Aktywne cyfrowe filtry rozgraniczające podnoszą klasę zespołów głośnikowych

Powszechnie obecnie stosowane aktywne zestawy głośnikowe składają się zwykle w torze sygnału z czterech części: odbiornika, przetwornika C-A, wzmacniacza i filtra rozgraniczającego. Odbiornikiem jest zwykle układ Bluetooth z wysokiej jakości kodekiem. Wzmacniacz może być konwencjonalnym układem analogowym klasy AB z przetwornikiem C-A na wejściu i biernym filtrem rozgraniczającym na wyjściu. Alternatywnym rozwiązaniem jest wysokiej jakości wzmacniacz klasy D, bezpośrednio wzbudzający głośniki nisko- i wysokotonowe. Cyfrowy układ przetwarzania sygnałów wzmacniacza (DSP) klasy D ułatwia równoczesną realizację cyfrowych filtrów rozgraniczających, przewyższających jakością filtry analogowe.

Architektura głośnika aktywnego

Rysunek 1 przedstawia konwencjonalną architekturę aktywnego głośnika bezprzewodowego. Odbiornikiem jest układ Bluetooth z wysokiej jakości kodekiem, zapewniającym optymalne parametry audio oraz równie wysokiej jakości przetwornikiem C-A. Analogowy wzmacniacz z przedwzmacniaczem wysterowują głośniki nisko- i wysokotonowy. Dobrą jakość wzmocnienia audio zapewnia klasa AB. Jednakże współczesne wzmacniacze klasy D o wejściu analogowym oferują znaczną oszczędność mocy zasilania przy doskonałej jakości audio, a bierne filtry rozgraniczają zakresy częstotliwości dla głośników nisko- i wysokotonowych.

Rys. 1. Układ bezprzewodowego konwencjonalnego aktywnego wzmacniacza głośnikowego

Rys. 2. Układ bezprzewodowego aktywnego wzmacniacza głośnikowego klasy D z wejściem cyfrowym

Alternatywną architekturę stanowi pokazany na rysunku 2 wzmacniacz klasy D z wejściem cyfrowym. W tym rozwiązaniu sygnał audio jest cyfrowy od odbiornika aż do wyjścia wzmacniacza mocy, co eliminuje wszelkie błędy związane z przetwarzaniem A-C. Doskonałe parametry audio są osiągane przez wzmacniacz z zamkniętą cyfrową pętlą sprzężenia zwrotnego, jak np. Direct Digital Feedback Amplifier (DDFA) firmy CSR.

W tej architekturze funkcje przedwzmacniacza i wzmacniacza spełnia jeden układ. Dla obu kanałów, niższych i wyższych częstotliwości, potrzebne są osobne wzmacniacze, a ich wzmocnienia zostają dopasowane do czułości obu głośników.

Zdolność cyfrowego przetwarzania sygnału w chipie ma duże zalety przy rozgraniczaniu pasm częstotliwości. Pozwala łatwo realizować wysokiej jakości filtry, które mogą być konfigurowane do dokładnego dopasowania do charakterystyk głośników i nie wymagają użycia zewnętrznych biernych komponentów.

Bierne czy aktywne filtry rozgraniczające?

Rys. 3. Bierny filtr rozgraniczający

Rysunek 3 przedstawia typowy filtr bierny. Składają się na niego układy filtrów drugiego rzędu dla każdego z kanałów przy częstotliwości rozgraniczającej około 2,2 kHz. Impedancja głośnika niskotonowego wynosi 3,5 Ω, a wysokotonowego 3,2 Ω. Użyte w nim do rozdziału mocy zwykłe kondensatory i cewki muszą być stosunkowo duże. Straty cieplne w nich obniżają sprawność układu i wywołują termiczny dryf parametrów, co skutkuje zwiększeniem zniekształceń.

Schemat wydaje się bardzo prosty, jednak w praktyce wzajemne oddziaływania komponentów są skomplikowane i bardzo utrudniają całkowitą izolację kanałów. Głośniki mają bezpośredni wpływ na charakterystyki filtrów, które mogą zmieniać się z częstotliwością, przenoszoną mocą i temperaturą.

Filtry dostraja się do czułości głośników za pomocą rezystorów dopasowujących, które zwiększają jeszcze straty cieplne. Przesterowane indukcyjności mogą ulegać zmianom pod wpływem nasycenia elementów magnetycznych, co wywołuje zniekształcenia przy większej mocy, a nawet może powodować uszkodzenia głośników wysokotonowych.

