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

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

本論文（“揚聲器系統的自動均衡、分頻和對齊”）所述技術的開發目的，就是讓音頻揚聲器和系統設計中的常見重復性任務能夠自動完成，使音頻系統實現均衡，并調整到所需的電聲目標響應。

SigmaStudio

針對音頻/DSP應用的用戶友好、直觀、可擴展的圖形編程環境

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

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

SigmaStudio （1.0）最初是一個獨立的GUI（圖形用戶界面）應用程序，用于控制預定音頻信號流的參數。它支持對一組導出值進行控制，從而管理動態處理器、濾波器、專有特殊效果及其它基于預寫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，其它工具也陸續問世。這些工具支持修改SigmaDSP內部的音頻信號流，是SigmaStudio 1.0的信號流設計補充工具。用戶則需要一種集成解決方案，以便能夠對參數和信號流設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字媒體信號路徑轉變的過程中。向數字信號處理器的轉變還降低了模擬模塊設計所涉及的物流和技術要求，統一了PCB設計，使成本得以降低，這在ADC/DAC與DSP集成在同一芯片上表現得尤為明顯。

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

- 為音頻設計工程師創建直觀的設計和用戶界面

- 允許存儲器在多個模塊之間重用，從而優化代碼

- 使用面向對象的設計技術來優化運行時模塊

- 支持對象模塊化，以便在算法設計工程師之間通用

- 運行時調整能力和A-B快速切換

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

- 隱藏和保護知識產權

- 分別并獨立發布算法和其它知識產權

- 對原理圖音頻流中的各點進行運行時調試，包括數據可視化

- 創建多核、多DSP信號流

- 創建可以嵌入最終微處理器的所有必要支持文件（自動產生C代碼和頭文件），從而簡化系統集成

- 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

- 幾分鐘就能完成復雜音頻流的設計

圖1 – SigmaStudio圖形開發環境

SigmaStudio的自動均衡插件

AutoEQ是與瓦倫西亞理工大學合作開發的一個附加工具，旨在幫助創建數字濾波器系統，使揚聲器實現均衡和分頻對齊。

Auto-EQ插件用于解決音頻應用所采用的不同數字均衡方法的大多數問題和限制。開發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

算法開發的考慮因素包括：

- 在對數域（頻率和幅度）內工作，以便更好地模擬人類感知

- 支持用戶定義的限制條件

- 設計完成之后能夠靈活地進行主觀修改，而不需要重新設計

- 低實現成本

- 低系統延遲

- 濾波器設計的擴展能力

Auto EQ設計過程中遇到的挑戰之一是在濾波器設計過程中納入下列原因導致的限制條件：內部DSP實現的數值問題，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計可能會增加對低頻下揚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、環繞聲、中心盤和其它機電元件。

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

當需要線性相位時，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。一些應用中禁止出現過大延遲，如現場聲音增強等。對于IIR濾波器，設計要求一個不可分解的N階分子和一個M階分母。最終的DSP實現在二階部分（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，這就是系統的可擴展性。

數字均衡器Hequ（w）的主要目標是更改揚聲器Hlspk（w）的響應，使之與所需的電聲目標響應Hequ（w）匹配。為此，濾波器 Hequ（w）的復響應為：

圖2 – 數字、模擬和聲學音頻揚聲器系統示意圖

設計包括正確定位脈沖響應的時間窗口，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）是一個非最小值相位系統，則必須近似計算均衡器Hequ（w）的響應。

為了避免產生連續重疊的SOS部分，建議目標響應Htarget（w）考慮揚聲器內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致數字和機電偽像。目標響應定義為一個數值矢量，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果的加權平均值構建，從而擴大均衡的有效區域。

以一系列IIR濾波器實現的二階部分通過迭代方式進行設計，如圖3所示。

圖3 – 級聯的二階部分

各SOS設計為一個高通、低通、參數或緩和濾波器，其參數（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濾波器。所用的參數方法可以將限制條件納入設計中，通過限制頻率范圍來實現均衡，包括最大和最小容許的增益和Q。這種迭代過程為每個部分搜索參數集（頻率、Q和相位），而不是特定濾波器系數，因而設計為參數式設計。對于聲學工程師，這種設計也更為直觀，比純數學方法更易于理解。

