Digital Crossover ปัจจุบัน เทคโนโลยี Digital เข้ามามีบทบาทมากในการดำเนินชีวิตประจำวัน เพื่อตอบสนองต่อความต้องการของผู้ใช้งาน
ในด้านเครื่องเสียง Digital crossover ก็เข้ามามีบทบาทมากขึ้นในการจีกการระบบเสียง และมักจะไม่มาเดี่ยวๆ จะมี function อื่นๆ เพื่ออำนวยความสะดวกในการจัดการกับระบบ เช่น Equalizer, Limiter, Delay, Compressor ซึ่ง เราเรียกรวมๆกันว่า
Digital Signal Processing (DSP) หรืออาจจะเรียกว่า Loudspeaker management ก็ได้ บางรุ่นสามารถควบคุมโดย Software ในคอมพิวเตอร์ ผ่านการเชื่อมต่อด้วย USB, Serial RS232, RS485, Midi, Ethernet LAN และในปัจจุบัน ในยุคของ Smart phone ใช้นิ้วจิ้มลูกเดียว DSP บางยี่ห้อ ก็ผลิตขึ้นมาเพื่อรองรับ Application ต่างๆ เพื่อให้ผู้ใช้งานเข้าถึงการควบคุมกันง่ายขึ้น บางรุ่น ควบคุม จาก Applicarion ด้วย ระบบ Wireless
แต่หัวใจหลักของ DSP ก็คือ Crossover เพื่อใช้ในการแบ่งย่านความถี่ไปให้กับ ลำโพงแต่ละย่านตามความสามารถของมัน
สำหรับ Digotal filter ใน Digital crossover ก็มี 2 ประเภทได้แก่ Infinite Impulse Response (IIR) filter และ Finite Impulse Response (FIR) filter
IIR filter IIR filter เป็น filter ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายใน Digital crossover หลักการคือ จำลอง Analog filter เช่น Butterworth, Linkwitz-Riley มาใช้เป็นต้นแบบในการสร้าง filter โดยใช้ กระบวนการ Feedback จากสัญญาณOutput บางส่วนกลับเข้ามา เป็นสัญญาณ input เพื่อประมวลผล ดังนั้นการตอบสนองต่อ Impulse หรือสัญญาณ ของ filterชนิดนี้จึงไม่มีทางที่จะเข้าใกล้ศูนย์ได้
ดังนั้น IIR filter จึงมีพฤติกรรมคล้ายกับ Analog filter ที่มีการหน่วงของสัญญาณเมื่อผ่าน filter เกิด phase shift และ Group delay เช่นกัน
สำหรับวงจร Digital ของ IIR filter จะเป็นแบบ biquad ซึ่งใช้ระยะเวลาในการประมวนผลสั้น
block diagram และการทำงานของ IIR filter
แสดง frequency response ของ Equalizer, HPF และ LPF
แสดง Phase response ของ EQ, HPF และ LPF
จากภาพทั้งสอง เมื่อสังเกตจะเห็นว่า ทุกการเปลี่ยนแปลงของ HPF, LPF และ EQ เฟสของสัญญาณจะเลื่อน โดย ทุกๆครั้งที่ Boost EQ มุมเฟสจะเลื่อนมีค่าติดลบมากขึ้น และทุกๆครั้งที่ Cut EQ มุมเฟสจะเลื่อนมาค่าเป็นบวกมากขึ้น แต่ HPF และ LPF มุมเฟสจะเลื่อนติดลบมากขึ้น ดังนั้นเราจึงเรียกลักษณะของระบบที่มีการเลื่อนของมุมเฟสเช่นนี้ว่า
Minimum Phase Systemแสดง frequency response ของ IIR filter L-R 48dB/oct
แสดง Phase response ของ IIR filter L-R 48dB/oct
FIR filterFilter ชนิดนี้ หลักการทำงานคือ ประมวลผลสัญญาณไปข้างหน้าด้วย filter เชิงซ้อนจำนวนมากเพื่อให้ได้การตอบสนองที่สมบูรณ์ สามารถเปลี่ยนแปลง magnitude response โดยที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงของ Phase response (ไม่มีการเลื่อนของเฟส) แต่ก็ต้องใช้ระยะเวลาการประมวลผลของหน่วยประมวลผลมากขึ้นเมื่อต้องการรายละเอียดที่มากขึ้นด้วย