Rozwiązanie z cyfrowym aktywnym filtrem rozgraniczającym jest lepsze i prostsze. Przez cyfrowe filtry systemu, odizolowane od siebie i od obciążenia, przechodzi sygnał o niskiej amplitudzie, dzięki czemu unika się strat termicznych. Ułatwiona jest cyfrowa kontrola wzmocnienia, bez użycia rezystorów dostosowujących czułość do głośników. Działanie cyfrowych filtrów nie zależy od poziomu sygnału, jest więc dokładniejsze, liniowe i powtarzalne i utrzymuje zniekształcenia na stałym poziomie. Może zostać wprowadzone proste ograniczanie poziomu sygnału, eliminujące przeciążenia. Łatwe do uzyskania jest także opóźnienie, umożliwiające optymalne wyrównanie głośników w czasie.

Zdolność cyfrowego przetwarzania sygnału w cyfrowych wzmacniaczach pozostawia znaczny zapas możliwości, który bez trudności umożliwia realizację bardziej złożonych filtrów wyższego rzędu, z lepszymi rezultatami. Filtry takie ułatwiają lepsze dopasowanie do głośników i do ich obudowy. Filtry można też modyfikować pod względem dopasowania do właściwości pomieszczeń czy stylów muzycznych.

Cyfrowe przetwarzanie sygnału a jakość filtrów

Parametry aktywnych filtrów rozgraniczających muszą zapewniać optymalne właściwości audio przy właściwie zastosowanej architekturze. Każdy błąd może skutkować zwiększeniem poziomu szumów i zaburzeń. Filtry we wzmacniaczach cyfrowych powstają z kombinacji dwukwadratowych stopni o charakterystykach drugiego rzędu, zdefiniowanych liczbą współczynników. W opisywanym przypadku każdy stopień jest skonfigurowany pięcioma 24-bitowymi współczynnikami. Do przetwarzania wszystkich spodziewanych rodzajów sygnału wejściowego system wymaga właściwej zdolności obliczeniowej oraz odpowiedniej bitowej wielkości współczynników. Na przykład, przy maksymalnym dynamicznym zakresie wzmacniacza 116 dB, 35-bitowa rozdzielczość obliczeniowa zapewnia filtrowanie bez szkodliwych zakłóceń lub zniekształceń przy co najmniej 20-bitowej wielkości przetwornika.

Rys. 4. Charakterystyka biernego filtra rozgraniczającego z przyłączonymi głośnikami

Rys. 5. Charakterystyki biernego i aktywnego filtra rozgraniczającego z przyłączonymi głośnikami

Realizacja filtra cyfrowego

Tabela 1. - Parametry dwukwadratowego filtra toru głośnika wysokotonowego oraz Tabela 2. - Parametry dwukwadratowego filtra toru głośnika niskotonowego

Do zilustrowania różnic jakości pomiędzy filtrem biernym i aktywnym użyto przykładowego schematu. Charakterystyki filtra biernego z rysunku 3 przedstawiono na rysunku 4. Użyty w układzie rezystor dostosowujący służy do wyrównania różnicy czułości głośników. W przypadku filtra cyfrowego różnicę taką wyrównuje się w prosty sposób przez dobranie wzmocnienia w trakcie konfigurowania wzmacniacza i filtra. Korekcja ta poprawia równocześnie stosunek sygnału do szumu w kanale głośnika wysokotonowego. Jest to korzystne ze względu na wyższą czułość tego głośnika.

Układ filtra górnoprzepustowego realizuje się w formie pojedynczego stopnia dwukwadratowego ze współczynnikami dobranymi do filtra i głośnika (tabela 1).

Silniej wygięty kształt charakterystyki toru głośnika niskotonowego osiąga się za pomocą czterech stopni dwukwadratowych. Graniczną częstotliwość dolnoprzepustową ustalają niewielkimi przesunięciami dwa filtry uwydatniające 150 Hz i 1,7 kHz oraz jeden wyrównujący 450 Hz. Dane te zebrano w tabeli 2.

Pomiary danych podstawowych

Dla porównania charakterystyk audio głośnika z biernym i aktywnym filtrem rozgraniczającym dokonano pomiarów trzech podstawowych parametrów za pomocą dokładnego analizatora audio. Zmierzono całkowite zniekształcenia harmoniczne i szumy (THD+N) oraz zniekształcenia intermodulacyjne (IMD) przy obciążeniu 4 Ω w celu wykazania różnic wywołanych rodzajem filtra rozgraniczającego. Dokonano także pomiaru impedancji wzmacniacza, widzianej od strony obciążenia, a także współczynnika tłumienia, będącego stosunkiem impedancji wyjściowej wzmacniacza do impedancji obciążenia.

