一個音響愛好者會不斷的以各種方式來改進他的音響系統,使得音響系統所發出的聲音能更真實。因此音響家族中的訊號延遲系統或稱為「空間擴展器」(room expanders)一直吸引大家的注意。訊號延遲系統的目的是企圖使一般家庭的聆聽室產生一種類似大音樂廳的音像。在這一系列的文章中我們將介紹兩種不同方式的延遲系統,這兩種都可由喜歡自己裝的音響迷花很少的代價做好。本文是屬於類比式的,以後我們還會介紹數位式的方式。

  類比系統使用了「接龍」(Bucket-Brigade)的裝置,所以可以調整延遲的時間及具有較寬的動態範圍(註:Bucket-Brigade原意為救火時排成長龍以傳水桶的那一隊人,在此暫譯「接龍」)。

  本文所述的類比式延遲使用了高性能的「接龍」(BBD)類比移址,及2:1的壓縮──擴展系統,盡量保持輸入訊號的動態範圍。根據設計,這個延遲系統的時間範圍從5至68毫秒內可調。頻率響應從30到12000Hz,輸出訊號雜音比在5毫秒延遲時為-91.5dBm「A加權」。暫態失真在10KH時是1%。整組套件包括電源、機箱總價約250美金。

延遲及迴響

  一個音樂廳及典型的聆聽室最大的差別就在於迴響時間的不同,迴響時間可以定義為在一個穩定的音場中音源所發生的聲音衰減-60分貝所需的時間,房間的大小及裝飾的材料都會影響迴響時間。由於聲速在不變的氣壓下幾乎等於定值(每毫秒1呎或0.3公尺),所以聲波在大房間傳遞的過程中被天花板、地板、牆壁吸收的機會比在聆聽室中小。

  當我們在具有反射的房間中聽音樂的時候,我們都會接收一系列的聲波。首先是由聲源發出的直接波,經過一段短暫的時間後反射波也跟著到達,人耳藉著這兩束聲波到達時間的間隔來決定房間的大小,如果反射波緊跟著直接波而來,那麼這個房間一定很小。相反的較長的間隔及深長的迴響,則告訴我們這是一個大房間。

  對延遲線路而言,其工作的原理是由主聲道中取出訊號,貯存一段時間後,再將訊號送回放大器由喇叭輸出。主聲道所驅動的喇叭放在聽者的前方,延遲後的訊號所驅動的喇叭則置於旁邊或後方,這樣做的目的是要在房間內產生音樂廳的迴響。

訊號的延遲

  能延遲訊號的方法很多,電機式或電子式的都有,但是一般延遲系統不是太昂貴、太複雜,就是太過於龐大而不適合一般家庭中使用。現在我們能在家中使用延遲系統,完全是因為電子技術的突飛猛進。

  高級的迴響合成器,主要都是藉著類比或數位移址(digital shift registers)的方式來延遲訊號。無論是哪一種方法,音頻訊號以一定的頻率來取樣,取樣後的資料暫存於位址中一段時間。這些取樣訊號依序移位,最後連接到將取樣訊號重建為原來波形的線路。

  類比式及數位式的不同,就在於對訊號取樣、貯存及重建的方式不同。

  在類比系統中,首先對輸入訊號取樣,然後將取樣訊號的瞬間振幅再送入類比移址的輸入端。接下來的過程就依賴類比移址的種類來決定了。

  如果位址是屬於「接龍」裝置。取樣訊號對輸入電容充電。然後藉著電壓控制的開關(一個由雙相時閘控制的FET)將電荷送入一長列串聯電容中的第一個;接下來新的取樣訊號再被送至輸入電容,而原先在第一個電容中的電荷就送至第二個電容;如果輸入電容再度收到一個訊號,那麼原來在第二個電容中的訊號送至第三個電容,在第一個電容中的訊號送入第二個電容,而輸入電容的訊號則送入第一個電容,然後依序進行。

  這個過程繼續的進行於是輸入訊號的類比取樣就延著「接龍」裝置一路將電荷沿著電容傳遞下去。在最後一個位址的後面,一個低通濾波器將傳送來的取樣訊號積分而再生為原來的波形。

