巴特沃斯滤波器在高保真音响系统中的应用

陶有军

（西安理工大学 高等技术学院，陕西 西安 710082）

人们的生活离不开音乐，音响系统则是重放音乐信号最常用的设备，因为大功率全频带的扬声器很昂贵，所以音频信号都要通过分频器分为高低不同的成分，分别送到不同频带的扬声器去还原。分频器有后级功率分频和前级电子分频之区别。功率分频因为成本低，效果好而被人们广泛接受。电子分频虽然成本高，但因其音质更佳也有一定的市场。目前，解决前级电子2分频、3分频电路的幅频特性、相频特性的问题，发烧友们在打造音响系统时各有其道，但真正经过细化研究、可以照章索取的资料好像很是有限。

1 巴特沃斯高、低音2阶2分频器

前级电子分频电路不仅要把音乐信号从幅度上分为高、低两个频段，而且要保证从高通和低通滤波器中通过的同频率信号，它们的相位必须保持一致，否则就产生了相位失真，在高保真音响技术中，这是不允许的。

笔者经过理论仿真与实物制作发现，严格按巴特沃斯滤波器参数设计的2分频2阶滤波器，只要将其中一路的信号倒相，就能够严格满足上述要求，而且巴特沃斯2阶滤波器的幅频特性非常平坦，性能自然优异。但美中不足是它的衰减特性是40 dB/sec，重叠部分比较宽。图1所示电路A点之前为高低频提升电路，B点之后是按巴特沃斯滤波器参数设计的1 kHz为分频点的2分频2阶滤波器。由于分频点附近两个通道里都有1 kHz左右的信号，且衰减缓慢，造成叠加后中音频率带明显提升。以仿真实验为例，在图1的电路中，去掉高低频提升电路，也就是将电路中A、B两点之间断开，将信号源直接加在分频器输入端B点，取80 Hz，800 Hz，10 000 Hz 3个典型频率作为输入进行测试，图2所示为80 Hz、10 000 Hz信号输出振幅均为1.75 V时，分频点附近800 Hz信号在两个通道里的输出波形，显然其振幅大约为2.5 V（1.5 V+1 V）。因为人的听觉对于中音的失真最为敏感，所以中音带相对提升对改善音质不利。

图1 1 kHz为分频点的2阶滤波器Fig.1 1 kHz frequency division 2 order filter

图2 800 Hz信号通过2分频器后的波形Fig.2 800 Hz signal after the frequency divider by 2 waveform

以上波形虽然为仿真结果，经实物电路验证结果基本一致。为弥补中音频率带明显提升这一缺陷，如图1所示可以在分频器之前加一个高低音补偿电路，电路的元器件参数要反复设计与仿真，力求整体系统的幅频特性平坦。仿真结果如图3所示，当80 Hz，10 000 Hz信号输出振幅均为1.75 V时，分频点附近800 Hz信号在两个通道里输出波形的振幅相加也大约为1.75 V（1.0 V+0.7 V）左右。在全音频范围内测试其幅频特性，发现在高、中、低3个区域内几近平坦。经过实物试听，总体音质非常好，高音纤细透亮，中音明亮柔和，低音浑厚饱满。当然这也需要高性能的后级功放作支撑。

图3 800 Hz信号通过2分频器后的波形Fig.3 800 Hz signal after the frequency divider by 2 waveform

2 巴特沃斯高、中、低2阶3分频器

高保真前级电子分频器的难点在于，完成幅度分频的同时，要保证分频点附近不同的通道中同一信号的相位必须一致。在两分频电路中这一点不难做到，但是在三分频电路中就不一样了，必须附加相位校正电路。假如选定两个分频点分别是800 Hz和4 000 Hz，第一种设计思路是分别设计800 Hz的低通滤波器、4 000 Hz的高通滤波器及800～4 000 Hz的带通滤波器，这样设计的结果是分频点附近高、中、低3个通道中同一信号的相位相互不同，除非以其中一个通道为基准，其它两个通道加上合适的相位校正电路，这样做难度很大。图4就是基于上述思路设计的电路，图5则是分频点附近3个通道里输出1 200 Hz时的仿真波形，显然它们的相位互不相同，补偿困难。

图4 第一种三分频电路Fig.4 The first three points frequency circuit

图5 1 200 Hz通过3个通道后的波形Fig.5 Waveform after 1 200 Hz through three channels

第二种设计思路是先将整个频段以800 Hz为准分为高、低两个频段，再将高频段以4 000 Hz为分频点分为中、高两个频段，如此一来，后两个通道在频率重叠区的信号不会发生相位失真，只要在低通滤波器后面加上一个合适的相位校正电路，其频率重叠区信号相位失真情况就会得到明显改善。图6所示为基于第二种思路设计的滤波器电路，元件R17、C12、R19、C14是针对低音通道附加的相位校正电路。图 7 所示为去掉相位校正电路时，1 200 Hz信号经过三个通道后的仿真波形，显然其中两个波形的相位是一致的，只要想办法补偿低频通道的信号就可以了。

加上相位校正电路后，重新测试发现，在3个通道的频率重叠区域基本消除相位失真。图8所示为1 200 Hz信号分别经过高、中、低三通道后的仿真波形。在重叠区的其它频率点上测试，效果基本相同。

图6 第二种三分频电路Fig.6 The second three points frequency circuit

图7 1 200 Hz信号通过三个通道后的波形Fig.7 Waveform after 1 200 Hz through three channels

3 结束语

图8 1 200 Hz信号通过3个通道后的波形Fig.8 Waveform after 1 200 Hz through three channels

高保真音响系统中的分频器，在进行幅度分频的同时要保证相位不会产生失真，巴特沃斯滤波器就是首选的电路之一，但是为提高音质，针对不同的分频器还需要做一些改进。比如改善信号幅频特性的高低音提升电路，改变相频特性的相位校正电路等。通过这些措施，力求音频信号从信号源到扬声器之间的通道中既不产生幅度失真也不产生相位失真，这样的音响系统才真正接近高保真。

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