巴特沃斯濾波器在高保真音響系統(tǒng)中的應(yīng)用

陶有軍

（西安理工大學(xué) 高等技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710082）

人們的生活離不開(kāi)音樂(lè)，音響系統(tǒng)則是重放音樂(lè)信號(hào)最常用的設(shè)備，因?yàn)榇蠊β嗜l帶的揚(yáng)聲器很昂貴，所以音頻信號(hào)都要通過(guò)分頻器分為高低不同的成分，分別送到不同頻帶的揚(yáng)聲器去還原。分頻器有后級(jí)功率分頻和前級(jí)電子分頻之區(qū)別。功率分頻因?yàn)槌杀镜?，效果好而被人們廣泛接受。電子分頻雖然成本高，但因其音質(zhì)更佳也有一定的市場(chǎng)。目前，解決前級(jí)電子2分頻、3分頻電路的幅頻特性、相頻特性的問(wèn)題，發(fā)燒友們?cè)诖蛟煲繇懴到y(tǒng)時(shí)各有其道，但真正經(jīng)過(guò)細(xì)化研究、可以照章索取的資料好像很是有限。

1 巴特沃斯高、低音2階2分頻器

前級(jí)電子分頻電路不僅要把音樂(lè)信號(hào)從幅度上分為高、低兩個(gè)頻段，而且要保證從高通和低通濾波器中通過(guò)的同頻率信號(hào)，它們的相位必須保持一致，否則就產(chǎn)生了相位失真，在高保真音響技術(shù)中，這是不允許的。

筆者經(jīng)過(guò)理論仿真與實(shí)物制作發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)格按巴特沃斯濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的2分頻2階濾波器，只要將其中一路的信號(hào)倒相，就能夠嚴(yán)格滿(mǎn)足上述要求，而且巴特沃斯2階濾波器的幅頻特性非常平坦，性能自然優(yōu)異。但美中不足是它的衰減特性是40 dB/sec，重疊部分比較寬。圖1所示電路A點(diǎn)之前為高低頻提升電路，B點(diǎn)之后是按巴特沃斯濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的1 kHz為分頻點(diǎn)的2分頻2階濾波器。由于分頻點(diǎn)附近兩個(gè)通道里都有1 kHz左右的信號(hào)，且衰減緩慢，造成疊加后中音頻率帶明顯提升。以仿真實(shí)驗(yàn)為例，在圖1的電路中，去掉高低頻提升電路，也就是將電路中A、B兩點(diǎn)之間斷開(kāi)，將信號(hào)源直接加在分頻器輸入端B點(diǎn)，取80 Hz，800 Hz，10 000 Hz 3個(gè)典型頻率作為輸入進(jìn)行測(cè)試，圖2所示為80 Hz、10 000 Hz信號(hào)輸出振幅均為1.75 V時(shí)，分頻點(diǎn)附近800 Hz信號(hào)在兩個(gè)通道里的輸出波形，顯然其振幅大約為2.5 V（1.5 V+1 V）。因?yàn)槿说穆?tīng)覺(jué)對(duì)于中音的失真最為敏感，所以中音帶相對(duì)提升對(duì)改善音質(zhì)不利。

圖1 1 kHz為分頻點(diǎn)的2階濾波器Fig.1 1 kHz frequency division 2 order filter

圖2 800 Hz信號(hào)通過(guò)2分頻器后的波形Fig.2 800 Hz signal after the frequency divider by 2 waveform

以上波形雖然為仿真結(jié)果，經(jīng)實(shí)物電路驗(yàn)證結(jié)果基本一致。為彌補(bǔ)中音頻率帶明顯提升這一缺陷，如圖1所示可以在分頻器之前加一個(gè)高低音補(bǔ)償電路，電路的元器件參數(shù)要反復(fù)設(shè)計(jì)與仿真，力求整體系統(tǒng)的幅頻特性平坦。仿真結(jié)果如圖3所示，當(dāng)80 Hz，10 000 Hz信號(hào)輸出振幅均為1.75 V時(shí)，分頻點(diǎn)附近800 Hz信號(hào)在兩個(gè)通道里輸出波形的振幅相加也大約為1.75 V（1.0 V+0.7 V）左右。在全音頻范圍內(nèi)測(cè)試其幅頻特性，發(fā)現(xiàn)在高、中、低3個(gè)區(qū)域內(nèi)幾近平坦。經(jīng)過(guò)實(shí)物試聽(tīng)，總體音質(zhì)非常好，高音纖細(xì)透亮，中音明亮柔和，低音渾厚飽滿(mǎn)。當(dāng)然這也需要高性能的后級(jí)功放作支撐。

