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2017年9月22日 (金)

チャンネルデバイダーの特性比較 / デジタル vs アナログ・チャンデバ

測定とシミュレーションで、デジタルチャンネルデバイダーとアナログチャンネルデバイダーの周波数特性・位相特性を比較

■FIRフィルター

石川高専山田洋士研究室ホームページの窓関数法を利用させていただき、

http://dsp.jpn.org/dfdesign/fir/mado.shtml

500HzのHpフィルターとLpフィルターを設計。miniDSP Open DRC-DA にインポートしてREWで測定。

500Hz-LowPassFilter

3500hzlp800w707h

垂直に近い遮断まで可能なこと、位相をフラットにできること、の2点がFIRフィルターの強みです。

加えて rePhase などを利用すればSPユニット固有の周波数特性の凸凹や位相特性の凸凹までフラットに補正することができる。

(グラフ右半分は位相の乱れのように見えるが、入力が遮断されて位相不明を表している)

Img_p081

500Hz-HiPassFilter

2500hzhp800w707h

Img_p081

(500Hz-LowPassFilter) + (500Hz-HiPassFilter)

5500flat800w707h

HpとLpを加算すると周波数特性フラット、位相特性もフラット。SPユニットに特性の乱れがあれば総合特性は乱れを示すが、rePhase などで周波数特性・位相特性のフラット補正が可能。

FIRフィルターは自作SPシステムを作るのに簡単で快適なツールです。後述のアナログフィルターのように位相干渉による周波数特性の凸凹に悩まされることがない。

■アナログフィルター

リニアテクノロジー社の LTspice を使ってバタワース特性のアナログ・チャンネル・デバイダーの周波数特性と位相特性をシミュレーション。

6dB/oct~24dB/oct をグラフ化したが、Hp+Lp の周波数特性がフラットになるのはHpとLpの位相差が全体域に渡って一定である 6dB/oct と 12dB/oct のみであった。

バタワース特性 http://www.nfcorp.co.jp/techinfo/dictionary/025.html

500Hz/Lp6dB + Hp6dB

201500hz_6db

FIR フィルターとの明確な相違点は周波数特性の変化に伴い位相が必ず変化する点です。

緑のラインが Hpフィルターの表示で、500Hz以下の遮断に連動して位相の周波数特性が 0°~90°の範囲で遷移し、クロスポイントの 500Hz の位相が +45°。

黒のラインがLpで、500Hz以上の遮断に連動して位相の周波数特性が 0°~ -90°の範囲で遷移し、クロスポイントの 500Hz の位相が -45°。

HpとLpを加算した赤のラインは周波数特性フラット、位相特性もフラットと表示されるが、クロスポイントではツイーターの位相がウーファより90°進んでいる。

500Hz の 90°を時間と音速の距離に換算すると

時間 : (1sec ÷ 500) x (90°÷ 360°) = 0.5msec

距離 : 344m x (0.5msec ÷ 1000msec) = 0.172m = 17.2cm

例えばフルレンジの同一ユニットを4個用意して2Way のSPシステムを組むと、500Hz の音は 1000分の0.5秒ずれた音が二つ存在することを意味する。

Hp 側のユニットを17.2cm 後ろに下げてクロスポイントのタイミングを合わせるか、Hi と Lo を同じ面に並べて発音タイミングの平均値を合わせるかの選択を迫られることになる。

FIR フィルターでチャンネルデバイダーを構成すればこの悩みから解放されます。

Img_p081

500Hz/Lp6dB + Hp6dB(Reverse Phase)

201500hz_6db_2

Img_p081

以下、12dB/oct ~ 24dB/oct のシミュレーション結果です。

500Hz/Lp12dB + Hp12dB

201500hz_12db_3

Img_p081

500Hz/Lp12dB + Hp12dB(Reverse Phase)

201500hz_12db_2

Img_p081

500Hz/Lp18dB + Hp18dB

201500hz_18db_4

Img_p081

500Hz/Lp18dB + Hp18dB(Reverse Phase)

201500hz_18db_2

Img_p081

500Hz/Lp24dB + Hp24dB

201500hz_24db

Img_p081

500Hz/Lp24dB + Hp24dB(Reverse Phase)

201500hz_24db_2

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