消費者希望連接其家庭娛樂系統的電纜越少越好，因此而產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量，我們可以采用各種各樣的技術來提升其性能；在這種情況下，數字有源分頻器可以發揮重要的作用。
目前的無線有源揚聲器在驅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量；而信號路徑上的最后一個元件是無源分頻網絡。
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動高、低音揚聲器。如果D類放大器帶有數字輸入端口，則可以利用DSP資源來實施高效的數字分頻器，相對于無源分頻器來說，數字分頻器具備極大的優勢。
有源揚聲器的架構
圖1顯示的是常規的無線有源揚聲器架構。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。為了方便從數字域向模擬域轉換，系統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動高、低音揚聲器。
圖1：常規的無線有源揚聲器架構
提供較高的音頻質量需要AB類放大器架構。但是，模擬輸入D類放大器卻非常節省功率，這一點很有吸引力；如今的閉環模擬輸入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省功率。
在這種架構下，無源分頻網絡提供高通和低通濾波，為高、低音驅動器將音頻信號分解為合適的頻段。
超高效數字輸入D類放大器的出現，使得另外一種架構也很有吸引力，見圖2。在這種架構下，音頻信號在放大器功率級輸出之前始終停留在數字域，這本身就是一種音頻性能優勢——無須DAC進行數字模擬轉換，消除了轉換錯誤。
圖2：使用數字輸入D類技術的無線有源揚聲器
為了實現最佳的音頻性能，需要選擇閉環數字放大器。本例中的平臺為CSR直接數字反饋放大器（DDFATM）技術。
在本架構下，前置放大器和功率放大器的功能通過單一電路實現。盡管每個驅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高、低音的靈敏度進行精確調整。
在分頻器方面，可用的信號處理能力可實現極大的優勢。片上DSP方便輕松實施高效的濾波器，濾波器經過配置可完全匹配驅動器特性，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
這種設計為每個驅動器采用了一個常規的二階濾波器，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動器。驅動器的特性隨著頻率、功率和溫度的變化而發生變化，濾波器的響應也直接受此影響。
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。 而數字有源分頻器可以解決上述問題，使得產品更加高效、更加簡單。
有源分頻器位于系統的低層數字信號路徑上，因此不存在無源設計中的效率損失和熱效應問題。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。數字增益控制實施起來也很簡便，能夠滿足各種不同的驅動器靈敏度，并且無需填充電阻器。
數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最佳的驅動器時間校準。
數字放大器的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。這就意味著能夠實施更加高階和更加復雜的濾波器，以實現更高的性能，而不必增加額外的成本。
復雜的濾波器設計能夠更好地配合揚聲器外殼和驅動器特性。而且，還可以設定濾波器的特性集，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格，以便保證最佳的音頻性能。例如，除非采用適當的架構，否則解析誤差可能導致噪音水平提高。
在數字放大器中，濾波器通過一組雙二階分級創建，每個分級提供一個二階特性，而類型則由大量的系數確定；在本例中，5個24位系數形成一個分級。
保證系統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位寬。例如，放大器動態范圍目標為116dB時，35位的計算精度可以保證過濾而不產生噪音或失真，系數解析度大于20位。
數字濾波器的實施
我們可以利用一種現有的揚聲器設計，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、低音驅動器連接時的特性。
圖4：連接驅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。采用數字分頻器，在配置放大器和濾波器時進行簡單的增益調整，即可輕松解決這種差異。這樣的調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，將系數進行調整以配合無源分頻器和驅動器組合，可以復制數字高音單元的實施，見表1。
表1：高音雙二階濾波器設置
欲實現不太平滑的低音特性，需要四個雙二階分級。低通設置為2.2kHz，兩個峰值濾波器分別設置為150Hz和1.7kHz以實現較小的偏移，另外一個高通設置為450Hz，見表2。
表2：低音雙二階濾波器的設置
這些設置的結果見圖5顯示的特性，非常接近無源分頻器。
圖5：連接驅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）以及交調失真（IMD）。負載均為4Ω，最終目的是揭示分頻器產生的性能差異。
因為兩種系統結構不同，所以應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；30W雙信道數字放大器基于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。
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
無源濾波器不僅產生較高水平的交調失真，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勢是阻尼因子。阻尼因子是驅動器負載阻抗與放大器系統輸出阻抗之間的比值。阻尼因子越高，就能夠越好地控制驅動器音圈的運動，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。如果數字放大器為閉環，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
結論
測量結果說明，實施有源分頻器可以獲得顯著的優勢。
降低THD和IMD的潛力非常大。阻尼因子的值可以提高數十到數百，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量。
降低失真水平可提高清晰度，從而顯示更多的聲音細節，并更好地區分各種樂器。減少底噪調制可以突出動態，并且較低的底噪還方便解析極低的細節水平。較高的阻尼因子可實現卓越的低音控制，從而提供快速而精確的低音和瞬變。
除了這些特性之外，每個驅動器均采用數字輸入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整。再加上有源分頻器沒有耗散，因此可確保實現最佳的效率。
數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。熱效應也被降至最低，使得有源揚聲器系統能夠提供更加一致的性能。
通過幾乎免費提供的DSP裝置，可以輕松地創建更加復雜的濾波器架構，從而制定更加精確的濾波器特性——這種能力遠超無源網絡。驅動器時間調整和限幅等其它功能也有助于系統實現最佳的性能。
總之，在高效的無線有源揚聲器中采用有源分頻器的優勢極具吸引力。 |
