扩声系统中的DSP问题解析

发布时间:2010年09月28

     一 DSP的发展

  在扩声系统应用中,我们经常会将声音信号转换成数字信号(A/D),并按照一定的格式进行处理之后,再由数字信号转换成声音信号(D/A),而且进行信号转换的相关应用需求市场也在迅猛增长。各种处理器功能在逐渐广泛的应用中慢慢得以完善,许多音频系统应用也面临着由传统的模拟电路转向新型变革。

  观众对声音质量的要求越来越高,消费市场的庞大潜力激发了DSP芯片的需求。但是,DSP并非简单地替代传统的模拟工具,而衍生在了更多的应用领域,让更多的新技术得以应用、新产品性能优势得以充分发挥。

  本文中所指的处理器包括了各个生产商、不同应用中的各种信号处理设备。如独立的、机架式设备模块——需要整合安装成一套音频系统;多功能设备——集成商按照客户的需求配置系统设备,满足特定应用的需求;计算机程序的配套软件即插件程序以及可以安装到控制台、放大器中的模块。但是,无论是什么类型的处理器,其根本理念都是相同的,设计商所要处理的就是如何合理配置好一套系统,充分发挥系统部件的优势。许多DSP音频产品生产商都生产多种不同格式、类型的产品,给设计商留出了更多的选择空间。

  除了在音频处 理方面的功能外,DSP还为更多的新型音频系统控制敞开了大门。由于DSP处理器处理的信号都是数字化的,因此可以通过远程编程改变系统参数。信号处理的数字化还方便了工程师们将信号以特定的格式存储起来,并进行传输,让音频工程师进行自动操作性能设置的同时还能维护未经处理的信号,以便以后使用,如MIDI这些控制协议的发展也让DSP产品的功能得以扩展,如录音功能以及实况音频应用中的一些功能。

  1 信号延迟

  延迟是一个相对简单的概念,在许多音频产品中都采用到了延迟元件。作为音频设备最为重要的一个部分,在微观角度上来讲,延迟就是从听觉上将传感器在交叉环境中排列,从宏观角度上来讲,就是补偿传感器在传输中被干扰出现的较大空间的距离。延迟元件的不断发展促进了人们对扩声系统中时序校准的理解和测试。有人会认为,DSP技术所带来的最简单的贡献就是大大提高了系统的可懂度,这是任何其他技术都不能媲及的,而且集成电路芯片的发展也促进了更多更为复杂的DSP应用,如混响和回声。

  2 声反馈抑制

  声音反馈抑制产品通常都内置到扩声系统中,被认作系统的保护器,因为反馈抑制产品的功用就是自动检测并纠正实况环境中所产生的反馈声。这些设备在识别何种原因导致反馈声的产生,什么时候会产生反馈声方面的性能在不断提高,而且随着采样率和分辨率的提高,在质量方面也得到了很大的改进。


图1.音频系统中的回声抑制器

  另外,还有一些完全不同的反馈抑制元件,可以让设计商自行选择哪一种设备最适合自身的系统设计(见图一)。当系统的潜在音频增益(Potential Audio Gain)与声音环境的需求音频增益(Needed Audio Gain)非常接近的时候,反馈设备就显得更为重要,在这种情形下,通常都把系统调整到反馈起点以下。

  最早的反馈抑制器都是基于参数均衡器的方式,例如,他们将各种不同的过滤器引入到了数字信号链中。电路会连续采样信号,当检测到反馈声的数字“信号”时,就会在该频率激活一个相应的过滤器。过滤器的深度可以不断调整,直至反馈声被完全控制为止。这类产品通常都被一些著名的公司垄断着,如Sabine,Shure、dbx、Peavey、Roland、Behringer、Samson等。当然,这些产品也存在着一定的局限性,最明显的问题就是偶尔不能识别反馈声的某些信号,因为这些设备从本质上来讲仍是均衡器,由于相位误差和频率等高线问题可能会对声音“加色”,就会产生不理想的结果。但是,如果在调整得非常得当的音频系统中,反馈抑制器在系统保护中就会起到不可估量的作用。