Pomiary przeprowadzono na tym samym układzie, dwukanałowym wzmacniaczu 30 W z chipsetem CSR DDFA CSRA6600/6601. W układzie biernym filtr DSR wzmacniacza został pominięty, w układzie czynnym wzmacniacz DSP został skonfigurowany w opisanej powyżej architekturze.

THD+N i IMD

Rysunek 6 przedstawia przebieg THD+N niskotonowego filtra wzmacniacza w funkcji przenoszonej mocy przy częstotliwości 500 Hz w wersji biernej i czynnej. Widać, że w układzie biernym zniekształcenia są znacznie większe i rosną wraz z mocą. Rysunek 7 natomiast przedstawia przebieg THD+N w układzie czynnym w funkcji częstotliwości przy mocy 22 W w obu kanałach, niskotonowym i wysokotonowym. W całym zakresie poziom zniekształceń nie przekracza 0,01%.

Rys. 6. Zniekształcenia THD+N biernego i aktywnego głośnika niskotonowego 4Ω w funkcji mocy

Rys. 7. Zniekształcenia THD+N aktywnego głośnika niskotonowego 4 Ω przy mocy 22 W w funkcji częstotliwości

Porównanie zniekształceń intermodulacyjnych, pokazane na rysunku 8, ujawnia więcej informacji. Test SMPTE przy częstotliwościach 60 Hz i 7 kHz przedstawia różnice pomiędzy biernym i aktywnym filtrem rozgraniczającym kanału niskotonowego przy mocy 14 W. Filtr bierny wykazuje nie tylko wyższe zniekształcenia intermodulacyjne, ale także zwiększone zaburzenia przy niskich częstotliwościach. Zjawisko modulacji amplitudą sygnału występuje w układzie biernym, ale nie zachodzi w układzie aktywnym.

Współczynnik tłumienia

Istotną zaletą układów aktywnych filtrów rozgraniczających jest zwiększenie współczynnika tłumienia. Wyraża on stosunek impedancji obciążenia do impedancji wyjściowej wzmacniacza. Wysoki współczynnik tłumienia zapewnia lepszą kontrolę ruchów cewki głośnika, co skutkuje poprawą parametrów audio, zwłaszcza w zakresie częstotliwości basowych.

Rys. 8. Zniekształcenia intermodulacyjne IMD biernego i aktywnego filtra rozgraniczającego z przyłączonym głośnikiem niskoton owym 4 Ω przy mocy 14 W w funkcji częstotliwości

Rys. 9. Symulacja charakterystyki biernego filtra niskotonowego w funkcji częstotliwości

W układzie biernym o impedancji wyjściowej decydują komponenty filtra, a w układzie aktywnym obwód wyjściowy wzmacniacza. Gdy wzmacniacz ten jest objęty zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego, tak jak w omawianym przypadku, jego impedancja wyjściowa jest bardzo mała. Porównanie współczynników tłumienia kanału niskotonowego układów biernego i aktywnego przy różnych częstotliwościach dla obciążenia 8 Ω jest przedstawione w tabeli 3. Niekorzystne wyniki dla filtra biernego przy 1500 Hz są skutkiem rezonansu elementów LC przy 1725 Hz, efekt ten oczywiście nie występuje w filtrze aktywnym. Symulacja tego rezonansu jest pokazana na rysunku 9.

Zakończenie

Tabela 3. Porównanie współczynnika tłumienia kanału niskotonowego w układzie biernym i aktywnym

Pomiary wykazują, że rozwiązanie z aktywnym filtrem rozdzielającym ma zdecydowaną przewagę. Poprawa THD i IMD jest znaczna. Współczynnik tłumienia wzrasta o około dwóch rzędów wielkości, a wszelkie anomalie w impedancjach zostają całkowicie wyeliminowane. W rezultacie zyskuje się na jakości dźwiękowej.

Obniżenie poziomu zniekształceń poprawia jasność brzmienia, ujawnia więcej szczegółów dźwięku i separacji instrumentów. Eliminacja modulacji poziomu szumów stabilizuje zakres dynamiki i poprawia rozróżnialność szczegółów o bardzo niskim natężeniu. Wysoki współczynnik tłumienia silnie zwiększa kontrolę głośników niskotonowych, zwiększając precyzję i przyspieszając emisję basów.

Oprócz tego użycie cyfrowych wzmacniaczy klasy D umożliwia dokładne wzajemne dopasowanie czułości obu torów głośnikowych. Wraz z eliminacją strat w samych filtrach zapewnia to optymalną sprawność systemu.

Realizacja filtrów cyfrowych jest bardzo powtarzalna, co eliminuje skutki rozmaitych tolerancji biernych komponentów. (KKP)