的電信號分離成兩路單獨(dú)的信號，且使每一路信號的帶寬均小于原始信號的帶寬，這種由一對或多對濾波器構(gòu)成的裝置就稱為分頻器。也可稱為“頻率分配網(wǎng)絡(luò)”。分頻器通常由高通(低切)濾波器（簡稱為HPF）和低通（高切）濾波器（簡稱為LPF）組成。濾波器是一種頻率選擇器件，可以通過被選擇的頻率而阻礙其他的頻率通過。濾波器通常有以下三個(gè)參數(shù)：截止頻率，網(wǎng)絡(luò)類型，斜率。截止頻率是指濾波器的響應(yīng)在低于它的最大電平時(shí)跌落到某點(diǎn)的頻率，通常為最大電平的0.707倍或0.5倍，或下降3dB或6dB時(shí)的頻率。網(wǎng)絡(luò)類型是指濾波器的頻率響應(yīng)曲線在截止頻率附近的形狀，近些年來，人們設(shè)計(jì)了很多種類型的濾波器，常見的濾波器類型有：巴特沃夫，林克威茲，貝塞爾等，圖一為各種濾波器的的頻率響應(yīng)曲線，斜率定義為濾波器的頻率響應(yīng)曲線中下降到截止頻率時(shí)的傾斜程度，單位為dB/倍頻程，通常斜率為每倍頻程6，12，18和24dB。也可以稱為濾波器斜率或?yàn)V波器階數(shù)，濾波器階數(shù)每增加一階，則其斜率增加6dB/倍頻程，也就是，一階濾波器有6dB/倍頻程的斜率，二階濾波器則有12dB/倍頻程的斜率。那么，24dB/倍頻程的巴特沃夫?yàn)V波器就相當(dāng)于4階的巴特沃夫?yàn)V波器。圖1：紅色-2KHz 24dB林克威茲 瑞利高通濾波器，橙色-2KHz 24dB巴特沃夫高通濾波器，棕色-2KHz 24dB貝塞爾高通濾波器，綠色-“-3dB”，藍(lán)色-“-6dB”由于喇叭單元不會有相同的聲級、全頻帶的輸出，分頻器必須用于全頻范圍的揚(yáng)聲器系統(tǒng)。低頻單元用來再現(xiàn)低頻信號，高頻單元用來再現(xiàn)高頻信號，分頻器將適當(dāng)?shù)念l率信號傳輸?shù)竭m當(dāng)?shù)睦葐卧?。通常分頻器分為主動(dòng)式和從動(dòng)式，總體上說：從動(dòng)式分頻器分離功放后的音頻信號（揚(yáng)聲器電平），常被做在揚(yáng)聲器內(nèi)部。而主動(dòng)式的分頻器，則分離放大器放大之前的音頻信號（線路電平），通常是獨(dú)立的電子裝置，位于信號源與放大器之間。信號經(jīng)過分頻器最終流入對應(yīng)的喇叭單元，喇叭單元用來再現(xiàn)聲音頻譜的適當(dāng)部分。當(dāng)分頻器被設(shè)計(jì)好后，各個(gè)喇叭單元的信號可以疊加，并能精確的再現(xiàn)原始的輸入信號。分頻器還將影響一些其他的參數(shù)，如：功率，帶寬，這些都必須在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。二相位-一個(gè)簡單的說明在某個(gè)特定的頻率處，如果兩個(gè)信號的頻率響應(yīng)有相似的幅值和斜率，信號將會加在一起，形成一個(gè)新的信號。我們可以通過相位響應(yīng)來解釋兩個(gè)信號在相位的不同或時(shí)間上的不同。如果兩個(gè)濾波器的相位響應(yīng)相似，他們輸出的信號將會相加；反之，則會相互削減。我們在上面討論的不同類型和斜率的濾波器都有其獨(dú)特的相位響應(yīng)曲線，如圖1所示。以下的示例圖片是一些在揚(yáng)聲器系統(tǒng)中常見的相位變化圖，這種測量方式在聲學(xué)測量系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用，例如SIA Smaart。