  第二类反馈抑制器就是“移频”类,这是由Polyfusion公司推广起来的。这类反馈声抑制器能够持续转换所有经过该设备的信号的音频频率,高达6Hz。除非放大后的信号直接与原声相比较,不然,观众就不能轻易察觉到。使用这类抑制器后,由于反馈声的原声都进行了移频,而不是在原声基础上重新组建声音,所以信号再生就不再可能。

  目前,最新、最成熟的反馈抑制器要属Wide-Band Solutions公司生产的反馈声取消器。这款高级DSP产品能够不断消除其检测到的反馈声,其优势就是连续对整体数字信号进行检测,并处理其他信号,如噪音取消。

  3 噪音抑制、取消

  DSP音频厂家的产品大多数都开始融入了噪音抑制或取消功能。任何扩声系统(尤其是室内环境)中,最头疼的一个问题就是如何处理固定的外界噪音,如空气处理设备、排泄管、风扇、前置放大器等设备发出的声音。这些噪音大大降低了系统信噪比和可识别度,让观众很容易产生疲劳感。要解决这些问题, 采用声学工程解决方案成本通常都比较昂贵,因为经常都要对HVAV设备和基础架构产品进行更改。采用数字设备来采样背景噪音,并将噪音消除掉,这是相当重要的,尤其是在视频会议应用中,采用数字设备来消除背景噪音更为普遍,作用更是不可忽视。


图2.简化的电子扩声系统

  4 动态处理

  最早期的DSP应用中,动态处理是非常重要的一个应用,其中包括了压缩、限制、扩展、门控以及各种设备的整合。在这个领域中,模拟电路虽然非常高级、先进,但DSP产品也紧跟其发展,在适应性、声音质量和设备的细微差别方面没有丝毫滞后。DSP产品能够同步处理多个通道信号,使其在性价比方面非常突出,同时,DSP产品还能处理单个信号。除了独立单元设备外,很多产品中都开始广为采用动态处理技术,尤其是在混合器、前置放大器和矩阵路由器中的应用更为广泛。DSP成本较低,使用多个频率带处理器经济可行。智能和预查缓冲模式得以广泛应用,将继续推动动态处理技术的发展,尤其是没有音频工程师值守时,应用更加普遍。

  5 均衡

  在音频扩声系统中,均衡是极为重要。均衡在音频扩声系统中的作用就如信号通道中的放大器作用一样基础、重要,音视频行 业内的很多人士对均衡处理都非常熟悉,使用均衡器的目的有很多,但首要任务还是稳定音频信号,弥补房间的各种缺陷,以及由突出声波或其他声学障碍而产生的反馈控制。

  DSP均衡器不是简单地取代了传统的模拟电路,有了DSP均衡器,无论是在离散频率控制还是在变频频率控制,或是两种整合情形下,音频工程师都能够自主选择系统最合适的均衡器。最重要的是,高级DSP均衡器能够克服由于线路失真导致的过滤重叠区移相。

  6 混合、切换和信号路由

  在任何音频系统中,混合器、切换器和信号路由器都属于最基本的必不可少的元件。在20多年里,这些元器件逐渐由音频/机械性设备发展成了音频/逻辑型设备,提供完整的数字服务。DSP在这些领域的应用有着很大的空间。TOA公司引领了混合器/路由器/信号处理器一体化的概念,其他生产商也随之推出了一系列相应产品。其中的一些设备几乎包括了我们本文中谈及到DSP工具的一切功能。一体化设备的应用在许多情况下将音频系统转换成了“应用集中式”设计,这与线缆集中式设计相对立,主要是由于单个元件整合到多样性应用中产生的效果。

  7 允许重新配置

  混合器、切换器和路由器一体化后,只要把DSP元件设计成为数字混合,双放大、3倍放大或者串联电路后,设计商就能够根据自己的意愿来建立系统,如多功能会议室、舞厅、表演场所以及运动场所等。DSP发展有望加速音频系统朝着由多功能DSP设备和音频放大器组成这个方向的发展。

