音频使用PWM,背后的原理是什么?

电器工程 声音的 脉宽调制 pcm
2022-01-15 20:49:14

我看过一个 PIC 板的示意图,它使用滤波后的 PWM 向音频插孔提供音频输出信号。它显示了使用 3 级无源 RC 滤波器和 LM386 级滤波的 PWM 输出。我有以下问题:

  1. 通常,一个音频信号会同时将多个频率相加。PWM 是如何做到这一点的?
  2. 音频质量是否与使用带有 DAC、滤波器和放大器的 PCM 一样好?
  3. 既然这种技术看起来很方便,为什么不是所有的音频设备都使用它来节省金钱和成本,包括计算机中的声卡?
2个回答

通常,一个音频信号会同时将多个频率相加。PWM 是如何做到这一点的?

包含多个频率频谱的音频信号仍然只是可以由 ADC 采样并由 DAC 重新创建的音频信号。如果使用的采样率高于最高音频频率的两倍,那么一切都很好。使用 PWM 技术的 DAC 也不例外。在 PWM 波形的任何一个周期中,标记与空间的比率必须准确地“表示”瞬时模拟信号,并且单个 PWM 周期的时间必须短于最高音频信号周期的一半:-

在此处输入图像描述

以上是使用 PWM 的 3 个 DC 电平的简单表示。显然,如果 PWM 频率“高”,那么这三个电平可以被视为复杂交流波形的一部分。希望您能看到,准确控制 PWM 标记空间比对于获得低音频失真非常重要。

音频质量是否与使用带有 DAC、滤波器和放大器的 PCM 一样好?

传统上没有,但它正在变得更好。

既然这种技术看起来很方便,为什么不是所有的音频设备都使用它来节省金钱和成本,包括计算机中的声卡?

控制 PWM 比率精度很难获得真正好的高保真音质,而 D 类放大器的电源抑制仍然是一个相当困难的挑战。参见上面的嵌入图片——如果 5V 电源轨加倍,那么增益也会加倍——现在想象一下,不是它简单地加倍,而是在该轨上有大量糟糕的噪声——这将直接调制你的音频信号并产生一些非常明显的效果。

带 DAC、滤波器和放大器的 PCM

这取决于您的 DAC 是如何在内部构建的。大多数声卡 DAC 将使用 sigma-delta 调制,它类似于 PWM,因为它是通过滤波器高速打开和关闭的一位信号,但使用更智能的算法来确保正确的输出电平和转换速率。

这个示例声卡编解码器数据表在第一页上有一个很好的图表。在此处输入图像描述

如果您的 PWM 足够快,您可以从纯 PWM 中获得相当不错的声音。它的 PWM 频率需要远高于您想要的最高音频频率,进入 MHz 区域。

请参见将 PWM 转换为模拟信号