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一篇来自 HEDD 和 ADAM 创始人 Klaus 的新博客:监听音箱中 DSP 的优与劣

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· 官方新闻稿 发布于 2017-08-23

对于工作室监听扬声器,随着DSP(数字信号处理器)的普及,一些人开始认为DSP芯片即使不是扬声器新技术的标志,也至少是技术上进步的成果;而另一些人则质疑其会带来音质损失进而在信号链路中不希望有DSP芯片的出现。


让我们抛开主观印象,仔细探讨一下监听扬声器中DSP的优缺点。声音信号可以通过数字或者模拟的方式传送给扬声器。如果使用DSP芯片,在传输过程中,数字信号需要额外的一次转换(数模转换),模拟信号则需要额外的两次转换(模数转换加数模转换)。如果输入信号为模拟信号,相当于多两次转换,如果是数字信号,相当于一个内置的数模转换器替代了外置数模转换器。 

»在工作室内,优秀的监听扬声器一般都有优质的转换器相伴,即使扬声器内置的转换器设计得再用心,其音质仍比不上那些专业高品质的数模、模数转换器。» 

另一方面,DSP芯片相比模拟电路的优点在哪里,更关键的是它们能提供更好的音质吗?监听扬声器中输入模块的主要功能是把低中高频分开,在频谱上对特定频率范围进行提升或衰减的均衡处理;或者插入压限器以对不同频段进行不同的幅度提升并达到整体放大的效果。由于和低频单元相比,高频单元发声开始得更快,所以偶尔也需要对高频单元进行延时补偿,以实现不同驱动单元传输声音时在时间上的同步。 

能实现以上功能的DSP滤波器叫做IIR即无限脉冲响应滤波器。重要的是,它们的性能和模拟电路的性能相同。DSP芯片的一个实用优势是可以方便地设置滤波器或EQ值,以及可以实现很大的最高达每倍频程96db(16阶)增益。然而,经验显示一个每倍频程24db(4阶)增益就是不造成音质劣化的极限,更大的增益尽管在字面上让人一开始觉得强大,但并没有实际价值。 


HEDD Type 30是一款基于纯模拟电路的工作室中场监听扬声器。和DSP扬声器相比,
它是通过一个叫做HEDD Bridge 的模块化输入卡系统,来与各种数字信号进行信号交互。


DSP的理论和实践

另外一个在理论可以实现以上功能的方式是使用FIR滤波器,即有限脉冲响应滤波器,它可以在不影响频率响应的情况下实现相位线性化。相位响应指信号在通过扬声器单元不同频率间在时间上的关系,和中高频信号相比,低频信号通过扬声器所需的时间更长。信号在扬声器中传输时会出现相位错误,这个现象暂时无法避免。 

是时候讨论一下傅立叶变换的特性了。傅立叶变换是一个物理方程,它表达了任何一种波动及震动在时域和频域上的关系。傅立叶变换提供了一个信号在时域和频域之间相互转换的计算方法。当一个时域上的脉冲纪录被获取,那么它在频域上的响应则可以被计算得到。得到完全精确的数学计算结果是一个很耗时的过程,但 Cooley–Tukey FFT算法,即快速傅立叶变换可以在短时间内完成这份工作。如今在很多技术领域,包括对扬声器以及锥体、箱体的模型分析,FFT在时频域响应计算中扮演重要的角色。 

由于时域和频域是同时出现在傅立叶方程中的两个组成部分,两者之间不可避免地相互影响着。在时间轴上,高频信号传输得快,低频信号传输得慢,即频率高低和时间长短是相反的关系。如果不改变相位响应,那么扬声器(或其他电子音频设备)的频率响应则也无法被改变,反之亦然。在模拟电路的世界里,想同时实现频率和相位的线性化是不可能的。所以,相位特征和其对音质的影响在关于扬声器届的讨论和许多科技论文中是一个永恒的话题。 

»一个新的可行方法是使用新型DSP和FIR(有限脉冲响应)滤波器,通过把一部分存入DSP等待,直到全体信号成分在时间上达到正确的节点顺序再一起传输出去。以此来在不影响频率响应的情况下单独控制相位,最终实现一个线性相位的扬声器。» 

要达到线性相位响应的代价是在总信号上引入了一定的延迟,通常为1至500毫秒,具体时间主要取决于使用的滤波器的精度以及和频率下潜值。这个延迟在纯还音的情况下问题不大,但在录音的情况下是存在隐患的。 

另一个新的越来越现实的问题就是和数字信号源的连接方式。我们推出了一套叫做HEDD Bridge的模块化的输入卡系统,通过使用不同的输入卡来搭配不同的数字信号源以及信号协议。这些输入卡通过如Dante/AES67 等IP化音频(AoIP)网络协议,与扬声器进行全方位的数据连接。这个网络系统可以以更低的价格取代大部分工作室的信号通信功能,并增加了输入/输出管理功能,把曾经的不可能变成可能。 

总    结

DSP优点:

  • 方便快速的滤波器和均衡器设置
  • 整体离散化的电子均衡数值
  • 可控的用户界面
  • 实现扬声器相位线性特性(代价是引入了信号延迟)的FIR滤波器。FIR对房间修正系统格外重要, 这一点将在后面说明。
  • 有房间修正系统作为扩展(尽管只在特定的听音位有效)
  • 增益可以最高达到每倍频程96db(对于模拟电路来说一般不超过每倍频程224db)。然而对于扬声器滤波器网来说,增益超过每倍频程24db(4阶)是没有意义的。

DSP缺点:

  • 起码,在大部分情况下,额外的模数和数模这两次转换会对音质造成影响;
  • 和优秀的模拟化设计相比,在失真和噪音控制方面仍有些不足;
  • 线性相位滤波器(FIR)虽然在音质上带来小幅度的提升,但同时带来的2至500毫秒的特定时间的延迟,这在实时录音情况下是让人无法忍受的。
结论:
  • 模拟扬声器中也有极好的,基于DSP的扬声器中也有不佳的。
  • 关于其他情况和注意事项的清单还有很多,足够写满一篇博客。
  • 对于音质的评判最终取决于用户自己。
  • HEDD监听扬声器是百分之百基于模拟化设计的,首先我们把音质放在第一位,其次DSP对于我们来说并不是必需品。我们并不是绝对否定DSP,而是我们在多年的工作后形成的偏爱。

不要仅仅根据扬声器是模拟还是数字的来对它进行评判,花点时间倾听并比对——模拟和数字模式都有很多方法让音质优化或者劣化。

文章出处 http://dsdigital.cn/

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