  音频效果包括了改变声音动态特性的各种方法通常都是同时进行,或者伴随着其他效果的产生。本质上讲,这些效果都是由动态和平衡效果结合而产生,包括了回声、混响声、移相、项便、变频滤波等。通常,在扩声系统中(尤其是演讲)都不会用到这些效果,但这些都是DSP最创新、有趣的应用。这些效果主要应用到演出中,为艺人表演产生更好的声效。混响是最常用的效果之一——按规定路径在实况扩声系统产生混响。然而,混响技术在质量上有着很大的差异,是DSP设计商考虑的最为重要的部分。

  8 音调纠正、变调和谐调

  DSP发展中,音调纠正和谐调是一个最新、最重要的方面。音频行业中的一些领头公司如DigiTech、Antares、TC-Helicon以及Eventide能够将歌手的走调音自动调整到准确地音调位。该技术的硬件和软件产品都已经上市,让音频录制得到了变革性的发展,并且该技术正在走向扩声系统。变调是一种伴衬效果,在需要的时候调换歌手的声音。谐调与音调纠正非常贴近,将变调音覆盖在原始信号和纠正信号上层,或叠加在下层。谐调通常是在演唱中产生一定的间隔时间,形成几个人在演唱的重唱效果。

  9 回声取消、抑制

  在常见的扩声系统应用中,回声取消和回声抑制的使用非常广泛,都是重要的DSP工具。回声取消最开始是应用到音频会议和视频会议系统中,现在成了会议室中清晰度和反馈控制中不可缺少的部分。音视频会议领域的一些领头公司(如Gentner,Clearone,VTEL以及宝利通)都将这些功能应用到了麦克风混合器、音视频会议混合设备和视频会议编码器中。回声取消器分析麦克风的音频信号,并使用一个参照麦克风来测量会议室中的回声信号。然后将回声以及输出信号产生原始反射和后续反射声消除掉。随着回声消除技术的发展,功能逐步增多,增加了实时调节功能等。在回声取消和抑制发展方面,以后可能还会包括更长的取消持续时间,降低成本,更高的取样分辨率,融入到其他类型的音频设备中。

  10 电子建筑

  在过去20多年中,音频DSP的应用不断发展,现在主要应用到了大型的多功能演出场所,DSP技术应用目的逐渐多样化、异同化。“电子架构”或“电子扩声适用于那些自身空间不适合用于表演的场所,例如影剧院、交响乐厅等通常都设计了反射场所和高度扩散功能。使用了DSP技术的电子建筑系统能够模仿自然发射声,将空间场所内声音进行转换,调整到该环境最适合的状况。在某些省染色较轻的环境中,也能用到这种技术,并有意识地增加一些期望效果来模拟某个大厅或户外声音。

  音频领域的很多高级复杂的工程都是由好几个厂商共同完成的,相关的技术和产品包括了协助共振系统(AR)、多通道混响系统(VRA)、多通道立体混响系统(MCA)、早期反射能量系统(ERES),按需混响系统(RODS),声音控制系统(ACS),声音混响增强系统(LARES),声音性能增加系统(SIAP)以及主动音场控制系统(AFC)。雅马哈公司推出的主动声场控制系统(ACF)是电子建筑的一项创举,作为一款集成产品,为声学设计师和安装商提供了更低成本的选择方案。该技术与其他竞争对手产品不同之处在于,主动声场控制系统是基于A-SF技术,采用了反馈回路,在无需改变物理情况下就能改进房间现有的声学设备。ACF能够改变观众对建筑声音的听觉感,如混响、喧闹声以及空间 感。此外,ACF还能增强早期反射,提高在非理想状况下的声音质量。通过随时间改变的FIR(有限脉冲响)过滤器延长反射时间,增加FIR过滤器(统一分配增强后的发射声音)增益,ACF能够增加反射声音,同时,通过增强侧面反射声音,还能加强声音的空间感。系统还可进行调整,能够存储预设,将房间按照期望的效果进行配置。作为一款可编程的DSP产品,ACF还可进行升级。

  二 结论

  在过去20多年中,音频DSP应用到了我们生活的方方面面。手机电脑、家庭影院系统、语音识别系统以及其他应用都随着设备的发展而发展。我们相信,随着厂商不断致力于处理能力的研发,DSP将会在我们生活中得到更广泛的应用。



  来源:肥猪宝宝
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