擴(kuò)聲系統(tǒng)中的DSP應(yīng)用分析

一 DSP的發(fā)展

在擴(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)用中，我們經(jīng)常會將聲音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(A/D)，并按照一定的格式進(jìn)行處理之后，再由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成聲音信號(D/A)，而且進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換的相關(guān)應(yīng)用需求市場也在迅猛增長。各種處理器功能在逐漸廣泛的應(yīng)用中慢慢得以完善，許多音頻系統(tǒng)應(yīng)用也面臨著由傳統(tǒng)的模擬電路轉(zhuǎn)向新型變革。

觀眾對聲音質(zhì)量的要求越來越高，消費(fèi)市場的龐大潛力激發(fā)了DSP芯片的需求。但是，DSP并非簡單地替代傳統(tǒng)的模擬工具，而衍生在了更多的應(yīng)用領(lǐng)域，讓更多的新技術(shù)得以應(yīng)用、新產(chǎn)品性能優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。

本文中所指的處理器包括了各個生產(chǎn)商、不同應(yīng)用中的各種信號處理設(shè)備。如獨(dú)立的、機(jī)架式設(shè)備模塊——需要整合安裝成一套音頻系統(tǒng)；多功能設(shè)備——集成商按照客戶的需求配置系統(tǒng)設(shè)備，滿足特定應(yīng)用的需求；計(jì)算機(jī)程序的配套軟件即插件程序以及可以安裝到控制臺、放大器中的模塊。但是，無論是什么類型的處理器，其根本理念都是相同的，設(shè)計(jì)商所要處理的就是如何合理配置好一套系統(tǒng)，充分發(fā)揮系統(tǒng)部件的優(yōu)勢。許多DSP音頻產(chǎn)品生產(chǎn)商都生產(chǎn)多種不同格式、類型的產(chǎn)品，給設(shè)計(jì)商留出了更多的選擇空間。

除了在音頻處 理方面的功能外，DSP還為更多的新型音頻系統(tǒng)控制敞開了大門。由于DSP處理器處理的信號都是數(shù)字化的，因此可以通過遠(yuǎn)程編程改變系統(tǒng)參數(shù)。信號處理的數(shù)字化還方便了工程師們將信號以特定的格式存儲起來，并進(jìn)行傳輸，讓音頻工程師進(jìn)行自動操作性能設(shè)置的同時還能維護(hù)未經(jīng)處理的信號，以便以后使用，如MIDI這些控制協(xié)議的發(fā)展也讓DSP產(chǎn)品的功能得以擴(kuò)展，如錄音功能以及實(shí)況音頻應(yīng)用中的一些功能。

1 信號延遲

延遲是一個相對簡單的概念，在許多音頻產(chǎn)品中都采用到了延遲元件。作為音頻設(shè)備最為重要的一個部分，在微觀角度上來講，延遲就是從聽覺上將傳感器在交叉環(huán)境中排列，從宏觀角度上來講，就是補(bǔ)償傳感器在傳輸中被干擾出現(xiàn)的較大空間的距離。延遲元件的不斷發(fā)展促進(jìn)了人們對擴(kuò)聲系統(tǒng)中時序校準(zhǔn)的理解和測試。有人會認(rèn)為，DSP技術(shù)所帶來的最簡單的貢獻(xiàn)就是大大提高了系統(tǒng)的可懂度，這是任何其他技術(shù)都不能媲及的，而且集成電路芯片的發(fā)展也促進(jìn)了更多更為復(fù)雜的DSP應(yīng)用，如混響和回聲。

2 聲反饋抑制

聲音反饋抑制產(chǎn)品通常都內(nèi)置到擴(kuò)聲系統(tǒng)中，被認(rèn)作系統(tǒng)的保護(hù)器，因?yàn)榉答佉种飘a(chǎn)品的功用就是自動檢測并糾正實(shí)況環(huán)境中所產(chǎn)生的反饋聲。這些設(shè)備在識別何種原因?qū)е路答伮暤漠a(chǎn)生，什么時候會產(chǎn)生反饋聲方面的性能在不斷提高，而且隨著采樣率和分辨率的提高，在質(zhì)量方面也得到了很大的改進(jìn)。

 

