過去十年間，揚(yáng)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(jìn)的非線性建模工具到有限單元分析工具的更精確利用，都在推動著揚(yáng)聲器技術(shù)的進(jìn)步。不使用新技術(shù)而完成揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)周期幾乎是不可想象的?，F(xiàn)在，揚(yáng)聲器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來越多地利用DSP及其工具來幫助設(shè)計(jì)已不足為奇。隨著其應(yīng)用日益廣泛，DSP及其工具對于揚(yáng)聲器行業(yè)變得至關(guān)重要。因此，揚(yáng)聲器制造商有必要未雨綢繆，考慮將新的DSP技術(shù)和使用案例作為設(shè)計(jì)過程的新變量。

由于產(chǎn)品時(shí)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(jì)技術(shù)。ADI公司已開發(fā)出軟件來改進(jìn)利用其DSP產(chǎn)品線（即SigmaDSP和Sharc）的此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)。SigmaStudio的Auto EQ旨在讓設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)間。

本論文（“揚(yáng)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(yáng)聲器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常見重復(fù)性任務(wù)能夠自動完成，使音頻系統(tǒng)實(shí)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(kuò)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。最終，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(jiān)定支持，他們不愿意改變設(shè)計(jì)模式，或者采用其它嵌入式處理器和設(shè)計(jì)環(huán)境。SigmaStudio開發(fā)環(huán)境最初是針對SigmaDSP系列音頻專用信號處理器而設(shè)計(jì)。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(jì)方法，了解其中的奧妙，從而簡化音頻設(shè)計(jì)考慮，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

SigmaStudio （1.0）最初是一個(gè)獨(dú)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(jìn)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(shí)，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(shí)，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(jì)補(bǔ)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(jì)工具進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)所涉及的物流和技術(shù)要求，統(tǒng)一了PCB設(shè)計(jì)，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(jì)工程師創(chuàng)建直觀的設(shè)計(jì)和用戶界面

- 允許存儲器在多個(gè)模塊之間重用，從而優(yōu)化代碼

- 使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)技術(shù)來優(yōu)化運(yùn)行時(shí)模塊

- 支持對象模塊化，以便在算法設(shè)計(jì)工程師之間通用

- 運(yùn)行時(shí)調(diào)整能力和A-B快速切換

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

- 隱藏和保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)

- 分別并獨(dú)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(diǎn)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)調(diào)試，包括數(shù)據(jù)可視化

- 創(chuàng)建多核、多DSP信號流

- 創(chuàng)建可以嵌入最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(shí)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(jì)

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(gè)附加工具，旨在幫助創(chuàng)建數(shù)字濾波器系統(tǒng)，使揚(yáng)聲器實(shí)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

- 最小平方

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

- 低實(shí)現(xiàn)成本

- 低系統(tǒng)延遲

- 濾波器設(shè)計(jì)的擴(kuò)展能力

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

處理數(shù)字濾波器的第二個(gè)挑戰(zhàn)是限制群延遲和系統(tǒng)延遲。高頻時(shí)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(shí)極點(diǎn)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(jì)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(shí)，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(qiáng)等。對于IIR濾波器，設(shè)計(jì)要求一個(gè)不可分解的N階分子和一個(gè)M階分母。最終的DSP實(shí)現(xiàn)在二階部分（SOS）中完成。此外，SOS鏈最好按照感知重要性的順序排列。最初產(chǎn)生的濾波器是最需要均衡的濾波器，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(kuò)展性。

數(shù)字均衡器Hequ（w）的主要目標(biāo)是更改揚(yáng)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(yáng)聲器系統(tǒng)示意圖

設(shè)計(jì)包括正確定位脈沖響應(yīng)的時(shí)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(gè)非最小值相位系統(tǒng)，則必須近似計(jì)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(yáng)聲器內(nèi)各元件的自然帶通特性。也可以擴(kuò)展帶寬，避免將過大增益引入均衡而導(dǎo)致數(shù)字和機(jī)電偽像。目標(biāo)響應(yīng)定義為一個(gè)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(gè)測量結(jié)果的加權(quán)平均值構(gòu)建，從而擴(kuò)大均衡的有效區(qū)域。

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

圖3 – 級聯(lián)的二階部分

各SOS設(shè)計(jì)為一個(gè)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(gè)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(jì)中，通過限制頻率范圍來實(shí)現(xiàn)均衡，包括最大和最小容許的增益和Q。這種迭代過程為每個(gè)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(jì)為參數(shù)式設(shè)計(jì)。對于聲學(xué)工程師，這種設(shè)計(jì)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(jià)函數(shù)e1進(jìn)行設(shè)計(jì)，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?jǐn)?shù)且可配置。

