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發(fā)發(fā)謬論：數(shù)字功放的音質和基頻的關系 |
| 作者：fumac 欄目：技術交流 |
數(shù)字功放的音質和基頻的關系。 以下為版權信息： FUMAC 原創(chuàng)文章版權屬于FUMAC， 歡迎電子媒體免費轉載， 平面媒體請聯(lián)系FUMAC email: fumac1@gmail.com www.class-d.net數(shù)字功放網 轉載請保留以上信息 數(shù)字功放的音質，一直以來被許多人灸病，低音不錯，高音刺耳，實際上是如此：） 我們在開發(fā)產品過程中，也發(fā)現(xiàn)這個問題。 我們回到數(shù)字功放的原理： 音頻信號（20~20K）經過一個PWM的調制，然后通過一個開關功率放大電路，把PWM信號放大，最后通過濾波器，把PWM信號濾除掉，這樣就剩下一個大功率的音頻信號可以直接推動喇叭了。這個調制過程是數(shù)字功放的關鍵。 一般現(xiàn)在流行的幾個數(shù)字功放的方案的PWM頻率都是工作在300K~500K.html">500K范圍，有些低音跑甚至工作在100K以下的頻率。工作頻率越高，越難選擇開關管，開關的速度如果變慢了，容易發(fā)熱，想減輕發(fā)熱，就需要把死區(qū)調大，死區(qū)調大了，就導致失真變大。這個是一個兩難的選擇。于是選用極端快速的開關管，是數(shù)字功放第一要務。 數(shù)字功放的采樣頻率，直接決定了音質，這個是我們在開發(fā)數(shù)字功放的過程中發(fā)現(xiàn)的一個重要現(xiàn)象。舉個簡單的例子，應該可以很好理解這個原理。 假設PWM的開關頻率為300K（300~450K是現(xiàn)在市面上的數(shù)字功放的最常見的頻率）， 1: 如果輸入一個20HZ的低頻信號進入，那么等于把一個20HZ的低頻信號周期分割為15000個采樣點，這個采樣點足夠在輸出的時候完美表達一個正玄波的波形，低音可以得到很好的表現(xiàn)。 2: 如果輸入一個1K的中頻信號，那么他就產生300K/1K , 也就是一個周期300個采樣點，這個還是可以接受的，但是已經開始惡化了。 3: 如果輸入一個20K的中頻信號，那么只產生300K/20K ，也就是一個周期60個采樣點， 已經不能完整表達一個正玄波了，個人認為，這就是高音惡化難聽的主要原因 我們再來看看，到底多高的頻率能高好的表達音頻信號。 下面是一個表： PWM 20 250 500 1K 2K 5K 10K 15K 20K 100K 5000 400 200 100 50 20 10 7 5 300K 15000 1200 600 300 150 60 30 20 15 500K 25000 2000 1000 500 250 100 50 33 25 600K 30000 2400 1200 600 300 120 60 40 30 1000K 50000 4000 2000 1000 500 200 100 67 50 2000K 100000 8000 4000 2000 1000 400 200 133 100 從上表，可以看出，如果PWM的頻率是100K 輸入一個20K的音頻信號，他只能把20K的一個周期分辨出5個信號，這顯然不行，100K最高可以比較好的表達1K的信號（有100個采樣點），所以工作在100K的數(shù)字功放只能是作為低音炮（20~250HZ）。 一個300K的數(shù)字功放也只能比較完美的表達5K（有60個采樣點）的高音。一個600K的數(shù)字功放，可以比較好的表達10K的音頻當工作頻率達到1~2M的時候，才能真正的把高音的失真減低，減低并不等于完美：）能追求更高的頻率是每個數(shù)字功放設計師的夢想，但是必須基于更先進的器件（更高的工作頻率的功率 管）。 采樣頻率越低，高頻波形的折線化越嚴重（看圖1），為什么有些低頻率（400K）的數(shù)字功放失 真怎么那么低呢。這個主要是出現(xiàn)在失真的測量方法上，普通的失真測量是輸入1K信號，輸出后測量1K信號產生的諧波（2K 3K，4K ，5K等），2K 4K 比較高，那是偶次失真（電子管常見的失真），3K5K比較高是基次失真（晶體管電路常見的失真），也就是說實際上標稱的失真只是代表1KHZ的失真，而不能代表其他信號頻率的失真。于是就會產生了標稱失真很低，但是實際的聽感不舒服了。同樣原理，傳統(tǒng)功放的測量也有這個問題 大家可以回頭去看看上面哪個表，300K以上的數(shù)字功放對1KHZ的表達是比較完美的了。從這個角度，也證明了平時大家的感覺，為什么數(shù)字功放高音總是不舒服。關鍵的問題還是基頻不夠高。 從另一個角度，我們再探討一下基頻和音頻信號的關系。----關于濾波器。 數(shù)字功放，基本都有濾波器（小功率的現(xiàn)在發(fā)展到沒濾波器了），這個濾波器的作用主要是把PWM的基頻濾除，一個陡峭的濾波器是非常難以設計的。雙方的頻率越靠近，想用簡單的濾波器把兩個不同頻率的信號分離越困難。所以說，頻率越高濾波器越容易處理。當然頻率高濾波器使用的材料是有很大區(qū)別的。很多300~500K的數(shù)字功放只使用一個兩階濾波器。這個是遠遠不夠的，很多數(shù)字功放輸出都有0。3~1V的靜態(tài)電壓，我測試過兩家提供的半成品板，有家甚至達到了3V的高頻電壓輸出，這個是非�？植赖氖虑椤＿@個輸出電壓是高頻電壓，頻率就是PWM的基頻，雖然理論上這個信號是聽不見的，但是他會嚴重干擾高音喇叭的工作。我初期設計過600K的CLASS-D 必須使用4階以上的濾波器才能有效減低這個輸出電壓。 在實際的開發(fā)過程中，我們開發(fā)了大概5套方案，現(xiàn)在最高頻率已經達到1.2MHZ，我在找更好的材料，希望在不久的將來可以把工作頻率提高到2MHZ以上。 |