觀察圖2中兩個(gè)濾波器的相位響應(yīng)曲線，特別是下降部分曲線，圖2：兩個(gè)同樣的濾波器。橙色-正常，藍(lán)色-極性反轉(zhuǎn)。盡管這兩個(gè)濾波器在幅值響應(yīng)上是相同的，但他們在相位響應(yīng)上有著明顯的區(qū)別。仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)他們在斜率是相同的，相位上相差180度，剛好是倒相的關(guān)系。對一個(gè)簡單的180度相移，這應(yīng)該不會感到困惑，并可以在一個(gè)單個(gè)的頻率上出現(xiàn)，在圖3中作為一個(gè)例子。圖3：兩個(gè)同樣的濾波器。橙色-被延時(shí)，藍(lán)色-正常。斜率和相位的差異并不是固定的，而是隨著頻率的變化而改變的。這個(gè)時(shí)間上偏移或延遲的特性可以用來指示兩個(gè)設(shè)備之間的不同，這個(gè)偏移量可以通過下面這個(gè)公式計(jì)算：這個(gè)等式表明時(shí)間的偏移量等于在某個(gè)頻率處的相位差的絕對值除以對應(yīng)頻率與360之積。假定取頻率為500Hz ，根據(jù)圖形顯示，在500Hz處，藍(lán)色曲線的相位為-90，橙色曲線的為-180，兩者之間的相位差為90，根據(jù)公式可得，兩個(gè)信號之間的時(shí)間差為：Ts=90/(360*500Hz) = 0.5ms 。這個(gè)計(jì)算公式可以使用于任何頻率，其結(jié)果都是相同的。通常我們需要注意的是相位曲線外面的包絡(luò)線。曲線中Y軸的范圍從-270到90度，一般的相位曲線都在360度的范圍內(nèi)，像0360，180180等范圍。你不可以直觀的看出相位曲線是一直下降或是上升的，圖中橙色曲線在2KHz處居然是-630，（第一次在包絡(luò)線處為700，從700到2居然又降了360度）這些相位值必須代入上面公式才能得出正確的結(jié)果。三分頻點(diǎn)分頻點(diǎn)通常定義為兩個(gè)分頻器的響應(yīng)（一般由一個(gè)LPF和一個(gè)HPF組成）互相交叉處的頻率，可能是兩個(gè)電子分頻器（從動(dòng)或主動(dòng)式）電學(xué)特性上的分頻點(diǎn)，或者是兩個(gè)聲學(xué)濾波器上的分頻點(diǎn)。任何喇叭單元實(shí)質(zhì)上都是一個(gè)濾波器，每一個(gè)都有他們內(nèi)部所固有的高通和低通濾波器，以及固有的截止頻率，斜率，網(wǎng)絡(luò)類型。人們經(jīng)常會問：“對某個(gè)系統(tǒng)來說分頻點(diǎn)是什么？”其實(shí)他們想知道的是對這個(gè)系統(tǒng)來說總體聲學(xué)分頻點(diǎn)在哪里？一個(gè)系統(tǒng)的總體聲學(xué)分頻點(diǎn)取決于這個(gè)系統(tǒng)中電子濾波器與喇叭單元頻率響應(yīng)的數(shù)學(xué)組合，當(dāng)一個(gè)電子濾波器添加到一個(gè)聲學(xué)濾波器系統(tǒng)時(shí)，他們的頻率響應(yīng)將疊加，形成一個(gè)全新的響應(yīng)曲線。如圖4中例子所示。圖4：紅色-高頻單元響應(yīng)，棕色-電子高通濾波器，橙色-合成響應(yīng)。