【技术干货】曾山：关于数字处理器的功能和性能（上）

Original 2016-12-20 曾山 WORLDSHOW

专业音响领域，数字处理器是扩声系统中关键的一环，对扩声系统进行信号分配、增益、分频、均衡、限幅、延时等处理，系统调试所作的调整，很大程度都是在处理器里实现。

目前在行业内，很多工程师、技术人员都知道处理器的各项功能，也经常使用。但是，并不是很多人清楚处理器的各项功能真正的作用是什么？在什么情况下应该使用那些功能来实现自己的目的？音箱预设应该怎么做才合理？处理器的性能指标哪些才是关键的？对系统调试有哪些影响？这些问题甚至很多处理器研发工程师也不清楚，笔者发现国内不少处理器的研发工程师往往不懂处理器的应用，只会写软件或者设计硬件，对处理器的功能应用知之甚少，哪些性能指标是应用中非常关键的，也不清楚。直接导致很多国产处理器并不适合演出使用，存在很多功能和性能的缺陷！

笔者在最近10多年间参与了多台处理器的研发，对处理器的研发，应用，测试，控制软件和硬件都研究过，觉得有必要把处理器的功能和性能做一个详细的介绍，供使用者和研发者参考！

图1，数字处理器外观（ZSOUND F44）

那么数字处理器有哪些基本功能呢？具体来讲，一台数字处理器必须具备的信号处理功能包括：

一、增益（Gain）

在处理器的输入和输出都有增益功能，一般范围在+12 dB 到-20 dB 之间。

对于音箱处理器来说，输出的增益主要是用以匹配音箱高中低单元之间不同的灵敏度，例如：高音75 mm压缩驱动器的灵敏度一般在108-110 dB,而15寸中低音的灵敏度一般在98-100 dB,对于这种配置的15寸两分频两驱动的音箱，高音处理器输出通道的增益就必须为-10 dB, 而低音通道则为0 dB。

图2，处理器增益控制界面。为了匹配不同单元的灵敏度，低、中、高频电平分别设置为0、-3、-5 dB

输入的增益往往是为了让全频通道和超低通道可以分开控制不同驱动电平。例如：一台2进4出的处理器，做一个预设是给一组3分频的全频音箱加一组超低音箱，1、2、3输出通道分别给全频的高中低单元，4输出通道给超低音箱，A输入通道为全频输入，路由到1、2、3输出，B输入通道为超低输入，路由到4输出。在实际使用中，如果遇到全频输出声压高于超低声压，就可以保持超低的B输入通道为0dB，将全频的A输入通道作适当衰减。

对于系统处理器来说，输出的增益是为了让系统中不同组的音箱声压一致，主要是根据系统调试时的测试结果决定。

二、极性（Polarity）

极性一般在处理器输入和输出都有，只有正和负两个选项，有些处理器会用正常（Normal）和反转（Inverse）来标示。在输出主要是为了音箱预设的需要，匹配极性不同单元，例如：某些超低音箱的设计是单元倒转安装，单元磁路向外，这就需要把超低通道的极性反转。或者是为了把高中低不同单元分频点附近的相位曲线做到重合，例如：两分频两驱动的音箱，用12 dB斜率的HPF（+90°）和LPF（-90°）,在分频点附近相位角度刚好相差180°，高音就需要反接，把高音极性反转，实现分频点附近区域的相位曲线重合。

三、延时（Delay）

延时在处理器输入和输出都有，受DSP资源的限制，不同处理器之间的最大延时量有很大的区别，某些处理器模块只有几十个毫秒的最大延时量，只能用作有源音箱模块使用，用来补偿音箱中不同单元的位置差。

图3，音箱内部单元距离差示意，及处理器中对应通道延时设置

作为系统处理器来说，最起码要保证体育场系统的延时塔音箱的延时量，体育场延时塔音箱与主扩声音箱的距离一般是80-150 m之间，也就是说，系统处理器必须每个通道有230-433 ms的最大延时量才能满足体育场的系统使用。