| 2樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/12 22:28:00 發(fā)布：
有個地方算錯了 300K/20K 只有15個采樣點 |
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| 3樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/12 22:32:00 發(fā)布：
補充一點 我們使用1MHZ基頻的時候，只使用2階濾波器，靜態(tài)輸出實際測量為157mV |
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| 4樓： | >>參與討論 |
| 作者： WXXMICKEY 于 2007/1/12 22:47:00 發(fā)布：
數(shù)字功放的音質和基頻的關系 沙發(fā)！贊一個！ |
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| 5樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/15 12:25:00 發(fā)布：
圖片 ../uploadfile/200705121249225629.jpg
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| 6樓： | >>參與討論 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/15 12:51:00 發(fā)布：
真的是謬論，CD的取樣頻率也只有44.1K唷 按照樓主的理論，CD早該扔了，它的取樣頻率比你的“數(shù)字功放”低得多 |
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| 7樓： | >>參與討論 |
| 作者： wangshujun 于 2007/1/15 13:11:00 發(fā)布：
davidli88 樓主是正確的 cd的取樣頻率是44.1k，但是時16位的采樣精度，pwm只能等效1位的采樣精度，pwm要達到cd的音質需要的頻率會是44100*65536的頻率，大概是2.5g左右的，實際上人的耳朵對高頻敏感度有限，能較好的表現(xiàn)8k以上的頻率效果就足夠好了，在8k頻率上有6位的分辨率需要的載頻要達到8000*64，也就是500K左右，效果應該可以接受的。 |
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| 8樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/15 17:05:00 發(fā)布：
davidli88 你聽過100K采樣的數(shù)字功放嗎 davidli88 你聽過100K采樣的數(shù)字功放嗎，聽過你就不說這個話了：） |
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| 9樓： | >>參與討論 |
| 作者： edanzg 于 2007/1/15 18:21:00 發(fā)布：
不錯，剔肉見骨，難得一見的好文章。 |
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| 10樓： | >>參與討論 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/15 18:21:00 發(fā)布：
取樣頻率超過高最信號頻率的2倍已無必要 并且更高的頻率，只為簡化輸出LC網絡而已。 在目前所有的音源中，頂級模擬唱片保真度排第一位，CD的排第二位（二者的差別已微乎其幾位，常人根本無法區(qū)別），其取樣頻率是44.1K，這是大家都接受的事實，D類功放取樣頻率超過這個頻率，對信號本身來說，不會對“保真度”有實質上的提升。 但若是研究一種電路，在CD的DAC前將數(shù)字信號真接轉成兩路互補的44.1K的PWM信號，推動D類BTL功放，保真度可能會有更好的表現(xiàn)。 |
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| 11樓： | >>參與討論 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/15 18:50:00 發(fā)布：
關于量化 CD中，量化值是數(shù)字量，一般是16bit；所以CD的數(shù)據流>44100*16*2( 用>是因為數(shù)據流中肯定還有別的控制、信息指令，如曲名、時長等） 而數(shù)字功放中，量化指標---脈寬是模擬量，其量化指標理論上為無窮大，優(yōu)于CD的16位量化，脈寬已包含了信號的幅值，不存在7樓所說的需要44100*65536=2.5G的頻率。 可以斷言，在CD的DAC前將數(shù)字信號真接轉成兩路互補的44.1K的PWM信號，推動D類BTL功放，后面用高階LC濾波對44.1K進行濾除，表現(xiàn)將勝出目前任何一種方案。 在傳統(tǒng)的D數(shù)功放中，無限制地將精力放到提高開關頻率上是一種錯誤的做法，搞科研，請不要忽視物理規(guī)則，難道有人打破了奈奎斯特采樣定理不成？ |
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| 12樓： | >>參與討論 |