為了支持心理聲學搜索，濾波器采用代價函數e1進行設計，其考慮因素如下：

- 在對數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且可配置。

- 誤差在norm-1（區域）中以dB為單位進行評估。

- 代價函數e1的表達式為：

它表示目標響應與均衡揚聲器之間的平均絕對誤差（單位dB），在對數頻率軸上進行評估。矢量W（freqr k） 是一個可選的加權矢量，用于防止預定頻段中的均衡（即由于測量結果相互抵消），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行指定，允許根據誤差區域條件設置SOS的初始參數。默認情況下，最大差異（誤差區域）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，以便在后續優化步驟中進行調整。

第二步是優化用直接搜索方法獲得的參數初始值。該步驟使用試探法。由于初始值良好且只有三個參數需要優化，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，則這些新值變為下一迭代所用的值。該過程重復執行若干次后結束，或者經過若干次，濾波器均未有所改進時結束。

一旦SOS參數得到優化，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該過程。SOS部分和誤差區域條件的設計支持獲得可擴展的濾波器，因此初始濾波器對于目標限制范圍內的頻段校正最為關鍵。按重要性順序給濾波器排序有利于比較感知濾波器響應和特性，以及在DSP資源變得稀缺時做進一步優化。

在SigmaStudio中實現AutoEQ

目前的AutoEQ插件主要針對簡化有源揚聲器的設計周期而設計，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，大多數常用的按鈕和開關可供用戶直接使用，其它較不常用的參數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計周期中的不同功能。對于多路系統，這些功能包括：源響應、分頻、目標響應、濾波器和分頻對齊。

下面按順序顯示各選項卡的內容并說明其行為和用途：

源響應選項卡

源響應選項卡支持導入通過各種測量系統測得的脈沖響應，以及直接導入頻率響應（如果信息已存儲在頻域中）。當測量結果中存在明顯的反射或室內節點時，它會創建一個半余弦窗口，用于定位脈沖響應窗口。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或窗口中完成更改，就會向用戶顯示更新的頻率響應圖。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，這可能發生在不同的揚聲器組件之間。

圖4 – 源響應選項卡

目標響應

目標響應選項卡提供許多功能，包括：

1. 利用鉛筆工具手動指定目標響應

2. 利用常見濾波器指定目標響應

3. 指定不同的權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曲線設計限制都在這個選項卡設置。用戶需要在該選項卡上多花些時間，以便將其系統明確無誤地限制在已知的器件物理限值以內。

圖5 – 目標響應選項卡

設計設置

設計設置選項卡的主要作用是初始化濾波器和啟動設計。如圖6所示，還可以精調設計參數，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第一個濾波器，以免許多峰值濾波器嘗試擴展傳感器的較低頻率。

在設計選項卡中，用戶可以根據數字濾波器預算更改均衡過程所用的濾波器數量（參見該選項卡中的當前設計部分）。

圖6 – 設計設置選項卡

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果，以便稍后對齊系統分頻（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。每個濾波器（行）都提供了旁路選項，以便用戶能夠實時感受有與沒有相應濾波器的不同。

圖8 – 顯示系統所產生濾波器的濾波器選項卡

分頻選項卡

分頻選項卡支持設置分頻點以及用于設置分頻的濾波器。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

- 驅動器的指向性圖案

- 傳感器的功率處理

- 最終的主觀測試

圖9 – 分頻選項卡

分頻對齊選項卡

使用多路揚聲器系統時，可以利用最后一個選項卡來對齊獨立的頻段。算法從目標響應中搜索一個提供最小誤差的延遲，使相位正確對齊。用戶也可以手動調整延遲和增益，從而更好地控制系統對齊。

圖10 – 分頻對齊選項卡

總結

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