圖1.音頻系統(tǒng)中的回聲抑制器

另外，還有一些完全不同的反饋抑制元件，可以讓設(shè)計(jì)商自行選擇哪一種設(shè)備最適合自身的系統(tǒng)設(shè)計(jì)(見圖一)。當(dāng)系統(tǒng)的潛在音頻增益(Potential Audio Gain)與聲音環(huán)境的需求音頻增益(Needed Audio Gain)非常接近的時候，反饋設(shè)備就顯得更為重要，在這種情形下，通常都把系統(tǒng)調(diào)整到反饋起點(diǎn)以下。

最早的反饋抑制器都是基于參數(shù)均衡器的方式，例如，他們將各種不同的過濾器引入到了數(shù)字信號鏈中。電路會連續(xù)采樣信號，當(dāng)檢測到反饋聲的數(shù)字“信號”時，就會在該頻率激活一個相應(yīng)的過濾器。過濾器的深度可以不斷調(diào)整，直至反饋聲被完全控制為止。這類產(chǎn)品通常都被一些著名的公司壟斷著，如Sabine，Shure、dbx、Peavey、Roland、Behringer、Samson等。當(dāng)然，這些產(chǎn)品也存在著一定的局限性，最明顯的問題就是偶爾不能識別反饋聲的某些信號，因?yàn)檫@些設(shè)備從本質(zhì)上來講仍是均衡器，由于相位誤差和頻率等高線問題可能會對聲音“加色”，就會產(chǎn)生不理想的結(jié)果。但是，如果在調(diào)整得非常得當(dāng)?shù)囊纛l系統(tǒng)中，反饋抑制器在系統(tǒng)保護(hù)中就會起到不可估量的作用。

第二類反饋抑制器就是“移頻”類，這是由Polyfusion公司推廣起來的。這類反饋聲抑制器能夠持續(xù)轉(zhuǎn)換所有經(jīng)過該設(shè)備的信號的音頻頻率，高達(dá)6Hz。除非放大后的信號直接與原聲相比較，不然，觀眾就不能輕易察覺到。使用這類抑制器后，由于反饋聲的原聲都進(jìn)行了移頻，而不是在原聲基礎(chǔ)上重新組建聲音，所以信號再生就不再可能。
目前，最新、最成熟的反饋抑制器要屬Wide-Band Solutions公司生產(chǎn)的反饋聲取消器。這款高級DSP產(chǎn)品能夠不斷消除其檢測到的反饋聲，其優(yōu)勢就是連續(xù)對整體數(shù)字信號進(jìn)行檢測，并處理其他信號，如噪音取消。

3 噪音抑制、取消

DSP音頻廠家的產(chǎn)品大多數(shù)都開始融入了噪音抑制或取消功能。任何擴(kuò)聲系統(tǒng)(尤其是室內(nèi)環(huán)境)中，最頭疼的一個問題就是如何處理固定的外界噪音，如空氣處理設(shè)備、排泄管、風(fēng)扇、前置放大器等設(shè)備發(fā)出的聲音。這些噪音大大降低了系統(tǒng)信噪比和可識別度，讓觀眾很容易產(chǎn)生疲勞感。要解決這些問題， 采用聲學(xué)工程解決方案成本通常都比較昂貴，因?yàn)榻?jīng)常都要對HVAV設(shè)備和基礎(chǔ)架構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行更改。采用數(shù)字設(shè)備來采樣背景噪音，并將噪音消除掉，這是相當(dāng)重要的，尤其是在視頻會議應(yīng)用中，采用數(shù)字設(shè)備來消除背景噪音更為普遍，作用更是不可忽視。  

 

圖2.簡化的電子擴(kuò)聲系統(tǒng)[!--empirenews.page--]
4 動態(tài)處理

最早期的DSP應(yīng)用中，動態(tài)處理是非常重要的一個應(yīng)用，其中包括了壓縮、限制、擴(kuò)展、門控以及各種設(shè)備的整合。在這個領(lǐng)域中，模擬電路雖然非常高級、先進(jìn)，但DSP產(chǎn)品也緊跟其發(fā)展，在適應(yīng)性、聲音質(zhì)量和設(shè)備的細(xì)微差別方面沒有絲毫滯后。DSP產(chǎn)品能夠同步處理多個通道信號，使其在性價比方面非常突出，同時，DSP產(chǎn)品還能處理單個信號。除了獨(dú)立單元設(shè)備外，很多產(chǎn)品中都開始廣為采用動態(tài)處理技術(shù)，尤其是在混合器、前置放大器和矩陣路由器中的應(yīng)用更為廣泛。DSP成本較低，使用多個頻率帶處理器經(jīng)濟(jì)可行。智能和預(yù)查緩沖模式得以廣泛應(yīng)用，將繼續(xù)推動動態(tài)處理技術(shù)的發(fā)展，尤其是沒有音頻工程師值守時，應(yīng)用更加普遍。

