快速滚降滤波器：他们是最佳选择吗？
为您的音频设计选择正确的 ADC/DAC 滤波器和采样率
音频模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 中插补和抽取滤波器选项的选择是音频系统设计中经常被误解的一个方面。选择快速滚降滤波器以提供最宽的音频带宽并不总是音质的最佳选择。滤波器选择是关键性能方面的权衡，包括与模拟信号路径设计的交互。听力测试表明，选择最佳脉冲响应的滤波器可以显著提高系统的感知音频质量，特别是在更高的采样率下。
抽取和插值滤波器
现代高性能过采样 ADC 最初将模拟输入转换为低分辨率、高采样率的数字信号。数字“抽取”滤波器以典型的采样率（例如，24 位、96kHz 采样率）将此低分辨率、高采样率数字信号转换为数字音频输出。
同样，高性能过采样音频 DAC 将低分辨率、高采样率信号转换为模拟信号。它们使用数字“内插滤波器”将数字输入信号转换为 delta-sigma DAC 级所需的低分辨率高采样率输入，例如 24 位 96 kHz 采样率。
这些滤波器的特性会对转换器的测量和主观音频性能产生很大影响。滤波器的最佳选择可能取决于应用、外部模拟设计和设计者的偏好。因此，许多 ADC 和 DAC IC 为滤波器提供了多个可选选项。
做出正确的选择
从以下问题开始，以帮助确定最适合您的应用：
- 此产品以什么采样率运行？这限制了要审查的图和规范的范围。以更高的采样率运行在资源上成本很高，但通过放松插值器/抽取滤波器中的权衡，从而从根本上实现更好的音质，从而针对给定的通带宽度和停止带衰减规格实现更好的脉冲响应。
- 产品需要什么扁平通带？除非您的高采样率产品客观地要求对超声波音频进行光谱平坦的复制，否则请考虑将通带规格的上限频率限制为 20 kHz。这将使其他性能方面得到改进，这可以更多地提高产品的音频性能。
- 您的应用是否面临需要更高停止频带衰减以避免由带外信号折叠引起的声带受损的 EMI 挑战？增强模拟设计以更好地过滤带外信号内容，可能允许使用具有较少停止频带衰减的滤波器，这可以改善音频性能，特别是脉冲响应
- 您能否选择具有更好脉冲响应的滤波器？这可以显著改善感知到的音频质量。
考虑到这些针对您的应用的答案，我们可以探索它们如何影响滤波器的选择。
理想的滤波器满足现实世界
理想情况下，抽取或插值滤波器将具有图 1 所示的频率和时域特性。这显示了一个滤波器，其频率响应高达奈奎斯特频率（采样率的一半和采样信号的理论最大带宽），然后所有较高频率完全衰减。时域特性完美：脉冲输入产生一个样本脉冲输出，且无振铃。
图 1：理想抽取/插值滤波器的频率响应和脉冲响应
问题是数字滤波器理论使得这成为不可能。真正的、可实现的数字滤波器是其性能不同方面之间的权衡，增强任何一个方面都会降低其他一个或两个方面的性能。如图 所示2，这些方面包括：
- 通带平坦度和通带频率上限相对于奈奎斯特频率
- 停止带衰减多少，停止带频率下限相对于通带上限
- 脉冲反应中响了多少
图 2：真实抽取滤波器/内插滤波器的频率响应和脉冲响应
通带频率上限和奈奎斯特频率之间的频率范围越宽，这些权衡可能越不严重。因此，对于音频，在出于实际目的，通带的频率上限可以是20kHz的情况下，例如192kHz的较高采样率可以实现更高性能的抽取和内插滤波器。
了解权衡
这些权衡意味着什么？它们如何影响系统的音频质量？通带平整度和程度是最容易理解的。平频响应意味着对声音的真实、高保真色调平衡。人类通常听不到高于 kHz 20 的声音，但如果您的应用需要高保真重现超声波音频，那么您可能需要优先将通带扩展到 kHz 20 以上。
停止频带衰减决定了 ADC 或 DAC 拒绝超过采样率一半的虚假高频内容的程度。这可以防止它混叠到可听通带中，从而降低信号路径的失真性能。这可能具有可听效果，例如削弱清晰度和立体定位。
对于 ADC，可以通过增强输入信号路径上的模拟滤波器设计来降低来自 RF 发射器或开关电源等源的模拟输入信号中的带外含量水平，从而减轻这种情况。这使得能够选择具有较少停止频带衰减的抽取滤波器。相反，如果 ADC 输入容易受到高频干扰，则可能需要具有更多停止频带衰减的滤波器。
对于 DAC，如果模拟输出信号路径具有足够的带宽以在存在带外信号能量的情况下保持线性操作，则可以选择具有较少停止频带衰减的插值滤波器。相反，如果 DAC 输出路径更容易受到带外能量的影响，则应选择具有更多阻带衰减的插值滤波器。
脉冲响应描述了转换器处理瞬变的准确度，尤其是那些具有高频内容的瞬变，例如高音钹或拨弦乐器。人类听力似乎对瞬变的时间质量非常敏感。已经观察到，与具有更多脉冲响应振铃的滤波器相比，选择具有最小脉冲响应振铃的滤波器对于具有音乐内容的即时性和现实性提供了明显的主观印象。
过滤以获得最佳音质
从“带宽听起来更好”的角度来看，查看滤波器响应图并选择具有最大平坦通带的滤波器可能很诱人。但实际上，考虑到高达 20 kHz 的平坦通带，通常通过选择具有最佳脉冲响应的滤波器来获得最佳感知音频质量，并增强模拟设计，以改善对带外内容的滤波和抗扰性。
DAC 和 ADC 具有多种滤波器选项，例如 Cirrus Logic 的高性能专业音频转换器系列，这些转换器针对每个采样率进行了单独优化，可为各种应用提供最佳的脉冲响应。设计人员可以选择多种滤波器选项，显著改善其系统的测量和感知音频质量。