| 作者： xwj 于 2007/1/15 19:10:00 發(fā)布：
davidli88 的理解有誤 |
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| 13樓： | >>參與討論 |
| 作者： computer00 于 2007/1/15 20:02:00 發(fā)布：
PWM的輸出和DAC的輸出是不一樣的...... DAC分辨率達到16bit,同樣的PWM如果也要達到這個分辨率,那么就需要DAC頻率的16^2倍. |
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| 14樓： | >>參與討論 |
| 作者： maychang 于 2007/1/15 21:13:00 發(fā)布：
樓主非要用PWM嗎？ 用PWM，當然要求頻率非常高，而且分辨率越高，PWM頻率也要求越高。而功率和頻率是矛盾的，小功率容易做得頻率比較高，大功率就很難。 |
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| 15樓： | >>參與討論 |
| 作者： drzhuang 于 2007/1/15 21:14:00 發(fā)布：
我的謬論 采樣定理表明，兩倍的采樣頻率可以完整表達相關信息，但兩倍是最小值，在技術許可情況下，采用更高采樣頻率當然更好。 但多高才算高，似乎不能一概而論。開關頻率高了只有一個好處：降低了對濾波器的要求，使輸出頻波形更“細”。對失真的貢獻并不象樓主認為的那樣，現(xiàn)在的測量儀器哪一個沒有計權網絡，按照AES規(guī)范，對開關類音頻信號，測量時22k以上諧波都要被切除。 如果樓上幾位認為只有足夠高的PWM頻率才能出高性能，按照你們的說法反證一下，無論是2.5G還是11.28M，對現(xiàn)在的D類來說都是難于突破的障礙，現(xiàn)在能見到最高的就是樓主的1.2M了，還是太低了。即使2M也不高啊。 |
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| 16樓： | >>參與討論 |
| 作者： pheavecn 于 2007/1/15 22:40:00 發(fā)布：
不懂，樓主似乎有一定錯誤。 忽略了脈寬的作用。 |
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| 17樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/15 23:28:00 發(fā)布：
脈寬是一個模擬量，用于表達其電壓特性 脈寬是一個模擬量，用于表達其電壓特性 和采樣頻率沒關系 |
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| 18樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/15 23:47:00 發(fā)布：
引用一段文字 采樣頻率應當怎樣設置呢？也許你可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，較長時間使用很高的采樣率可能會導致沒有足夠的內存或者硬盤存儲數(shù)據太慢。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的２倍就夠了，實際上工程中選用５～１０倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。 引用來源： http://www.leadertech.com.cn/article/article3.asp |
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| 19樓： | >>參與討論 |
| 作者： 一級菜鳥 于 2007/1/16 0:42:00 發(fā)布：
分辨率一直在變 PWM構成的DAC的分辨率實際上隨著輸出頻率的變化而變化，低頻率輸出時分辨率比起通常意義上的DAC低不了多少。 實際使用中，在錄音時的自動增益控制不好或者音源本身的增益不均勻，16bit的分辨率很可能大部分不在使用區(qū)域內，就更加加重了問題的嚴重性。 |
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| 20樓： | >>參與討論 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 9:33:00 發(fā)布：
TO：13樓---圈圈 D類放大器保真度不夠的毛病，不在于目前頻率不高，而在于其中三角波發(fā)生器的線性不夠好，如果基輸出有理想的線性，則獲得的PWM信號絕對超過數(shù)字量化，16bit最多有65536級，而好的PWM脈寬何止再番十倍？？？？？ 故，提供超過音源最樣率的取樣頻率，不如把功夫花在提高三角波線性上去。 |
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| 21樓： | >>參與討論 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 9:36:00 發(fā)布：
TO：xwj、fumac 請設法推翻我在20樓的說法 |
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| 22樓： | >>參與討論 |
| 作者： xwj 于 2007/1/16 9:48:00 發(fā)布：