這個(gè)問題通常被看作什么是系統(tǒng)的分頻設(shè)置，但一個(gè)系統(tǒng)的分頻設(shè)置不只是分頻點(diǎn)而已，就像上面所說的，一個(gè)分頻器是一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波器的組合，他們每一個(gè)都可以用三個(gè)參數(shù)完整的描述。四系統(tǒng)舉例看下面這個(gè)例子，圖5所示曲線為安裝在箱體內(nèi)的一個(gè)高頻器件和一個(gè)低頻器件的實(shí)際頻率響應(yīng)：圖5：兩個(gè)單元的原始聲學(xué)響應(yīng)。紅色-低頻，棕色-高頻，分頻點(diǎn)在大約613Hz。兩個(gè)不同單元之間的聲級/靈敏度差異，及高頻器件的相位滯后都是顯而易見的。高頻部分很可能被固定在一個(gè)長喉管的號筒上，因此產(chǎn)生相對于低頻揚(yáng)聲器的延遲，為了更好地使系統(tǒng)重現(xiàn)信號，最新發(fā)展的分頻器要求能夠平滑頻率響應(yīng)曲線。按圖6所示的處理后得到圖7所示的結(jié)果。圖6：電子分頻器的響應(yīng)。綠色-低頻，橙色-高頻。分頻點(diǎn)在大約1.8KHz圖7：加上分頻器的系統(tǒng)的總體聲學(xué)響應(yīng)。粉紅色-低頻，藍(lán)色-高頻，紅色-總體。分頻點(diǎn)在大約1.3KHz我們可以注意到在整個(gè)頻率響應(yīng)曲線中，平坦的部分是從50Hz到20kHz(-3dB)，高頻部分和低頻部分的相位響應(yīng)在分頻點(diǎn)附近有相似的斜率，且相位差不超過90度。這是通過給低頻部分的延時(shí)使它校準(zhǔn)于高頻部分。我們應(yīng)該意識到這僅僅是一種可行的分頻方案，還有很多其他的方案也同樣可行?？梢钥吹皆趫D7中1.3kHz的聲學(xué)分頻點(diǎn)和在低頻部分的截止頻率為944Hz的低通濾波器，及高頻部分的截止頻率為2053Hz的高通濾波器沒有任何相關(guān)性。此外，它也不對應(yīng)于原始狀態(tài)下單元的分頻點(diǎn)（圖5），也不對應(yīng)于電子濾波器的分頻點(diǎn)（圖7）。五為什么使用不對稱的濾波器？我們注意到在上面的例子中，把12dB的巴特沃夫?yàn)V波器用在在高頻部分，把24dbB的貝塞爾濾波器用在低頻部分，像這樣使用斜率和類型都不對稱的濾波器是十分常見的，這是因?yàn)閹缀鯖]有喇叭單元擁有和分頻器相同的斜率和網(wǎng)絡(luò)類型。我們再回到圖5中，可以發(fā)現(xiàn)高頻部分和低頻部分所固有的斜率和網(wǎng)絡(luò)類型是不相同的，系統(tǒng)全頻聲學(xué)響應(yīng)取決于分頻器的電學(xué)響應(yīng)與變頻器的聲學(xué)響應(yīng)的組合。若要使電子濾波器的特性對稱，則必須使喇叭單元的特性也對稱，但這是無法實(shí)現(xiàn)的，因此我們用不對稱的電子濾波器來完善變頻器的不對稱特性。不幸的是只有極少數(shù)昂貴的電子分頻器允許使用不對稱的斜率或網(wǎng)絡(luò)類型，許多便宜的分頻器有一個(gè)簡單的標(biāo)有頻率的旋鈕，允許撥一個(gè)合適的頻率值。盡管在這些單元中只有一個(gè)參數(shù)可調(diào)，但這很可能是分頻點(diǎn)的所在。通常這些器件會采用對稱的24dB林克威茲 瑞利高通或低通濾波器，它們在給定的頻率處有高的截止斜率和相同的相位響應(yīng)。就如圖8所示。