  另一種方式的類比移址是「電荷耦合」(charge-coupled-device)裝置。它的工作原理與「接龍」相同,但是在貯存與傳送的過程中有所不同。它使用電荷耦合的方式來傳送電荷。電荷耦合(CCD)並不使用實際的電容,而利用MOSFET頻道(channel)的等效電容來貯存電荷。

  在電荷耦合裝置中每一個MOS元件都非常的接近,所以貯存在每一個MOS等效電容中的自由電子可以傳送至相臨的MOS元件頻道的等效電容中。電荷的轉移由安置在MOS開關上的多相時閘來控制。

  在電荷耦合的方式裡,輸入訊號的類比取樣貯存在MOS的頻道內。由於頻道的面積都很小僅數個平方毫米而已,所以貯存的電荷也很少從10(!)到10²個左右。

  在類比延遲系統中,延遲的時間長短主要是根據取樣訊號在位址中移動的速率及貯存位址的多寡來決定。現今的積體電路技術已能在一個「接龍」或電荷耦合的線路中製出上百至上千個以上的貯存位址,而提供100毫秒以上的延遲,這已超過一般迴響的時間了。

  時閘的頻率越高,延遲的時間越短,訊號的失真也小。延遲的時間越長,則高頻的損失越多,動態範圍也越小。新型的IC卻能突破這種限制提供良好的效果。

  例如我們將要提到的Retion SAD-4096有2048個貯存位址,時閘的頻率從8KHz到2MHz延遲的範圍從1毫秒至25毫秒,經補償後能更改善其動態範圍。

  在數字系統中,輸入訊號也以適當的頻率取樣,然後每一個取樣訊號被送入A/D轉換器而將取樣的訊號轉換成依序列的數字元(bits),每一個數字元代表一個取樣訊號然後依設計的方式送至數位移址或RAM。如果是移址方式,那麼每一個字元就沿著移址隨著時閘的控制傳遞至輸出端。如果使用RAM的話,字元就會紀錄在某一個記憶位置,在位置內寄存一段時間,然後在依序從RAM中讀出來。當每一個字元由移址或RAM中讀出來後,就被送入D/A轉換器,再將數位訊號轉換成類比訊號,接著利用一個低通濾波器來整修波形。數位系統的延遲時間根據移址的長度及時閘的頻率或RAM的大小及紀錄在RAM及從RAM中讀出的速率而定。

  另一種設計使用三角調變器(Delta Modulator)。這種方式依然是將輸入訊號連續取樣,並將取樣訊號與前一個取樣訊號比較。而整個線路的輸入或輸出就是處理這種比較的結果,包括了輸入訊號是升高,降低或保持不變,然後這個變化的訊號沿著移址傳送或寫入RAM中。最後在輸出端接上一個解碼器來重建輸入訊號的類比波形。

  數位系統最大的優點是,轉換後的訊號固定,而且不受延遲時間長短的影響。一旦取樣的訊號轉換成數為的型式,那麼無論如何複製訊號都不會發生損失。輸出訊號的音質只受到輸入及輸出的A/D、D/A轉換器的線性特性及動態範圍的影響。數位系統中每一個取樣訊號相對字元的取樣訊號是每字元6分貝,因此一個16字元的線性數位系統提供約96分貝的動態範圍,但是這樣做的代價太大。為了能以最少的字元獲得最好的動態範圍,所以我們改用「非線性」的譯碼系統。

  類比系統可以省略掉複雜的D/A、A/D轉換器,但是延遲的時間越久訊號的衰減就越嚴重。同時由於類比移址屬於特殊及少量的產品,因此價格要比數位系統昂貴。作者本身的看法是延遲時間在100毫秒以下類比系統有比較好的價格/性能比。如果延遲時間超過100毫秒,那麼就應該選擇數位系統。由於在我們這個系統中100毫秒恰好是一個上限,所以我們使用類比系統。

  延遲時間的長短完全依賴設計者希望能有多少時間的迴響。我們可以將延遲系統的輸出訊號再送回至延遲系統的輸入而產生迴響,經過多次的重覆可使得反射訊號的傳播途徑具有不同的長度。在這種系統中,迴響時間可藉著回饋線路的延遲及增益計算出來。例如,回饋線路的增益是-3分貝,延遲是50毫秒,那麼就需要20個循環才能將訊號降至負60分貝,同時迴響時間是一分鐘。

