過去十年間，揚聲器技術(shù)的發(fā)展速度日益加快。從新材料、新制造方法、更好的測量設(shè)備、改進的非線性建模工具到有限單元分析工具的更利用，都在推動著揚聲器技術(shù)的進步。不使用新技術(shù)而完成揚聲器設(shè)計周期幾乎是不可想象的。現(xiàn)在，揚聲器和系統(tǒng)設(shè)計人員越來越多地利用DSP及其工具來幫助設(shè)計已不足為奇。隨著其應(yīng)用日益廣泛，DSP及其工具對于揚聲器行業(yè)變得至關(guān)重要。因此，揚聲器制造商有必要未雨綢繆，考慮將新的DSP技術(shù)和使用作為設(shè)計過程的新變量。

　　由于產(chǎn)品時間線越來越短，市場變化無常，制造商必須采用效率更高的設(shè)計技術(shù)。ADI公司已開發(fā)出軟件來改進利用其DSP產(chǎn)品線（即SigmaDSP和Sharc）的此類系統(tǒng)設(shè)計。SigmaStudio的Auto EQ旨在讓設(shè)計人員騰出精力來關(guān)注其它重要的系統(tǒng)考慮，從而縮短設(shè)計時間。

　　本論文（“揚聲器系統(tǒng)的自動均衡、分頻和對齊”）所述技術(shù)的開發(fā)目的，就是讓音頻揚聲器和系統(tǒng)設(shè)計中的常見重復(fù)性任務(wù)能夠自動完成，使音頻系統(tǒng)實現(xiàn)均衡，并調(diào)整到所需的電聲目標(biāo)響應(yīng)。

　　SigmaStudio

　　針對音頻/DSP應(yīng)用的用戶友好、直觀、可擴展的圖形編程環(huán)境

　　為使讀者能夠更好地了解Auto-EQ插件的開發(fā)平臺，下面簡要描述它所支持的環(huán)境——SigmaStudio。

　　圖形開發(fā)環(huán)境在音頻行業(yè)已使用多年。終，那些限制較少的圖形開發(fā)環(huán)境存留下來，并贏得了一大群用戶的堅定支持，他們不愿意改變設(shè)計模式，或者采用其它嵌入式處理器和設(shè)計環(huán)境。SigmaStudio開發(fā)環(huán)境初是針對SigmaDSP系列音頻專用信號處理器而設(shè)計。SigmaStudio與SigmaDSP系列數(shù)字信號處理器旨在讓模擬音頻工程師更加接近DSP設(shè)計方法，了解其中的奧妙，從而簡化音頻設(shè)計考慮，縮短產(chǎn)品上市時間。

　　SigmaStudio （1.0）初是一個獨立的GUI（圖形用戶界面）應(yīng)用程序，用于控制預(yù)定音頻信號流的參數(shù)。它支持對一組導(dǎo)出值進行控制，從而管理動態(tài)處理器、濾波器、專有特殊效果及其它基于預(yù)寫ROM的算法（還有其它算法）。此時，用戶無法直接訪問DSP的音頻流。因此，即便DSP是一種完全可編程的音頻解決方案，終端用戶也無法直接使用（許多情況下也不知道）這種編程能力。在SigmaStudio 1.0推出的同時，其它工具也陸續(xù)問世。這些工具支持修改SigmaDSP內(nèi)部的音頻信號流，是SigmaStudio 1.0的信號流設(shè)計補充工具。用戶則需要一種集成解決方案，以便能夠?qū)?shù)和信號流設(shè)計工具進行實時控制（參見ADAU1953）。

　　使用這款工具的早期用戶處于從模擬向全數(shù)字媒體信號路徑轉(zhuǎn)變的過程中。向數(shù)字信號處理器的轉(zhuǎn)變還降低了模擬模塊設(shè)計所涉及的物流和技術(shù)要求，統(tǒng)一了PCB設(shè)計，使成本得以降低，這在ADC/DAC與DSP集成在同一芯片上表現(xiàn)得尤為明顯。

　　第二代SigmaStudio支持全面控制和創(chuàng)建通用信號流。它具有許多功能，例如：

　　-    為音頻設(shè)計工程師創(chuàng)建直觀的設(shè)計和用戶界面

　　-    允許存儲器在多個模塊之間重用，從而優(yōu)化代碼

　　-    使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計技術(shù)來優(yōu)化運行時模塊

　　-    支持對象模塊化，以便在算法設(shè)計工程師之間通用

　　-    運行時調(diào)整能力和A-B快速切換

　　-    顯示模擬傳遞函數(shù)，以實現(xiàn)時域信號處理的頻域表示，包括揚聲器的頻率和相位響應(yīng)

　　-    隱藏和保護知識產(chǎn)權(quán)

