现在人们经常会听到或见到冠以DSP字样的产品,在不同的产品中DSP有不同的解释。一种是Digital Signal Processor编写是DSP,译成数字信号处理器,数字信号处理器是一种能够按程序高速运算的微处理器。它为信号实时处理提供了极大的方便,彻底改变了信号处理的面貌。目前,世界上有许多公司生产DSP芯片,并广泛应用于语言、图像、通信、航天制导、仪表仪器等。另一种是Digital Sound-field Processing,缩写也是DSP,译成数字声场处理器。数字声场处理器是用数字信号处理器实现的,主要是用数学演算的方法来模拟环境特性以创造出不同的空间感,让听者在家里也能听到指定声场中所产生的三维立体声,有如身临其境的感觉。数字声场处理器是数字信号处理器在音响中应用的一个例子。
一、声场再现及理想的环绕声
音响设备的主要目的是要高保真地重视出现场原有的气氛。由最初的单声道,发展成双声道立体声。这是由于用立体声方式可以更具临场感,所谓的临场感当然是指现场的立体感而言。不过双声道立体声也有让人感到不足之处,例如,仅使用处于正面的扬声器,声源总是在聆听者的前边,不能重现出现场的后半部。人们在试验中发现:通过增加系统录音与放音的路数,即增加扬声器的数量,能明显地提高声音的立体感。实验告诉我们立体感(S)与传输录放音的路数(N)的关系如图1所示。

从图1中可看出,两路立体声放音的立体感只有60%,这就与人们追求的逼真音响效果有相当距离。在实际生活中,很多声源环境往往是360度的,如音乐厅(hall)、体育场(stadium)、城镇街道(on the town)、迪斯科舞厅(disco)、俱乐部(club)等。现在就以音乐厅为例来说明这一问题吧,如图2所示,这是一个音乐厅的简图。

听众听到的声音是从各个方向传来的,其中有直达声、墙壁和天棚的反射声。如果想要准确地重放出所有的声音,就必须使用无限多个小扬声器。把它们布满整个三维的空间,而且每个扬声器还要再加上一个能反映该点特性的处理器才能达到理想境界,显而易见,这是不现实的。怎样使音响设备能够高保真地再现出现场演奏的声响,这是许多工程师一直在努力追求的目标。
科学技术的发展是不会永远停留在一个水平上的。如果只是为了产生音场感,也可以不必大动干戈。当前通用的方法是找出几个最有效的点,将声场中几处的声反射特性和声频率响应特性编成程序运用数字信号处理器与原信号进行运算即可。
二、利用数字声场处理器的声场重放
声场重放的关键是要高保真地重现出现场的音响效果,为此最重要的是对现场反射声特性和频率响应特性的处理,这就要对反射声特性和声频率响应特性加以分析。
实践证明,同一声源在不同的空间中发声,听起来会有不同的“风味”,这是由于不同的空间有不同的声反射特性和声频率响应特性所致,图3所示的是某个封闭空间的声反射特性。

结合图2和图3可看出,首先到达人耳的是声源的直达声,直达声可以看作是声源到听者的直线距离,其路程最短。经过少许时间后出现室内墙壁物品的一次反射声,方向较为明确,时间间隔也较长。这段时间大约是20ms至150ms,随着时间的推移,反射声经过多次反射以后,便会逐渐变弱。从逐渐变弱到反射声几乎消失的这段时间称为混响时间。封闭空间越大,声音从某一墙壁传到另一墙壁所需的时间也越长。空间大小不同,形状不同,反射声的强度、间隔、混响时间及声渐变的方式也不同,听起来“风味”就不同。
在工程实际应用上,采用一种叫做“单点四传声法”(single point quad miking)的方法来采集各种场所的声场数据。这种方法是以聆听者的位置为中心,测定前后4点互为90度的反射声和混响声等数据。再用计算机软件对数据进行分析,归纳为有关参数,并且经过数字化处理,把各个场所的声场数据和操作软件存储在DSP集成电路内部。重放时,输入的音频模拟信号经A/D变换后输入DSP器件,DSP器件按用户选定的模式调出相应的声场数据和操作软件来对信号进行处理,再经D/A变换。还原成音频模拟信号,并由功放放大后去驱动4只环绕声音箱把原发声场重现出来。听众坐在家里也能听到指定场所中产生的三维环绕声,犹如身临其境。
数字信号处理器在音响中的应用不单只是用于声场处理。如MOTOROLA公司最近推出的DSP56004/56007/56009/系列音频数字信号处理器,它可以用于各种数字音频系统,如:数字均衡,杜比prologic环绕声解码,杜比AC-3环绕声解码,声场效果处理,音调音量平衡控制,响度补偿,数字滤波,扬声器低音扩展等等。与传统模拟处理控制电路相比,用数字信号处理器作处理控制的过程中,不会产生新的残余噪音,信噪比不会发生恶化,不会产生附加相移,不会造成分离度下降,与其它数字控制系统联接方便等优点。
随着数字电路技术的发展,我们将会在日常生活中接触到更多的数字信号处理器(DSP)。 (黄瑞哲)