  只要循環迴路的增益小於0,而移址的最大延遲在40~60毫秒之間,就足以產生自然的迴響。如果迴路的增益大於0會使整個系統不穩定。

  延遲系統的頻寬與輸入訊號的取樣頻率有關。雖然一般對放大器頻寬的要求是在20~20K之間要保持平坦,但是延遲系統的頻寬可以窄一點,因為自然的迴響本身就包含了高頻的衰減。

  取樣的理論指出在每一個週期中至少要取樣兩次才能使重建的連續訊號不會產生錯誤,所以取樣頻率必須高於最高的訊號頻率兩倍以上。同時在重建訊號的過程中因線路本身的滑落(roll off)特性,所以在取樣頻率左右的訊號會有3分貝的衰減。

  如果訊號頻率高於取樣頻率的½就會產生拍音。例如22KHz的訊號以40KHz的頻率取樣那麼在18KHz處會有拍音。因此基於以上的理由,取樣頻率須為最高頻率3倍以上。

  圖一是類比延遲系統的方塊圖,代表了整個系統的基本功能。一個電壓控制的振盪器由設定延遲的旋鈕來決定振盪的頻率。這個振盪器驅動一個正反器,於是正反器輸出一個雙向的時閘訊號,這個時閘控制了類比移址內訊號的傳送速度。

  左右兩聲道的訊號送入運算放大器,然後利用狀態選擇來決定使用L+R,或L-R的訊號,將兩聲道合併而產生一個聲道的延遲訊號可以節省金錢並簡化線路。合併後產生的延遲訊號經過放大器,再由一支喇叭發出。

  選擇L+R時,如果訊號很強或具有立體迴響時,所聽到的聲音好像從井底發出來的,在樂手或樂器出現在中央時也會有類似的結果。

  在L-R的狀態時,位於中央的訊號互消,所以不會有L+R的問題發生。此外因為一般對迴響的安排都遠離中央,所以對音質不會有不良的影響。雖然我們沒有辦法將這兩種狀態時的差別敘述的很清楚,但對我自己而言在L-R的狀態時聲音較柔和,音樂的種類及混音的方式都會影響不同狀態時的音色。L-R(或L+R)接著送入了二階主動低通濾波器,期截止頻率是15KHz,這樣可以防止拍音的干擾。在訊號輸入移址之前會經過一個2:1的壓縮器,同時輸入壓縮器的是經過循環迴路的訊號。

  出現在類比移址輸出端的延遲訊號首先要通過一個五階主動低通濾波器後在送入1:2的擴散器,這個濾波器將延遲訊號修整並且抑制訊號中的超音頻時閘訊號。擴展器的輸出一部分再經由循環迴路送入壓縮器內。這個迴路包含了R36,R36是再延遲(Redelay)電位器,其功用是用來調整回饋至壓縮器輸入端的延遲訊號。R37、R38、C4、C28及R36所構成的帶通濾波器使每一次再循環的延遲訊號在高頻及低頻都有衰減。如此對高頻的加速吸收可造成類似自然迴響的高頻衰減,對低頻的衰減可以使聲音聽起來不會太沉悶。

  利用擴散器及壓縮器使得延遲訊號有良好的訊號雜音比。SAD-4096的訊號雜音比在最長的延遲時間是65dBm。在最短的延遲時間是75dBm。使用了壓縮──擴展系統使整個延遲系統在 IHF A加權下訊號雜音比是在5毫秒時-91.5dBm,在100毫秒時是-89dBm。

  輸出訊號的調整是由R39來控制。這個電位器使操作者能將延遲訊號與輸入訊號做適當的混合,從全部延遲到全部不延遲之間可調R41用來調整前後音量的平衡。(待續,取材自POPULAR ELEC. 1980 JULY)

轉載音響技術第80期AUG. 1982 類比式音響延時系統之製作/王超群(取材自POPULAR ELEC. 1980 JULY)

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