圖8：24dB林克威茲 瑞利高通和低通濾波器，在1.3KHz。注意相位響應(yīng)的重合，所以藍(lán)色相位圖不可見我們可以看到用了這些分頻器件后的效果，以圖5中所描述的系統(tǒng)為例，效果如圖9中所示。圖8：用1.3KHz 24dB林克威茲 瑞利高通和低通濾波器代替圖6中的高通和低通濾波器處理后的圖示，粉紅色-低頻，藍(lán)色-高頻，紅色-總體。注意相位響應(yīng)的不同。圖中曲線顯示了和圖6做一樣處理的系統(tǒng)全頻響應(yīng)，唯一不同的是這里將高通和低通濾波器替換為對稱的分頻點(diǎn)在1.3kHz的24dB林克威茲 瑞利濾波器。1.3kHz是圖7中所描述的系統(tǒng)的分頻點(diǎn)，所以這里采用1.3kHz作為分頻點(diǎn)。我們下面再來看一下其他兩種可能，其一為消除在前一個(gè)例子中所說的設(shè)置中的延時(shí)，因?yàn)橐恍┝畠r(jià)的分頻器不具有延時(shí)的調(diào)整，或無法做0.5ms的精確調(diào)整，圖10展示了系統(tǒng)沒有延時(shí)的效果。圖10：系統(tǒng)描述在圖9中，沒有延時(shí)另一種值得考慮的方案是把對稱的24dB林克威茲 瑞里濾波器的分頻點(diǎn)設(shè)置在1.8kHz，這與圖4中的電子濾波器的分頻點(diǎn)是相同的，這將產(chǎn)生0.5ms的延時(shí)，結(jié)果如圖11所示。圖11：系統(tǒng)顯示在圖10中，加上分頻點(diǎn)設(shè)置到1.3KHz。紅色-加0.5ms延時(shí)，綠色-沒有延時(shí)。最后，我們考慮在圖9中使用對稱的24dB林克威茲 瑞里濾波器的原例，這個(gè)系統(tǒng)需要固定一個(gè)外部的參數(shù)或圖形均衡器，我們來具體研究怎樣才能使系統(tǒng)的響應(yīng)曲線變得平坦。圖9中相位響應(yīng)顯示在分頻點(diǎn)附近的相位差可以達(dá)到180度，就像前面所規(guī)定的一樣，是可計(jì)算的極性倒置。圖12中展示了高頻信號極性倒置后對系統(tǒng)的影響，然后使用了一個(gè)附加的在1.49KHZ的均衡器。此外，現(xiàn)有的均衡器需要精細(xì)的調(diào)節(jié)使之得到平坦響應(yīng)的結(jié)果，但這種調(diào)節(jié)不能靠直覺，在沒有使用合適的測量設(shè)備情況下，用戶很難做出精確的調(diào)節(jié)。若采用ISO標(biāo)準(zhǔn)頻率的圖形均衡器，在1.49kHz處實(shí)現(xiàn)低Q值是很困難的，也是毫無意義的。同樣令人遺憾的是均衡器需要被用來削減在分頻點(diǎn)處過多的疊加，在高通濾波器和低通濾波器頻率分開時(shí)或許可能（降低低通濾波器的截止頻率并且升高高通濾波器的截止頻率）。此外，我們還不知道這些改變將會對系統(tǒng)的其他參數(shù)造成什么樣的影響，像承受功率，偏軸響應(yīng)，波束寬度等等。圖12：橙色，系統(tǒng)用24dB對稱的林克威茲 瑞里濾波器加高頻反轉(zhuǎn)。紅色，最后系統(tǒng)加上增加的參量均衡這些設(shè)置圖例的變化如圖6所示。紅色的參數(shù)是改變過的，藍(lán)色的參數(shù)是增加的六該用多大的增益？長期以來，分頻器輸出通道的增益是為了適應(yīng)房間聲學(xué)特性等而改變的，無論是在放大器還是在處理器上，一個(gè)通道的增益的改變同樣會改變分頻點(diǎn)。