block diagram และการทำงานของ FIR filter
แสดง Frequency response ของ FIR filter 96dB/oct
แสดง Phase response ของ FIR filter 96dB/oct
แสดง Group response ของ FIR filter 96dB/oct
จากกราฟ จะเห็นว่า FIR filter สามารถสร้างความชันได้ถึง 96dB/oct โดยที่ไม่มีการเลื่อนของ Phase เลย จากคุณสมบัติเช่นนี้จึงเรียก FIR filter ว่า
Linear phase crossover การที่สามารถสร้างความชันได้สูงจนแทบจะตั้งฉากได้แบบนี้ คล้ายกับเป็นกำแพงจึงเรียก roll off แบบนี้ว่า
Linear Phase Brickwall และข้อดีของการตัด crossover แบบ brickwall ซึ่งทำให้ย่านความถี่ของ crossover ซ้อนทับกันน้อยมากแทบจะตัดขาดออกจากกัน และ การตอบสนองของเฟสที่ราบเรียบระหว่าง Driver HF และ LF จึงทำให้ เกิดการแทรกสอดของย่านความถี่ระหว่าง ลำโพงทั้งสองน้อยมาก Polar response ของ FIR filter จึงไม่เกิด cancellation
เปรียบเทียบ Polar Pattern ของ IIR filter LR24 ที่ 1kHz(รูปซ้าย) Polar response ของ Linear phase brickwall crossover (รูปขวา)
polar response ของ Linkwitz-Riley crossover
Polar response ใน 3 มิติ ของ IIR และ FIR filter
แต่การได้มาซึ่งความชันที่สูงขนาดนี้ก็ต้องแลกมาด้วย ระยะเวลาของการประมวลผลที่มากขึ้น ซึ่งจากกราฟ Group delay response จะพบว่าเป็น Flat GD response คือทุกความถี่มีความหน่วงเท่าๆกัน (ย่าน Low ไม่หน่วงเหมือน IIR filter) แต่ค่า delay มีค่าถึง 20 ms ยิ่งตัดความถี่ต่ำๆลงไป ต้องใช้ tap delay สูงขึ้นเพื่อให้ได้ resolution ที่ละเอียดของความถี่ต่ำ
ดังนั้นในงาน Live sound อาจจะต้องพิจารณาในการใช้ FIR filter มากขึ้นหน่อย
เปรียบเทียบลักษณะของ IIR และ FIR filter
เปรียบเทียบข้อดีข้อด้อยของ IIR และ FIR filterIIR filter
ข้อดี- มี delay น้อย
- ราคาถูก
ข้อเสีย- มีเฟสเลื่อน ทำให้ polar response มีทั้ง เสริมและหักล้างระหว่างลำโพงย่าน HF และ LF ในย่านความถี่ crossover ที่ซ้อนทับกัน ซึ่งแต่ละความถี่ก็มีระยะ cancellation ต่างกันขึ้นกับ ความยาวคลื่น ถึงแม้ว่าจะทำ Alignmentให้ถูกต้องระหว่าง ลำโพงทั้งสองแล้วก็ตาม
- Group delay ไม่เท่ากัน เสียงย่าน low หรือ เสียงเบส มาช้ากว่าเสียงสูง ใน order ต่ำๆเช่น order 2 หรือ 4 อาจฟังความแตกต่างไม่ได้ แต่ order 8(48dB/oct) อาจได้ยินชัดเจนขึ้น
- เมื่อมีการเปลี่ยนแปลง magnitude ต้องมีการ เลื่อนเฟสเสมอ
FIR filter
ข้อดี- แก้ไข Frequency response ของลำโพงได้ละเอียดละถูกต้อง
- Polar respose ระหว่างลำโพง 2 ย่าน ไม่มีcancellation ช่วยทำให้ Beam foaming ของ ลำโพง Line array มีทิศทางที่ดี
- Generate ความชันที่สูงโดยไม่มี phase shift
- ทุกความถี่มี Group delay เท่าๆกัน
ข้อเสีย-ราคาแพง(มาก)
-มี delay ของระบบ และในการตัดความถี่ต่ำด้วย FIR filter ต้องใช้ Tap delay จำนวนมาก