davidli88 ，你混淆了取樣頻率和振蕩周期（頻率） |
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| 23樓： | >>參與討論 |
| 作者： xwj 于 2007/1/16 9:56:00 發(fā)布：
數(shù)字功放。。。到底數(shù)字化到什么程度呢？這個很關鍵 如果由純數(shù)字方式產生PWM，那么以44.1KHZ輸出占空比1/65536的脈沖，那個脈沖寬度是多少？要以多高的時鐘才能產生？ 如果PWM是以和線性三角波比較的方式產生，那么輸出同樣的脈沖，時鐘頻率應該是多少？ 對于1bit采樣，到底是那個時鐘頻率？ 不要把不同的概念搞混了哦， 先冷靜下來仔細想想吧... |
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| 24樓： | >>參與討論 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 10:03:00 發(fā)布：
D類功放的取樣頻率，等于三角波頻率 PWM的寬度，由取樣點的幅度決定。 |
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| 25樓： | >>參與討論 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 10:26:00 發(fā)布：
提到取樣時鐘，老X的回復提醒了我 由于功率MOSFET的關斷速度通常在數(shù)十nS級（通常開通速度>10nS，關斷速度>30nS），考慮到效率問題，開關時間和不得大于周期的10%，在電源界，現(xiàn)有MOSFET開關器件的頻率上限為2.5MHz。 D類放大器的取樣頻率過高的話，由于最大占空比和最小占空比都有固定的開關時間，即使最小占空比為1/65536*44100，D類放大器輸出也脈寬也不為零（30nS的一個下降沿），實際的最大占空比與最小占空比之比值就會下降，動態(tài)范圍隨之下降，當信號弱電平，或接近過零點時分，就會以出現(xiàn)丟掉部份弱信號周期脈沖的現(xiàn)象，并通過輸出濾波器平滑來獲取弱電平。如此來，解析度會很差。我想這就是D類音頻放大器保真度不高的原因。 綜合上述，開關速度提高到M級，實不如44.1K~100K級的解析度高，我還是那句話：提高三角波的線性，比什么都合算... |
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| 26樓： | >>參與討論 |
| 作者： computer00 于 2007/1/16 12:53:00 發(fā)布：
也許我們所描述的不是同一個東西... 這里面存在著兩個頻率，一個是采樣頻率，一個是PWM的時鐘頻率。 對于用三角波和模擬信號來比較來產生PWM信號來說，三角波頻率就是采樣頻率。把這個三角波頻率提得太高是沒意義的. 如果直接用數(shù)字采樣點來產生PWM,即直接數(shù)字PWM,則PWM的時鐘頻率就需要很高了。 |
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| 27樓： | >>參與討論 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 12:59:00 發(fā)布：
現(xiàn)在明白了數(shù)字PWM輸出的特點 我是玩純硬件，這以前還不明白“直接數(shù)字PWM”，原來其脈寬也不是連續(xù)變化，而是階梯變化的，解析度也受位數(shù)限制 |
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| 28樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 17:53:00 發(fā)布：
PWM基本原理 http://www.ednchina.com/blog/xcbao/3601/message.aspx PWM基本原理 一個網友的BLOG |
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| 29樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 18:03:00 發(fā)布：
PWM技術實現(xiàn)方法綜述 http://news.eeworld.com.cn/n/20061201/7273.shtml 您的位置：首頁 -> 電源管理 -> 正文 PWM技術實現(xiàn)方法綜述 2006.12.01 來自：電源技術應用 作者：李旭 謝運祥 |
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| 30樓： | >>參與討論 |
| 作者： xuyz121 于 2007/1/16 18:10:00 發(fā)布：
載波頻率提高了，脈沖寬度的精度就會下降 載波頻率提高了，脈沖寬度的精度就會下降。但是頻率不夠高，就無法克服D類功放本身濾波電路對頻響的影響。有代價哦 |
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| 31樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 18:10:00 發(fā)布：