圖13：藍(lán)色/棕色-低通濾波器在0dB，高通濾波器在-6dB，藍(lán)色/紅色-低通濾波器和高通濾波器增加6dB的增益變化在高通濾波器上，分頻點(diǎn)現(xiàn)在在1.5KHz，注意紅色和棕色相位響應(yīng)的重合，所以棕色相位圖不可見從上面圖中可看到，在幅值響應(yīng)上增益發(fā)生變化時(shí)相位響應(yīng)上并沒有變化，因此，若是分頻點(diǎn)發(fā)生了變化，兩個(gè)濾波器的相位關(guān)系不會發(fā)生變化。也有可能在適當(dāng)?shù)寞B加沒有發(fā)生時(shí)，相位關(guān)系會不一致。例如，有一些區(qū)域的相位響應(yīng)和從1.6kHz到1.9kHz區(qū)域的有相同的曲線，在這個(gè)區(qū)域允許有適當(dāng)?shù)寞B加，在這個(gè)區(qū)域以外，相位響應(yīng)有很大的不同。把分頻點(diǎn)移到1.6kHz以下和1.9kHz以上都不會產(chǎn)生適當(dāng)?shù)寞B加。盡管這些通常在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被考慮進(jìn)去，但不是所有的系統(tǒng)都能適應(yīng)同樣的彈性標(biāo)準(zhǔn)。警告不要單獨(dú)調(diào)整單個(gè)通道的幅值。這個(gè)例子再一次證明系統(tǒng)分頻點(diǎn)不是僅有的不完整信息，更在系統(tǒng)參數(shù)有微小的改變時(shí)將發(fā)生巨大的變化。七參數(shù)均衡系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)非常重要的方面就是參數(shù)均衡器，參數(shù)均衡器是一種濾波器，它在一些頻率范圍內(nèi)增益不為零，而在這個(gè)范圍以外的部分其增益均為零。從先前的例子中可以看到，均衡器用于削減在喇叭單元響應(yīng)中的非線性特性。一個(gè)參數(shù)均衡器定義了三個(gè)參數(shù)：Q值或帶寬，中心頻率，和增益。Q值或帶寬定義了濾波器的寬度，通常有很多種方法計(jì)算Q值和帶寬，這些方法中并沒有明顯的標(biāo)準(zhǔn)，在這里我們不對這些方法進(jìn)行討論。簡單來說，一個(gè)低Q值或高帶寬的濾波器覆蓋了很寬的頻率范圍，反之一個(gè)高Q值或低帶寬的濾波器只覆蓋較窄的頻率范圍.濾波器的增益用dB表示，定義為在中心頻率處提升或衰減其幅度的值。圖14所示的為一些參數(shù)濾波器的例子。圖14：兩個(gè)參數(shù)均衡，100Hz，-10dB的增益，6.3的Q值；4KHz，+6dB的增益，0.67的Q值。注意伴隨著幅值變化的相位改變。這里有兩個(gè)參數(shù)均衡器，100Hz的濾波器描述的是高Q值低帶寬的情況，相反的，4kHz則用來描述低Q值高帶寬的情況，下面是這些均衡器的真實(shí)的設(shè)置：可以看到相位隨著均衡器參數(shù)而發(fā)生變化，這個(gè)變化說明在處理器中任何參數(shù)都可能引起在分頻器的相位響應(yīng)的改變，因此有時(shí)候必須進(jìn)行折衷處理，另一方面，這些有時(shí)候又成為設(shè)計(jì)者的優(yōu)勢。把一個(gè)高Q值，負(fù)增益的濾波器放在或接近分頻點(diǎn)，產(chǎn)生足夠的相位或大的改變使疊加更易進(jìn)行。不過，我們不要利用參數(shù)均衡器來提升頻率以減緩在分頻器響應(yīng)中的扭曲。很多