　　-    分別并獨立發(fā)布算法和其它知識產(chǎn)權(quán)

　　-    對原理圖音頻流中的各點進行運行時調(diào)試，包括數(shù)據(jù)可視化

　　-    創(chuàng)建多核、多DSP信號流

　　-    創(chuàng)建可以嵌入終微處理器的所有必要支持文件（自動產(chǎn)生C代碼和頭文件），從而簡化系統(tǒng)集成

　　-    使用時域仿真

　　-    將客戶專有IP編碼的匯編代碼嵌入圖形控制GUI中

　　-    允許混合使用專有IP和新定制的專有算法

　　-    幾分鐘就能完成復(fù)雜音頻流的設(shè)計

圖1 – SigmaStudio圖形開發(fā)環(huán)境

　　SigmaStudio的自動均衡插件

　　AutoEQ是與瓦倫西亞理工大學(xué)合作開發(fā)的一個附加工具，旨在幫助創(chuàng)建數(shù)字濾波器系統(tǒng)，使揚聲器實現(xiàn)均衡和分頻對齊。

　　Auto-EQ插件用于解決音頻應(yīng)用所采用的不同數(shù)字均衡方法的大多數(shù)問題和限制。開發(fā)之前考慮了其它方法，它們各有長處。

　　FIR濾波器

　　-    反向FFT

　　-    平方

　　-    Warped FIR

　　 IIR濾波器

　　-    YuleWalker

　　-    Prony

　　-    Steiglitz-McBride

　　-    Greenfield & Hawksford

　　-    Warped IIR

　　算法開發(fā)的考慮因素包括：

　　-    在對數(shù)域（頻率和幅度）內(nèi)工作，以便更好地模擬人類感知

　　-    支持用戶定義的限制條件

　　-    設(shè)計完成之后能夠靈活地進行主觀修改，而不需要重新設(shè)計

　　-    低實現(xiàn)成本

　　-    低系統(tǒng)延遲

　　-    濾波器設(shè)計的擴展能力

　　Auto EQ設(shè)計過程中遇到的挑戰(zhàn)之一是在濾波器設(shè)計過程中納入下列原因?qū)е碌南拗茥l件：內(nèi)部DSP實現(xiàn)的數(shù)值問題，以及試圖補償過大增益變化和低/高升頻時的EQ問題。允許低頻和高增益設(shè)計可能會增加對低頻下?lián)P聲器自然滾降進行補償時的功耗，以及損害達到機械限制時的揚聲器線圈、環(huán)繞聲、中心盤和其它機電元件。

　　處理數(shù)字濾波器的第二個挑戰(zhàn)是限制群延遲和系統(tǒng)延遲。高頻時的過大增益和斜率還可能導(dǎo)致響鈴振蕩。同樣，還必須限制使用IIR濾波器時極點與單位圓的距離（Q），以免出現(xiàn)量化誤差，致使濾波器設(shè)計不穩(wěn)定，產(chǎn)生明顯的、令人不悅的響鈴振蕩。

　　當(dāng)需要線性相位時，前面提到的一些方法，特別是FIR濾波器，可能會引起過大延遲。一些應(yīng)用中禁止出現(xiàn)過大延遲，如現(xiàn)場聲音增強等。對于IIR濾波器，設(shè)計要求一個不可分解的N階分子和一個M階分母。終的DSP實現(xiàn)在二階部分（SOS）中完成。此外，SOS鏈按照感知重要性的順序排列。初產(chǎn)生的濾波器是需要均衡的濾波器，其后的濾波器均衡重要性較低的校正，這就是系統(tǒng)的可擴展性。

　　數(shù)字均衡器Hequ（w）的主要目標(biāo)是更改揚聲器Hlspk（w）的響應(yīng)，使之與所需的電聲目標(biāo)響應(yīng)Hequ（w）匹配。為此，濾波器 Hequ（w）的復(fù)響應(yīng)為：

圖2 – 數(shù)字、模擬和聲學(xué)音頻揚聲器系統(tǒng)示意圖

　　設(shè)計包括正確定位脈沖響應(yīng)的時間窗口，以消除測量室Hroom（w） 的影響，或者將該影響降至所需的水平。如果Hlspk（w） *Hroom（w）是一個非值相位系統(tǒng)，則必須近似計算均衡器Hequ（w）的響應(yīng)。

　　為了避免產(chǎn)生連續(xù)重疊的SOS部分，建議目標(biāo)響應(yīng)Htarget（w）考慮揚聲器內(nèi)各元件的自然帶通特性。也可以擴展帶寬，避免將過大增益引入均衡而導(dǎo)致數(shù)字和機電偽像。目標(biāo)響應(yīng)定義為一個數(shù)值矢量，存儲在存儲器中并用于迭代過程。

