时间和相位对齐：系统优化的两个主要概念

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时间和相位对齐：系统优化的两个主要概念


信号处理器中的延迟设置是系统优化的主要技术之一。大多数情况下，我们需要将两个或以上的信号源设置对齐，以便它们的声场自然的过渡。对齐的过程可以由时间或相位做参照，因此相关术语称作“时间对齐”和“相位对齐”。

它们之间有关联但却是完全不同的概念，它们各自具有特定的应用。判断使用哪种参照来获得相应的解决方案很重要。

时间对齐意味着声源的同步性，例如，它们都在14毫秒（ms）到达。相位对齐意味着相位周期中的位置一致，例如，它们各自以90度的相位矢量值到达。




选择




如何判断该使用哪种对齐方式呢？

当声源匹配并且具有相同的频率范围（例如，全频主扩扬声器和同型号的侧场补声扬声器）时，时间对齐最适用。当声源是不同的频率范围时，如主PA 和超低频扬声器，则需要进行相位对齐。

当不同的声源具有相同的频率范围时，可能需要同时进行时间和相位校准，例如，主扩声PA、侧场补声系统和小型的延时系统之间。现在让我们深入探究。

我们可以拿接力赛进行类比。第一个起跑者对应一个起点。比赛从发令枪开始，这是所有声源之间的时间对齐基准。如果跑步者以相同的速度行进，他们都是相位对齐的（他们在跑道上的位置）和时间对齐的（他们与起点的距离相同）。如果一个跑步者跑得比另一个更快，那么相位和时间都会失去一致性。如果差异达到一圈，则相位再次对齐，但时间不对齐。

这一场接力赛，每队的第一名选手必须将接力棒交给第二名。因此，团队中的两名选手必须相位一致，才能进行切换。第二个跑步者在指定的会合点（相位）与第一个跑步者交棒。每一次交接都是接力棒与团队另一名成员的“交叉”。

三通道音响系统就像一场接力赛，高音扬声器、中音扬声器和超低音扬声器在跑道接力。它们必须在每次交叉时相位对齐。




术语




让我们通过一些相位术语来标准化讨论，比如：相移、相位延迟、相位偏移和相位对准。相移是频率相关的延迟，用度来量化，相位延迟以毫秒量化，相位对准是在特定频率和位置进行相位匹配的过程。

比如滤波器衰减振幅，使得相位响应在1 kHz时变成90度，即90度的相移或0.25毫秒的相位延迟。同样的情况也适用于低频滞后于高频的扬声器（99.9%的扬声器）。一个扬声器在1kHz时有90度的相移，而另一个扬声器没有，则它们有90度或1/4波长的相位偏移（差值）。

时间偏移更容易理解，因为它与频率无关。然而，时间偏移会导致相位偏移，偏移多少则取决于频率。1ms的时间偏移会在10kHz时产生3600度的相位偏移，在1kHz时产生360度，在100Hz时产生36度。




应用




延迟与频率无关，因此是固定的时间偏移。解决方案是通过延迟较早的信号来进行时间对齐。

声源通过空气传播的时间就是“声学延迟”。来自不同声学路径长度的两个扬声器具有延迟偏移，可以通过时间对齐来补偿。

当扬声器在相同频率上有不同的相位响应时，则需要相位对齐发挥作用。

声源用不同的滤波器可能会导致相位偏移，最简单的方法是首先匹配振幅响应，这可以减少或消除相位差。

时间对齐就很简单直接。可以使用现代分析仪的脉冲响应，直接读取时间偏移。




研究目标




现在让我们来谈谈扬声器的严峻现实。它们有很多相移和相位延迟。一个高质量的有源扬声器可以将500 Hz以上的频率保持在±60度的相移范围内（相位延迟小于1 ms）。到100Hz时，可能有预期5ms的相位延迟，尤其低于该频率时，这一数据会快速增加。

这很重要，因为在低频范围内，扬声器不能被表征为具有单一到达时间。它的到达时间跨度非常大。例如，一个低至70 Hz的双通道系统在低频可能有10至15 ms的相位延迟（图1）。


图1：全频扬声器的相位延迟示例。

30 Hz至100 Hz的超低音扬声器通常在其上限和下限之间有超过30 ms的相位延迟，其间具有连续的数值范围（图2）。当我们说低频能量在100ms到达某个位置时，其实是在自欺欺人，因为它实际上是在误差30ms范围内到达的。


图2：超低音扬声器的相位延迟示例。

相比之下，主扩在到达时间上有着广泛的一致性，误差基本都在0.5毫秒以内（至少好的扬声器是这样）。这就是为什么你会在仪器上看到美丽的脉冲峰值。而我们无法对斜率因子为30ms的波进行时间校准——你的分析仪很难找到超低频扬声器上的脉冲。

低频相位延迟累积的原因是电声机制和滤波器的复杂组合，几乎在任何扬声器上都可以观察到这种趋势。因此，我们的主阵列会在低频部分产生相移（相位延迟）。

兼容型号的扬声器具有相同的相位延迟，这意味着它们没有相位偏移（因此没有时间偏移）。这种配对本质上是相位兼容的。它们之间的任何相位偏移都必须是时间偏移的结果，并且可以通过时间对齐来弥补（图3）。


图3：相位兼容和不兼容扬声器的示例。

2通道和3通道系统之间的结合是典型的相位兼容性挑战。全通滤波器是用于不兼容扬声器相位对准的典型工具。不同的扬声器型号可能会在频率上以不同的速率累积相移。

这就像接力赛，一队比另一队跑得快。如果相位偏移量很小，我们会将它们分类为“相位兼容”，这意味着时间对齐仍然是一种适用的工具。如果偏移量很大，那么我们需要同时使用时间对齐和相位对齐（以减少不兼容区域中的相位偏移）。




过程




我们可以将全频扬声器与全频扬声器时间对齐，也可以将超低频扬声器与超低频扬声器进行时间对齐，因为每对扬声器都覆盖相同的频率范围。但当我们想要将主PA与超低频相匹配时，相位对齐才是首要的。

我们如何将主PA衔接到低频扬声器？这类似一种串联连接。将主PA的后部连接到超低频扬声器的前部。两者之间的耦合处需要相位对齐。

同样的原理适用于双通道扬声器中高频驱动器和低频驱动器之间的频率交叉，不过这一过程现在主要由制造商处理。

那我们自己该怎么做？很简单。时间对齐过程分三步：首先使用脉冲响应，因为它可以用时间单位进行读数。接着观察A和B单独的脉冲读数，谁先到就给谁加延迟。

然后查看频率响应，验证是否发生了最大叠加。这里的一个小技巧是观察最高频率范围，以最小的允许增量（例如，0.01ms）向上或向下调试延迟，看看哪个位置能提供最佳的叠加效果。

相位对齐遵循相同的步骤，但我们应使用相位响应而不是脉冲。先看A的图像，然后看B的图像，在靠前的图像上增加延迟，直到相位匹配（图4）。在只能使用较小延迟量的情况下，可以考虑极性反转。


图4：主扬声器和低音扬声器的相位对齐示例。

有许多方法可以使混合在一起的声源对齐。所有这些方法都会影响相位和时间。了解哪种对齐方式最适合特定应用场景非常有必要。例如，100Hz的交叉频率可以通过给超低频加上7ms延迟，或者极性反转后加2ms延迟进行相位对准。后一种方法使频谱上的总时间扩展最小化。