5 均衡

在音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)中，均衡是極為重要。均衡在音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)中的作用就如信號通道中的放大器作用一樣基礎(chǔ)、重要，音視頻行 業(yè)內(nèi)的很多人士對均衡處理都非常熟悉，使用均衡器的目的有很多，但首要任務(wù)還是穩(wěn)定音頻信號，彌補(bǔ)房間的各種缺陷，以及由突出聲波或其他聲學(xué)障礙而產(chǎn)生的反饋控制。

DSP均衡器不是簡單地取代了傳統(tǒng)的模擬電路，有了DSP均衡器，無論是在離散頻率控制還是在變頻頻率控制，或是兩種整合情形下，音頻工程師都能夠自主選擇系統(tǒng)最合適的均衡器。最重要的是，高級DSP均衡器能夠克服由于線路失真導(dǎo)致的過濾重疊區(qū)移相。

6 混合、切換和信號路由

在任何音頻系統(tǒng)中，混合器、切換器和信號路由器都屬于最基本的必不可少的元件。在20多年里，這些元器件逐漸由音頻/機(jī)械性設(shè)備發(fā)展成了音頻/邏輯型設(shè)備，提供完整的數(shù)字服務(wù)。DSP在這些領(lǐng)域的應(yīng)用有著很大的空間。TOA公司引領(lǐng)了混合器/路由器/信號處理器一體化的概念，其他生產(chǎn)商也隨之推出了一系列相應(yīng)產(chǎn)品。其中的一些設(shè)備幾乎包括了我們本文中談及到DSP工具的一切功能。一體化設(shè)備的應(yīng)用在許多情況下將音頻系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成了“應(yīng)用集中式”設(shè)計(jì)，這與線纜集中式設(shè)計(jì)相對立，主要是由于單個元件整合到多樣性應(yīng)用中產(chǎn)生的效果。

7 允許重新配置

混合器、切換器和路由器一體化后，只要把DSP元件設(shè)計(jì)成為數(shù)字混合，雙放大、3倍放大或者串聯(lián)電路后，設(shè)計(jì)商就能夠根據(jù)自己的意愿來建立系統(tǒng)，如多功能會議室、舞廳、表演場所以及運(yùn)動場所等。DSP發(fā)展有望加速音頻系統(tǒng)朝著由多功能DSP設(shè)備和音頻放大器組成這個方向的發(fā)展。

音頻效果包括了改變聲音動態(tài)特性的各種方法通常都是同時進(jìn)行，或者伴隨著其他效果的產(chǎn)生。本質(zhì)上講，這些效果都是由動態(tài)和平衡效果結(jié)合而產(chǎn)生，包括了回聲、混響聲、移相、項(xiàng)便、變頻濾波等。通常，在擴(kuò)聲系統(tǒng)中(尤其是演講)都不會用到這些效果，但這些都是DSP最創(chuàng)新、有趣的應(yīng)用。這些效果主要應(yīng)用到演出中，為藝人表演產(chǎn)生更好的聲效。混響是最常用的效果之一——按規(guī)定路徑在實(shí)況擴(kuò)聲系統(tǒng)產(chǎn)生混響。然而，混響技術(shù)在質(zhì)量上有著很大的差異，是DSP設(shè)計(jì)商考慮的最為重要的部分。

8 音調(diào)糾正、變調(diào)和諧調(diào)

DSP發(fā)展中，音調(diào)糾正和諧調(diào)是一個最新、最重要的方面。音頻行業(yè)中的一些領(lǐng)頭公司如DigiTech、Antares、TC-Helicon以及Eventide能夠?qū)⒏枋值淖哒{(diào)音自動調(diào)整到準(zhǔn)確地音調(diào)位。該技術(shù)的硬件和軟件產(chǎn)品都已經(jīng)上市，讓音頻錄制得到了變革性的發(fā)展，并且該技術(shù)正在走向擴(kuò)聲系統(tǒng)。變調(diào)是一種伴襯效果，在需要的時候調(diào)換歌手的聲音。諧調(diào)與音調(diào)糾正非常貼近，將變調(diào)音覆蓋在原始信號和糾正信號上層，或疊加在下層。諧調(diào)通常是在演唱中產(chǎn)生一定的間隔時間，形成幾個人在演唱的重唱效果。