　　Hlspk（w）可以利用不同位置的多個測量結(jié)果的加權(quán)平均值構(gòu)建，從而擴大均衡的有效區(qū)域。

　　以一系列IIR濾波器實現(xiàn)的二階部分通過迭代方式進行設(shè)計，如圖3所示。

圖3 – 級聯(lián)的二階部分

　　各SOS設(shè)計為一個高通、低通、參數(shù)或緩和濾波器，其參數(shù)（頻率、增益和Q）可以是固定的、由用戶初始化或者自動指定為一個通用參數(shù)濾波器。所用的參數(shù)方法可以將限制條件納入設(shè)計中，通過限制頻率范圍來實現(xiàn)均衡，包括和容許的增益和Q。這種迭代過程為每個部分搜索參數(shù)集（頻率、Q和相位），而不是特定濾波器系數(shù)，因而設(shè)計為參數(shù)式設(shè)計。對于聲學(xué)工程師，這種設(shè)計也更為直觀，比純數(shù)學(xué)方法更易于理解。

　　為了支持心理聲學(xué)搜索，濾波器采用代價函數(shù)e1進行設(shè)計，其考慮因素如下：

　　-    在對數(shù)間隔的離散頻率軸上評估誤差，頻率分辨率為倍頻程的分數(shù)且可配置。

　　-    誤差在norm-1（區(qū)域）中以dB為單位進行評估。

　　-    代價函數(shù)e1的表達式為：

　　它表示目標(biāo)響應(yīng)與均衡揚聲器之間的平均誤差（單位dB），在對數(shù)頻率軸上進行評估。矢量W（freqr k） 是一個可選的加權(quán)矢量，用于防止預(yù)定頻段中的均衡（即由于測量結(jié)果相互抵消），或者支持加重其它頻段。

　　步是搜索濾波器。濾波器通過搜索方法進行指定，允許根據(jù)誤差區(qū)域條件設(shè)置SOS的初始參數(shù)。默認情況下，差異（誤差區(qū)域）通過峰值濾波器均衡。峰值濾波器H1（w）的初始條件選擇如下：

　　-    中央頻率f1為該區(qū)域過零點的幾何平均值。

　　-    增益dB1為f1時的誤差值

　　-    Q可以定義為搜索-3dB點（如有），或者開始時采用1.5到3之間的固定值，以便在后續(xù)優(yōu)化步驟中進行調(diào)整。

　　第二步是優(yōu)化用直接搜索方法獲得的參數(shù)初始值。該步驟使用試探法。由于初始值良好且只有三個參數(shù)需要優(yōu)化，因此使用這些值的隨機處理值。如果新的隨機濾波器更合適，則這些新值變?yōu)橄乱坏玫闹?。該過程重復(fù)執(zhí)行若干次后結(jié)束，或者經(jīng)過若干次，濾波器均未有所改進時結(jié)束。

　　一旦SOS參數(shù)得到優(yōu)化，就可以針對新的二階部分，從揚聲器測量和先前指定的濾波器開始重復(fù)該過程。SOS部分和誤差區(qū)域條件的設(shè)計支持獲得可擴展的濾波器，因此初始濾波器對于目標(biāo)限制范圍內(nèi)的頻段校正為關(guān)鍵。按重要性順序給濾波器排序有利于比較感知濾波器響應(yīng)和特性，以及在DSP資源變得稀缺時做進一步優(yōu)化。

　　在SigmaStudio中實現(xiàn)AutoEQ

　　目前的AutoEQ插件主要針對簡化有源揚聲器的設(shè)計周期而設(shè)計，但也考慮了其它市場的使用需求。目前，它可以均衡單路、雙路和三路揚聲器。簡易和直觀是其兩大重點考慮，大多數(shù)常用的按鈕和開關(guān)可供用戶直接使用，其它較不常用的參數(shù)則包含在不能直接訪問的控件中。為簡單起見，插件依照自然順序，使用選項卡來表示設(shè)計周期中的不同功能。對于多路系統(tǒng)，這些功能包括：源響應(yīng)、分頻、目標(biāo)響應(yīng)、濾波器和分頻對齊。

　　下面按順序顯示各選項卡的內(nèi)容并說明其行為和用途：

　　源響應(yīng)選項卡

　　源響應(yīng)選項卡支持導(dǎo)入通過各種測量系統(tǒng)測得的脈沖響應(yīng)，以及直接導(dǎo)入頻率響應(yīng)（如果信息已存儲在頻域中）。當(dāng)測量結(jié)果中存在明顯的反射或室內(nèi)節(jié)點時，它會創(chuàng)建一個半余弦窗口，用于定位脈沖響應(yīng)窗口。用戶可以通過拖曳其端點或改變旋鈕來修改時域窗口。