早已經有此電路和成品IC davidli88 發(fā)表于 2007-1-15 18:21 技術交流 ←返回版面 10樓： 取樣頻率超過高最信號頻率的2倍已無必要 并且更高的頻率，只為簡化輸出LC網絡而已。 在目前所有的音源中，頂級模擬唱片保真度排第一位，CD的排第二位（二者的差別已微乎其幾位，常人根本無法區(qū)別），其取樣頻率是44.1K，這是大家都接受的事實，D類功放取樣頻率超過這個頻率，對信號本身來說，不會對“保真度”有實質上的提升。 但若是研究一種電路，在CD的DAC前將數(shù)字信號真接轉成兩路互補的44.1K的PWM信號，推動D類BTL功放，保真度可能會有更好的表現(xiàn)。 ---------------- 包括YAMAHA，CS，等公司都有此類型的DSP處理器，目的很多，比如成本，比如可以直接輸出到開關功率模塊，但是，都還沒成為主流的做法，YAMAHA大概70年代就已經推出此類型IC了 |
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| 32樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 18:19:00 發(fā)布：
to davidli 由于功率MOSFET的關斷速度通常在數(shù)十nS級（通常開通速度>10nS，關斷速度>30nS），考慮到效率問題，開關時間和不得大于周期的10%，在電源界，現(xiàn)有MOSFET開關器件的頻率上限為2.5MHz。 --------------------- 現(xiàn)在已經出現(xiàn)小于10NS的開關器件了，你可以查查IR的資料，已經達到5NS以內 D類放大器的取樣頻率過高的話，由于最大占空比和最小占空比都有固定的開關時間，即使最小占空比為1/65536*44100，D類放大器輸出也脈寬也不為零（30nS的一個下降沿），實際的最大占空比與最小占空比之比值就會下降，動態(tài)范圍隨之下降，當信號弱電平，或接近過零點時分，就會以出現(xiàn)丟掉部份弱信號周期脈沖的現(xiàn)象，并通過輸出濾波器平滑來獲取弱電平。如此來，解析度會很差。我想這就是D類音頻放大器保真度不高的原因。 ----------------- 輸出濾波平滑的作用，基頻越低越明顯，就是因為這個原因才需要提高頻率 綜合上述，開關速度提高到M級，實不如44.1K~100K級的解析度高，我還是那句話：提高三角波的線性，比什么都合算... --------------------------- 44~100K的解析度，已經被證明不可行，100~200K只用于低音炮，求大功率的原因 |
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| 33樓： | >>參與討論 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 18:42:00 發(fā)布：
關于提高基頻的其他一些應用 其實，CLASS-D類放大器，不僅僅應用于音頻放大，提高他的帶寬，可以擴展他的用途，比如超聲波的放大，更高甚至于RF的放大，D類在RF放大中早已經應用廣泛，只是實現(xiàn)方法不同。 如上有網友提出，三角波的線性問題，我是同意大部分說法的，但是不能否認提高頻率對保真度的影響也是很直接的（我們已經測試過300，600，800，1MHZ，2M（最新的實現(xiàn)頻率2.6MHZ，但是還沒到實用階段））。在1K的情況下基本是沒區(qū)別的，但是在7K的時候區(qū)別就很大了，何況10K以上。 我一直在考慮這個問題，到底多高才更合適，一邊要求大功率，一邊要求高音質。只能根據實際客戶的要求來決定了。能做更高，不是一個壞事情，起碼當我要做低頻率的時候基本沒有技術障礙。 反過來想，為什么電源也一直在提高工作頻率呢？因為我對電源不熟悉，所以請指教 |
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| 34樓： | >>參與討論 |
| 作者： stycx 于 2007/1/16 19:40:00 發(fā)布：
要是喇叭也數(shù)字化 有可能嗎 |
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| 35樓： | >>參與討論 |
| 作者： iC921 于 2007/1/16 21:37:00 發(fā)布：
44.1*65536=2,890,137.6k 44.1*65536=2,890,137.6k 這個關系說明，如果PWM要達到CD音質，脈寬控制步長要達到(2^16)*15^2，因為44.1k＞32k |
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| 36樓： | >>參與討論 |
| 作者： 雪飄 于 2007/1/18 21:28:00 發(fā)布：
學習一下 寫的不錯,頂一下 |
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| 37樓： | >>參與討論 |
| 作者： sf101mabo 于 2007/1/19 9:28:00 發(fā)布：
虛擬串口軟件交流 1-16路串口服務器,1-4路CAN轉以太網&TCP/IP,以太網IO控制模塊,GPRS設備,GPS設備.VSPM虛擬串口軟件技術支持.提供二次開發(fā)技術支持及根據客戶需求定制！請加入群：28173573 |
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| 38樓： | >>參與討論 |
| 作者： lxy華 于 2010/4/2 9:29:58 發(fā)布：
從數(shù)字技術角度來講指標越高越好，但是音質是一個感觀問題， |
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