9 回聲取消、抑制

在常見的擴(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)用中，回聲取消和回聲抑制的使用非常廣泛，都是重要的DSP工具。回聲取消最開始是應(yīng)用到音頻會議和視頻會議系統(tǒng)中，現(xiàn)在成了會議室中清晰度和反饋控制中不可缺少的部分。音視頻會議領(lǐng)域的一些領(lǐng)頭公司(如Gentner，Clearone，VTEL以及寶利通)都將這些功能應(yīng)用到了麥克風(fēng)混合器、音視頻會議混合設(shè)備和視頻會議編碼器中?；芈暼∠鞣治鳆溈孙L(fēng)的音頻信號，并使用一個參照麥克風(fēng)來測量會議室中的回聲信號。然后將回聲以及輸出信號產(chǎn)生原始反射和后續(xù)反射聲消除掉。隨著回聲消除技術(shù)的發(fā)展，功能逐步增多，增加了實(shí)時調(diào)節(jié)功能等。在回聲取消和抑制發(fā)展方面，以后可能還會包括更長的取消持續(xù)時間，降低成本，更高的取樣分辨率，融入到其他類型的音頻設(shè)備中。

10 電子建筑

在過去20多年中，音頻DSP的應(yīng)用不斷發(fā)展，現(xiàn)在主要應(yīng)用到了大型的多功能演出場所，DSP技術(shù)應(yīng)用目的逐漸多樣化、異同化。“電子架構(gòu)”或“電子擴(kuò)聲適用于那些自身空間不適合用于表演的場所，例如影劇院、交響樂廳等通常都設(shè)計(jì)了反射場所和高度擴(kuò)散功能。使用了DSP技術(shù)的電子建筑系統(tǒng)能夠模仿自然發(fā)射聲，將空間場所內(nèi)聲音進(jìn)行轉(zhuǎn)換，調(diào)整到該環(huán)境最適合的狀況。在某些省染色較輕的環(huán)境中，也能用到這種技術(shù)，并有意識地增加一些期望效果來模擬某個大廳或戶外聲音。


音頻領(lǐng)域的很多高級復(fù)雜的工程都是由好幾個廠商共同完成的，相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品包括了協(xié)助共振系統(tǒng)(AR)、多通道混響系統(tǒng)(VRA)、多通道立體混響系統(tǒng)(MCA)、早期反射能量系統(tǒng)(ERES)，按需混響系統(tǒng)(RODS)，聲音控制系統(tǒng)(ACS)，聲音混響增強(qiáng)系統(tǒng)(LARES)，聲音性能增加系統(tǒng)(SIAP)以及主動音場控制系統(tǒng)(AFC)。雅馬哈公司推出的主動聲場控制系統(tǒng)(ACF)是電子建筑的一項(xiàng)創(chuàng)舉，作為一款集成產(chǎn)品，為聲學(xué)設(shè)計(jì)師和安裝商提供了更低成本的選擇方案。該技術(shù)與其他競爭對手產(chǎn)品不同之處在于，主動聲場控制系統(tǒng)是基于A-SF技術(shù)，采用了反饋回路，在無需改變物理情況下就能改進(jìn)房間現(xiàn)有的聲學(xué)設(shè)備。ACF能夠改變觀眾對建筑聲音的聽覺感，如混響、喧鬧聲以及空間 感。此外，ACF還能增強(qiáng)早期反射，提高在非理想狀況下的聲音質(zhì)量。通過隨時間改變的FIR(有限脈沖響)過濾器延長反射時間，增加FIR過濾器(統(tǒng)一分配增強(qiáng)后的發(fā)射聲音)增益，ACF能夠增加反射聲音，同時，通過增強(qiáng)側(cè)面反射聲音，還能加強(qiáng)聲音的空間感。系統(tǒng)還可進(jìn)行調(diào)整，能夠存儲預(yù)設(shè)，將房間按照期望的效果進(jìn)行配置。作為一款可編程的DSP產(chǎn)品，ACF還可進(jìn)行升級。

二 結(jié)論

在過去20多年中，音頻DSP應(yīng)用到了我們生活的方方面面。手機(jī)、電腦、家庭影院系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)以及其他應(yīng)用都隨著設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展。我們相信，隨著廠商不斷致力于處理能力的研發(fā)，DSP將會在我們生活中得到更廣泛的應(yīng)用。