　　一旦在時域脈沖響應(yīng)或窗口中完成更改，就會向用戶顯示更新的頻率響應(yīng)圖。如果是在頻域中，則還會提供倍頻程平滑功能，防止測量和/或定窗引起干擾，使它更適合人耳感知。增益偏移可提供增益校正功能，這可能發(fā)生在不同的揚聲器組件之間。

圖4 – 源響應(yīng)選項卡

　　目標(biāo)響應(yīng)

　　目標(biāo)響應(yīng)選項卡提供許多功能，包括：

　　1. 利用鉛筆工具手動指定目標(biāo)響應(yīng)

　　2. 利用常見濾波器指定目標(biāo)響應(yīng)

　　3. 指定不同的權(quán)重以提高某些頻段的相對重要性或降低其它頻率的重要性。對于已知揚聲器容差較寬的頻段，或者當(dāng)測量提供一個遠比其它聲音要弱的信號時（例如，突降比相同幅度的波峰更不易察覺），用戶可以用此功能相應(yīng)地降低算法強度。

　　4. 更改整體器件測量增益。

　　除分頻位置以外的所有其它目標(biāo)曲線設(shè)計限制都在這個選項卡設(shè)置。用戶需要在該選項卡上多花些時間，以便將其系統(tǒng)明確無誤地限制在已知的器件物理限值以內(nèi)。

圖5 – 目標(biāo)響應(yīng)選項卡

　　設(shè)計設(shè)置

　　設(shè)計設(shè)置選項卡的主要作用是初始化濾波器和啟動設(shè)計。如圖6所示，還可以精調(diào)設(shè)計參數(shù)，以支持不同于默認值的用戶自定義限制條件。

　　用戶可以初始化所用類型的濾波器，如圖7所示。建議使用高通濾波器作為個濾波器，以免許多峰值濾波器嘗試擴展傳感器的較低頻率。

　　在設(shè)計選項卡中，用戶可以根據(jù)數(shù)字濾波器預(yù)算更改均衡過程所用的濾波器數(shù)量（參見該選項卡中的當(dāng)前設(shè)計部分）。

圖6 – 設(shè)計設(shè)置選項卡

圖7 – 初始化濾波器

　　濾波器選項卡

　　該選項卡用于查看濾波器指定的結(jié)果，以便稍后對齊系統(tǒng)分頻（如適用）。用戶可以查看所指定的各種濾波器的效果及其獨特的均衡貢獻。在該選項卡中，用戶可以試著移除對傳感器的均衡貢獻的濾波器。要嘗試移除濾波器，用戶必須從位于濾波器列表末端的不重要的濾波器開始。每個濾波器（行）都提供了旁路選項，以便用戶能夠?qū)崟r感受有與沒有相應(yīng)濾波器的不同。

圖8 – 顯示系統(tǒng)所產(chǎn)生濾波器的濾波器選項卡

　　分頻選項卡

　　分頻選項卡支持設(shè)置分頻點以及用于設(shè)置分頻的濾波器。用戶可以針對各成分拖放濾波器，或者寫入所需的特定頻率。所用的濾波器類型可以在Linkwitz-Riley范圍內(nèi)按照每倍頻程12/24/36/48 dB進行更改。選擇某些階時，其中一個通道必須反相，以便實現(xiàn)相位對齊。選擇“Link Enable”按鈕可以同時更改高通和低通兩個濾波器。圖9顯示了分頻選項卡的一個具體例子。

　　分頻頻率的選擇必須考慮下列因素：

　　-    傳感器的自然頻率響應(yīng)

　　-    驅(qū)動器的指向性圖案

　　-    傳感器的功率處理

　　-    終的主觀測試

圖9 – 分頻選項卡

　　分頻對齊選項卡

　　使用多路揚聲器系統(tǒng)時，可以利用一個選項卡來對齊獨立的頻段。算法從目標(biāo)響應(yīng)中搜索一個提供誤差的延遲，使相位正確對齊。用戶也可以手動調(diào)整延遲和增益，從而更好地控制系統(tǒng)對齊。

圖10 – 分頻對齊選項卡

　　總結(jié)

　　本文所述的算法是眾多用于自動校正音頻系統(tǒng)均衡的算法之一。AutoEQ能夠很好地控制各種揚聲器參數(shù)，并提供令人滿意的限制結(jié)果。這個插件是設(shè)計人員的得力工具。為了獲得更好的系統(tǒng)調(diào)整和結(jié)果，用戶仍然需要了解其系統(tǒng)。由于涉及到大量用戶可調(diào)的參數(shù)，因此很容易產(chǎn)生非的解決方案。進一步的算法和使用改進有待謀劃和實現(xiàn)。