圖3 800 Hz信號(hào)通過(guò)2分頻器后的波形Fig.3 800 Hz signal after the frequency divider by 2 waveform

2 巴特沃斯高、中、低2階3分頻器

高保真前級(jí)電子分頻器的難點(diǎn)在于，完成幅度分頻的同時(shí)，要保證分頻點(diǎn)附近不同的通道中同一信號(hào)的相位必須一致。在兩分頻電路中這一點(diǎn)不難做到，但是在三分頻電路中就不一樣了，必須附加相位校正電路。假如選定兩個(gè)分頻點(diǎn)分別是800 Hz和4 000 Hz，第一種設(shè)計(jì)思路是分別設(shè)計(jì)800 Hz的低通濾波器、4 000 Hz的高通濾波器及800～4 000 Hz的帶通濾波器，這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果是分頻點(diǎn)附近高、中、低3個(gè)通道中同一信號(hào)的相位相互不同，除非以其中一個(gè)通道為基準(zhǔn)，其它兩個(gè)通道加上合適的相位校正電路，這樣做難度很大。圖4就是基于上述思路設(shè)計(jì)的電路，圖5則是分頻點(diǎn)附近3個(gè)通道里輸出1 200 Hz時(shí)的仿真波形，顯然它們的相位互不相同，補(bǔ)償困難。

圖4 第一種三分頻電路Fig.4 The first three points frequency circuit

圖5 1 200 Hz通過(guò)3個(gè)通道后的波形Fig.5 Waveform after 1 200 Hz through three channels

第二種設(shè)計(jì)思路是先將整個(gè)頻段以800 Hz為準(zhǔn)分為高、低兩個(gè)頻段，再將高頻段以4 000 Hz為分頻點(diǎn)分為中、高兩個(gè)頻段，如此一來(lái)，后兩個(gè)通道在頻率重疊區(qū)的信號(hào)不會(huì)發(fā)生相位失真，只要在低通濾波器后面加上一個(gè)合適的相位校正電路，其頻率重疊區(qū)信號(hào)相位失真情況就會(huì)得到明顯改善。圖6所示為基于第二種思路設(shè)計(jì)的濾波器電路，元件R17、C12、R19、C14是針對(duì)低音通道附加的相位校正電路。圖 7 所示為去掉相位校正電路時(shí)，1 200 Hz信號(hào)經(jīng)過(guò)三個(gè)通道后的仿真波形，顯然其中兩個(gè)波形的相位是一致的，只要想辦法補(bǔ)償?shù)皖l通道的信號(hào)就可以了。

加上相位校正電路后，重新測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在3個(gè)通道的頻率重疊區(qū)域基本消除相位失真。圖8所示為1 200 Hz信號(hào)分別經(jīng)過(guò)高、中、低三通道后的仿真波形。在重疊區(qū)的其它頻率點(diǎn)上測(cè)試，效果基本相同。

圖6 第二種三分頻電路Fig.6 The second three points frequency circuit

圖7 1 200 Hz信號(hào)通過(guò)三個(gè)通道后的波形Fig.7 Waveform after 1 200 Hz through three channels

3 結(jié)束語(yǔ)

圖8 1 200 Hz信號(hào)通過(guò)3個(gè)通道后的波形Fig.8 Waveform after 1 200 Hz through three channels

高保真音響系統(tǒng)中的分頻器，在進(jìn)行幅度分頻的同時(shí)要保證相位不會(huì)產(chǎn)生失真，巴特沃斯濾波器就是首選的電路之一，但是為提高音質(zhì)，針對(duì)不同的分頻器還需要做一些改進(jìn)。比如改善信號(hào)幅頻特性的高低音提升電路，改變相頻特性的相位校正電路等。通過(guò)這些措施，力求音頻信號(hào)從信號(hào)源到揚(yáng)聲器之間的通道中既不產(chǎn)生幅度失真也不產(chǎn)生相位失真，這樣的音響系統(tǒng)才真正接近高保真。

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