图4，系统处理器用于校正不同音箱之间的距离差示意

延时的步进（Step或Increment）同样是非常关键的因素，处理器的延时步进决定了用延时调节相位角度的精度，0.02 ms可以在20 kHz产生144°的相移，在2 kHz产生14.4°的相移，而2 kHz附近是很多音箱的分频区域，这说明0.02ms的延时步进是音箱和系统处理器的最低要求，某些处理器0.5ms的延时步进在2 kHz就是360°的相移，也就是说，用这种处理器在2 kHz，延时永远只能产生360°倍数的相移，连180°都调不了。

延时步进取决于处理器的采样频率，采样频率48 kHz,延时步进精度最高为0.02 ms；采样频率96 kHz, 延时步进的精度可以达到0.01 ms。计算公式为：T=1/f 。

四、均衡（Equalizer）

均衡在处理器输入和输出都有，一般为参量均衡（PEQ），也有部分处理器做成图示均衡（GEQ）。

PEQ包括了3个参量：频率、电平、Q值（带宽）。频率正常应该是20 Hz -20 kHz任意可调，并且频率步进精度起码应该为1/24 倍频程。某些处理器做到了步进精度为1Hz。这是为了调试的需要，试想如果PEQ的频率步进精度为1/3倍频程的话，在高频段，10 kHz再往上就是12.6 kHz, 那么这个PEQ的频率就无法加在10-12.6 kHz这个频段内。

图5， PEQ：1kHz、Q=1，Gain= ±15dB的相位响应和幅频响应

图6，PEQ: 1kHz、 +15dB，不同Q值的相位响应和幅频响应

PEQ的电平一般为±15 dB, 对应的相移不会超过±45°。在某些大型扩声的场合，需要补偿远场高频的衰减，往往需要用PEQ对高频作12 dB以上的提升。

大部分处理器还会有一个滤波器类型的选择，例如默认类型是Bell（钟形），就是对称的PEQ 。还可以选择雪夫型（搁架型）滤波器，就是Hi Shelv或者Lo Shelv。这种滤波器有1阶（-6dB）或者2阶(-12dB)的选择。主要应用于整段衰减或者提升高频或低频。在线阵列不同数量的时候，中低频会随着数量的增加而叠加。在处理器输入使用Lo Shelv滤波器可以对应衰减或提升2kHz以下的频段，实现2只、4只、8只不同数量的线阵列音箱组的频响曲线一致。

图7，HiShelv 和LoShelv 滤波器的相位响应和幅频响应

滤波器的类型还有比较常用的就是全通滤波器（Allpass）, 全通滤波器也可以认为是相位EQ，只改变相位曲线，不改变幅频曲线。全通滤波器有两种：一种是一阶（Allpass 1order）,相位偏移在中心频率是90°，频率可调，Q值不可调。另一种是二阶（Allpass 2order）, 相位偏移在中心频率是180°，频率可调，Q值可调。

图8， All Pass I和All Pass II滤波器的相位响应和幅频响应

全通滤波器在改变相位的6个手段中是最重要的手段，可以只改变低频的相位，不改变高频的相位。

五、路由（Routing）

路由是在处理器输入和输出之间，用于分配信号的流向，通常做成矩阵式，就是所有输入到所有输出是可以任意分配的。早期某些处理器的路由是固定模式，2进4出处理器信号分配只能1x4或者2x2模式，使用起来就很不方便。现在有些处理器会增加多一个路由矩阵在输出，目的是为了把不同的处理器通道分开处理好后混合成一个物理口输出。

图9，ZSOUND F44数字处理器软件的路由矩阵界面

六、分频（Crossover）

分频这个功能一般放在处理器的输出通道，主要表现为高通滤波（HPF）和低通滤波（LPF）两种。不管是HPF还是LPF, 都可以选择滤波器类型Butterworth（巴特沃夫）、Linkwitz-Riley（林克威兹-瑞利）、Bessel（贝塞尔）这3种，这3种类型的滤波器是用人名来命名的，区别主要是在分频频率衰减的形状不同，例如BUT在分频频率是-3dB, L-R是-6dB, 某些分频音箱其中一路原始的曲线在分频点附近衰减很快的，可以用BUT, 某些是很平直的，可以用L-R, 但主要是根据测试曲线决定。

