Аудио с использованием ШИМ, каков принцип этого?

13

Я видел схему платы PIC, которая использует отфильтрованный ШИМ для подачи выходного аудиосигнала на аудиоразъем. Он показывает выходной сигнал ШИМ, отфильтрованный с использованием 3 ступеней пассивного RC-фильтра, за которым следует каскад LM386. У меня есть следующие вопросы:

  1. Обычно звуковой сигнал имеет несколько частот, суммируемых одновременно. Как это делает ШИМ?
  2. Является ли качество звука таким же хорошим, как при использовании PCM с ЦАП, фильтром и усилителем?
  3. Поскольку этот метод выглядит и очень удобен, почему не все аудиоустройства используют его для экономии денег и затрат, включая звуковые карты в компьютерах?
quantum231
источник
6
Возможно, вы захотите прочитать статью в Википедии об усилителях класса D
PlasmaHH
4
Если вы используете lm386 в качестве усилителя, то качество звука будет плохим, независимо от того
JIm Dearden
Для прямоугольной системы с непостоянной частотой ищите дельта-сигма или сигма-дельта модуляцию. Он работает для АЦП и ЦАП и может быть почти полностью цифровой системой для реализации ЦАП.
user2943160
1
1A) Как один аналоговый сигнал может содержать несколько частот, суммируемых одновременно? 1B) Как ШИМ может приблизить один аналоговый сигнал?
user253751

Ответы:

16

Обычно звуковой сигнал имеет несколько частот, суммируемых одновременно. Как это делает ШИМ?

Аудиосигнал, который содержит спектр множества частот, по-прежнему является всего лишь аудиосигналом, который может быть дискретизирован с помощью АЦП и воссоздан ЦАП. При условии, что используемая частота дискретизации выше, чем вдвое самая высокая частота звука, тогда все хорошо. ЦАП, который использует методы ШИМ, ничем не отличается. В любом одном цикле сигнала ШИМ отношение метки к пространству должно точно «представлять» мгновенный аналоговый сигнал, и один цикл ШИМ должен быть короче во времени, чем половина периода самого высокого аудиосигнала: -

введите описание изображения здесь

Выше представлено простое представление 3 уровней постоянного тока с использованием ШИМ. Ясно, что если частота ШИМ «высокая», эти три уровня можно рассматривать как часть сложной формы сигнала переменного тока. Надеемся, что вы видите, что точное управление отношением пространств меток ШИМ действительно имеет фундаментальное значение для получения низких искажений звука.

Является ли качество звука таким же хорошим, как при использовании PCM с ЦАП, фильтром и усилителем?

Традиционно нет, но становится все лучше.

Поскольку этот метод выглядит и очень удобен, почему не все аудиоустройства используют его для экономии денег и затрат, включая звуковые карты в компьютерах?

Контролировать точность отношения PWM довольно сложно, чтобы получить действительно хорошее качество Hi-Fi, а с усилителями класса D отказ от источника питания все еще остается довольно сложной задачей. См. Встроенное изображение выше - если 5-вольтовая силовая шина удваивается, тогда усиление также удваивается - теперь представьте, что вместо того, чтобы просто удвоить, у вас был дерьмовый шум на этой шине - это напрямую модулировало бы ваш аудиосигнал и создавало бы очень заметный последствия.

Энди ака
источник
Рабочий цикл контролирует амплитуду и мгновенную частоту ШИМ, равную мгновенной частоте сигнала, верно?
Quant231
Частота переключения ШИМ ДОЛЖНА быть выше, чем в два раза, максимальной частоты звука, присутствующей во избежание алиасинга (согласно выборке частоты Найквиста ): en.wikipedia.org/wiki/Nyquist_rate и en.wikipedia.org/wiki/Aliasing and cs.cf.ac. Великобритания / Дэйв / Мультимедиа / node149.html
Энди
«мгновенная частота» не имеет смысла. Выходная модуляция ШИМ осуществляется с помощью фиксированной очень высокой частоты ШИМ и изменения коэффициента заполнения, чтобы соответствовать желаемому уровню аналогового выхода в каждый период времени выборки.
pjc50
Итак, как быстро мы изменяем рабочий цикл фиксированной частоты ШИМ, должны генерировать сигнал с амплитудой, которая изменяется пропорционально, и, таким образом, конечная составляющая частоты сигнала контролируется тем, насколько быстро мы меняем рабочий цикл сигнала ШИМ? КЛАССНО!!!
Quant231
1
@vaxquis Я не согласен. Любой один цикл ШИМ может иметь отношение пространств меток к любой глубине точности, на которую он рассчитан, независимо от скорости аналогового сигнала. Это похоже на обычный ЦАП - сигнал может иметь разреженную дискретизацию, но битовая глубина (иначе говоря, разрешение рабочего цикла) не изменяется. Может быть, вы не очень хорошо объяснили себя?
Энди ака
7

PCM с ЦАП, фильтром и усилителем

Это зависит от того, как ваш ЦАП построен внутри. Большинство ЦАП звуковых карт будут использовать сигма-дельта-модуляцию, которая напоминает ШИМ в том смысле, что это однобитовый сигнал, включаемый и выключаемый с высокой скоростью через фильтр, но использующий более умный алгоритм для обеспечения правильного уровня выходного сигнала и скорости нарастания.

В этом примере таблица кодеков звуковой карты имеет хорошую диаграмму на первой странице.введите описание изображения здесь

Вы можете получить вполне приличный звук из чистого ШИМ, если ваш ШИМ достаточно быстрый. Частота ШИМ должна быть намного выше, чем самая высокая частота звука, которую вы хотите, в области МГц.

См. Преобразование ШИМ в аналоговый сигнал.

pjc50
источник
Рабочий цикл ШИМ прямо пропорционален амплитуде сигнала, как отображается частота звукового сигнала?
Quant231
Да, рабочий цикл ШИМ дает вам уровень сигнала, поэтому, если вы рассматриваете каждый период 1/40000 как «выборку» и настраиваете уровень ШИМ с такой скоростью, вы можете притвориться, что вы выводите аналоговый уровень в каждый момент времени. Опять же, частота ШИМ должна быть намного выше, чем частота аудиосэмплов для воспроизведения.
pjc50
@ квант231: на мгновение забудем ШИМ и рассмотрим цифровое кодирование, где 1 означает увеличение напряжения, а 0 - снижение напряжения. Легко представить рисование произвольной формы волны, соединив вместе 1 и 0. Это не будет точным, но достаточно хорошим. Он будет отстой для абсолютного молчания, поскольку он не может действительно кодировать «без изменения напряжения», но хорошо работает с большинством звуковых сигналов.
Slebetman
@slebetman Чем вы описываете DSD / Pulse Density Modulation? Он использует ничего, но 0 (без вывода) и 1 (полный вывод), но качество на уровне CD требует мегабит (множественное число) пропускной способности. Если вы думали, что PWM требует очень высокой частоты дискретизации, чтобы приблизиться к традиционному 16-битному PCM, это займет еще больше.
Meower68
@ Meower68 Я описываю дельта-кодирование. Более простая форма дифференциального кодирования из дельта-сигма-кодирования, используемого в DSD. Да, в основном я описываю DSD. Но ШИМ в сочетании с конденсатором работает так же. ОП спрашивает, как период ШИМ преобразуется в напряжение - я просто описываю механизм, стоящий за ним. Технически DSD немного отличается от чисто ШИМ-кодирования
slebetman