- 誤差在norm-1（區(qū)域）中以dB為單位進(jìn)行評估。

- 代價(jià)函數(shù)e1的表達(dá)式為：

它表示目標(biāo)響應(yīng)與均衡揚(yáng)聲器之間的平均絕對誤差（單位dB），在對數(shù)頻率軸上進(jìn)行評估。矢量W（freqr k） 是一個(gè)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。

第一步是搜索濾波器。濾波器通過搜索方法進(jìn)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(rèn)情況下，最大差異（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(diǎn)的幾何平均值。

- 增益dB1為f1時(shí)的誤差值

- Q可以定義為搜索-3dB點(diǎn)（如有），或者開始時(shí)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(jìn)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(gè)參數(shù)需要優(yōu)化，因此使用這些值的隨機(jī)處理值。如果新的隨機(jī)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(jìn)時(shí)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(yáng)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(jì)支持獲得可擴(kuò)展的濾波器，因此初始濾波器對于目標(biāo)限制范圍內(nèi)的頻段校正最為關(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(shí)做進(jìn)一步優(yōu)化。

在SigmaStudio中實(shí)現(xiàn)AutoEQ

目前的AutoEQ插件主要針對簡化有源揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)周期而設(shè)計(jì)，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(yáng)聲器。簡易和直觀是其兩大重點(diǎn)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(xiàng)卡來表示設(shè)計(jì)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(xiàng)卡的內(nèi)容并說明其行為和用途：

源響應(yīng)選項(xiàng)卡

源響應(yīng)選項(xiàng)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(diǎn)時(shí)，它會創(chuàng)建一個(gè)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(diǎn)或改變旋鈕來修改時(shí)域窗口。

一旦在時(shí)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(yáng)聲器組件之間。

圖4 – 源響應(yīng)選項(xiàng)卡

目標(biāo)響應(yīng)

目標(biāo)響應(yīng)選項(xiàng)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(yáng)聲器容差較寬的頻段，或者當(dāng)測量提供一個(gè)遠(yuǎn)比其它聲音要弱的信號時(shí)（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(qiáng)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(jì)限制都在這個(gè)選項(xiàng)卡設(shè)置。用戶需要在該選項(xiàng)卡上多花些時(shí)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(xiàng)卡

設(shè)計(jì)設(shè)置

設(shè)計(jì)設(shè)置選項(xiàng)卡的主要作用是初始化濾波器和啟動設(shè)計(jì)。如圖6所示，還可以精調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)，以支持不同于默認(rèn)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第一個(gè)濾波器，以免許多峰值濾波器嘗試擴(kuò)展傳感器的較低頻率。

在設(shè)計(jì)選項(xiàng)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(xiàng)卡中的當(dāng)前設(shè)計(jì)部分）。

圖6 – 設(shè)計(jì)設(shè)置選項(xiàng)卡

圖7 – 初始化濾波器

濾波器選項(xiàng)卡

該選項(xiàng)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(dú)特的均衡貢獻(xiàn)。在該選項(xiàng)卡中，用戶可以試著移除對傳感器的均衡貢獻(xiàn)最小的濾波器。要嘗試移除濾波器，用戶必須從位于濾波器列表末端的最不重要的濾波器開始。每個(gè)濾波器（行）都提供了旁路選項(xiàng)，以便用戶能夠?qū)崟r(shí)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(xiàng)卡

分頻選項(xiàng)卡

分頻選項(xiàng)卡支持設(shè)置分頻點(diǎn)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(jìn)行更改。選擇某些階時(shí)，其中一個(gè)通道必須反相，以便實(shí)現(xiàn)相位對齊。選擇“Link Enable”按鈕可以同時(shí)更改高通和低通兩個(gè)濾波器。圖9顯示了分頻選項(xiàng)卡的一個(gè)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

- 最終的主觀測試

圖9 – 分頻選項(xiàng)卡

分頻對齊選項(xiàng)卡

使用多路揚(yáng)聲器系統(tǒng)時(shí)，可以利用最后一個(gè)選項(xiàng)卡來對齊獨(dú)立的頻段。算法從目標(biāo)響應(yīng)中搜索一個(gè)提供最小誤差的延遲，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(xiàng)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(yáng)聲器參數(shù)，并提供令人滿意的限制結(jié)果。這個(gè)插件是設(shè)計(jì)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)生非最優(yōu)的解決方案。進(jìn)一步的算法和使用改進(jìn)有待謀劃和實(shí)現(xiàn)。