图10，1 kHz, 24 dB/oct不同类型HPF的相位响应和幅频响应

HPF和LPF 还有斜率可选，常见可分为-6dB/oct、-12dB/oct、-18dB/oct、-24dB/oct、-48dB/oct 这几种，代表每个倍频程衰减多少dB,例如：75mm音圈的高音，一般在1-1.3 kHz分频，就可以使用1 kHz -24dB/oct BUT HPF，代表在1k往下一个倍频程500 Hz，电平衰减了24个dB，而1k是-3dB, 2K以上是0dB。斜率也同时改变了相位曲线，一阶（6dB/oct）的斜率在中心频率为45°的相移。二阶（12dB/oct）的斜率在中心频率是90°的相移。四阶（24dB/oct）就是180°的相移，HPF是正相移，LPF是负相移。斜率可以在音箱预设的调试中作为改变相位的其中一个手段灵活运用，实现分频区域相位曲线的重合。

图11，1 kHz,不同斜率的BUT高通滤波器相位响应和幅频响应

七、限幅（Limiter）

限幅在处理器的输出倒数第二级（最后一级是哑音），主要是保护音箱单元的作用。限幅的参数有启动阈值（threshold），启动时间（attack），释放时间（release）。其中启动阈值是根据单元的额定功率计算出来的，由于处理器是接在功放前，所以功放的增益会影响到限幅的启动，当根据单元的功率和功放的增益（放大倍数）计算好该路处理器输出限幅的启动阈值后，功放的增益就不能再改变了。不管调整功放的音量旋钮还是增益开关或者是灵敏度开关，都会影响到限幅的正常运作。当功放增益变大时，相当于限幅失效，同样的驱动电平，功放会输出更高的功率给单元，单元也就失去了保护；当功放增益变小时，相当于限幅提前启动，功放输出给单元的功率会变小，单元不能达到满功率的输出。限幅的各个参数的计算方法，请参考我做的《曾山的电声计算》EXCEL表格。

图12，曾山的电声计算表格界面

这里还要补充一点的是，高中低音单元的实际可承受功率是一条变化的曲线，在短时间（毫秒级）是可以承受非常高的功率输入而不会产生明显的失真，而功放在短时间内输出超过其额定的功率就会立刻产生严重的削波失真！这两种设备的功率标准完全不同，如何合理最佳地匹配音箱和功放的功率，对扩声系统是有很大的实际意义的。

图13，功放输出功率与音箱输出声压级的关系的频率曲线图；图表引用自Development of Test Signals for the EIA-426-B Loudspeaker Power Rating Compact Disk

ANSI/EIA-426-B-1998(Loudspeakers, Optimum Amplifier Power)是关于功率放大器馈给扬声器的最佳功率的标准,由美国国家标准化组织 ANSI(American National Standards Institute)和电子工业协会 EIA (Electronic Industries Association)联合发布。这个标准解决了如何合理最佳地匹配音箱和功放的功率的问题。也对限幅的设置有重要的参考意义！我们将会把这个标准全文翻译出来，然后出一篇关于该标准具体应用的文章。

八、哑音（Mute）

哑音在处理器输入和输出的最后一级，主要是测试时控制方便，例如要单独测试某一通道就要把其他输出哑音，而为了单独测试超低，可以在全频输入通道哑音。有些处理器有编组哑音的功能。

图14，ZSOUND M44T多台处理器联机时的快速静音控制界面

也有处理器为了多台联机时控制方便，把网络内每台处理器的控制窗口缩小后变成输入和输出哑音按钮的小窗口，这样在大系统调试时可以随时控制任意一台处理器的输入和输出通道的哑音，不用来回打开不同处理器的控制窗口，调试时非常方便。

图15，ZSOUND F44处理器信号处理流程图界面

某些处理器还会有噪声门（Noise Gate）,压缩（Compressor）这些动态处理功能，但基本有上述8项信号处理功能就足够做音箱处理器或者系统处理器使用了。

图16，数字处理器的远程控制接口选项

另外处理器有一些是为了方便使用，并不属于信号处理的功能，例如：

信号发生器（Signal Generator）、联动（Link）、预设储存(Presets Store)、锁机（Lock）、密码（Password）、取名（Name）、通道复制（Channel Copy）、多台联机控制（RS485或TCP/IP方式），内嵌测试软件模块等等功能。