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发发谬论：数字功放的音质和基频的关系 |
| 作者：fumac 栏目：技术交流 |
数字功放的音质和基频的关系。 以下为版权信息： FUMAC 原创文章版权属于FUMAC， 欢迎电子媒体免费转载， 平面媒体请联系FUMAC email: fumac1@gmail.com www.class-d.net数字功放网 转载请保留以上信息 数字功放的音质，一直以来被许多人灸病，低音不错，高音刺耳，实际上是如此：） 我们在开发产品过程中，也发现这个问题。 我们回到数字功放的原理： 音频信号（20~20K）经过一个PWM的调制，然后通过一个开关功率放大电路，把PWM信号放大，最后通过滤波器，把PWM信号滤除掉，这样就剩下一个大功率的音频信号可以直接推动喇叭了。这个调制过程是数字功放的关键。 一般现在流行的几个数字功放的方案的PWM频率都是工作在300K~500K.html">500K范围，有些低音跑甚至工作在100K以下的频率。工作频率越高，越难选择开关管，开关的速度如果变慢了，容易发热，想减轻发热，就需要把死区调大，死区调大了，就导致失真变大。这个是一个两难的选择。于是选用极端快速的开关管，是数字功放第一要务。 数字功放的采样频率，直接决定了音质，这个是我们在开发数字功放的过程中发现的一个重要现象。举个简单的例子，应该可以很好理解这个原理。 假设PWM的开关频率为300K（300~450K是现在市面上的数字功放的最常见的频率）， 1: 如果输入一个20HZ的低频信号进入，那么等于把一个20HZ的低频信号周期分割为15000个采样点，这个采样点足够在输出的时候完美表达一个正玄波的波形，低音可以得到很好的表现。 2: 如果输入一个1K的中频信号，那么他就产生300K/1K , 也就是一个周期300个采样点，这个还是可以接受的，但是已经开始恶化了。 3: 如果输入一个20K的中频信号，那么只产生300K/20K ，也就是一个周期60个采样点， 已经不能完整表达一个正玄波了，个人认为，这就是高音恶化难听的主要原因 我们再来看看，到底多高的频率能高好的表达音频信号。 下面是一个表： 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 从上表，可以看出，如果PWM的频率是100K 输入一个20K的音频信号，他只能把20K的一个周期分辨出5个信号，这显然不行，100K最高可以比较好的表达1K的信号（有100个采样点），所以工作在100K的数字功放只能是作为低音炮（20~250HZ）。 一个300K的数字功放也只能比较完美的表达5K（有60个采样点）的高音。一个600K的数字功放，可以比较好的表达10K的音频当工作频率达到1~2M的时候，才能真正的把高音的失真减低，减低并不等于完美：）能追求更高的频率是每个数字功放设计师的梦想，但是必须基于更先进的器件（更高的工作频率的功率 管）。 采样频率越低，高频波形的折线化越严重（看图1），为什么有些低频率（400K）的数字功放失 真怎么那么低呢。这个主要是出现在失真的测量方法上，普通的失真测量是输入1K信号，输出后测量1K信号产生的谐波（2K 3K，4K ，5K等），2K 4K 比较高，那是偶次失真（电子管常见的失真），3K5K比较高是基次失真（晶体管电路常见的失真），也就是说实际上标称的失真只是代表1KHZ的失真，而不能代表其他信号频率的失真。于是就会产生了标称失真很低，但是实际的听感不舒服了。同样原理，传统功放的测量也有这个问题 大家可以回头去看看上面哪个表，300K以上的数字功放对1KHZ的表达是比较完美的了。从这个角度，也证明了平时大家的感觉，为什么数字功放高音总是不舒服。关键的问题还是基频不够高。 从另一个角度，我们再探讨一下基频和音频信号的关系。----关于滤波器。 数字功放，基本都有滤波器（小功率的现在发展到没滤波器了），这个滤波器的作用主要是把PWM的基频滤除，一个陡峭的滤波器是非常难以设计的。双方的频率越靠近，想用简单的滤波器把两个不同频率的信号分离越困难。所以说，频率越高滤波器越容易处理。当然频率高滤波器使用的材料是有很大区别的。很多300~500K的数字功放只使用一个两阶滤波器。这个是远远不够的，很多数字功放输出都有0。3~1V的静态电压，我测试过两家提供的半成品板，有家甚至达到了3V的高频电压输出，这个是非常恐怖的事情。这个输出电压是高频电压，频率就是PWM的基频，虽然理论上这个信号是听不见的，但是他会严重干扰高音喇叭的工作。我初期设计过600K的CLASS-D 必须使用4阶以上的滤波器才能有效减低这个输出电压。 在实际的开发过程中，我们开发了大概5套方案，现在最高频率已经达到1.2MHZ，我在找更好的材料，希望在不久的将来可以把工作频率提高到2MHZ以上。 |
| 2楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/12 22:28:00 发布：
有个地方算错了 300K/20K 只有15个采样点 |
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| 3楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/12 22:32:00 发布：
补充一点 我们使用1MHZ基频的时候，只使用2阶滤波器，静态输出实际测量为157mV |
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| 4楼： | >>参与讨论 |
| 作者： WXXMICKEY 于 2007/1/12 22:47:00 发布：
数字功放的音质和基频的关系 沙发！赞一个！ |
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| 5楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/15 12:25:00 发布：
图片 ../uploadfile/200705121249225629.jpg
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| 6楼： | >>参与讨论 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/15 12:51:00 发布：
真的是谬论，CD的取样频率也只有44.1K唷 按照楼主的理论，CD早该扔了，它的取样频率比你的“数字功放”低得多 |
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| 7楼： | >>参与讨论 |
| 作者： wangshujun 于 2007/1/15 13:11:00 发布：
davidli88 楼主是正确的 cd的取样频率是44.1k，但是时16位的采样精度，pwm只能等效1位的采样精度，pwm要达到cd的音质需要的频率会是44100*65536的频率，大概是2.5g左右的，实际上人的耳朵对高频敏感度有限，能较好的表现8k以上的频率效果就足够好了，在8k频率上有6位的分辨率需要的载频要达到8000*64，也就是500K左右，效果应该可以接受的。 |
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| 8楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/15 17:05:00 发布：
davidli88 你听过100K采样的数字功放吗 davidli88 你听过100K采样的数字功放吗，听过你就不说这个话了：） |
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| 9楼： | >>参与讨论 |
| 作者： edanzg 于 2007/1/15 18:21:00 发布：
不错，剔肉见骨，难得一见的好文章。 |
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| 10楼： | >>参与讨论 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/15 18:21:00 发布：
取样频率超过高最信号频率的2倍已无必要 并且更高的频率，只为简化输出LC网络而已。 在目前所有的音源中，顶级模拟唱片保真度排第一位，CD的排第二位（二者的差别已微乎其几位，常人根本无法区别），其取样频率是44.1K，这是大家都接受的事实，D类功放取样频率超过这个频率，对信号本身来说，不会对“保真度”有实质上的提升。 但若是研究一种电路，在CD的DAC前将数字信号真接转成两路互补的44.1K的PWM信号，推动D类BTL功放，保真度可能会有更好的表现。 |
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| 11楼： | >>参与讨论 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/15 18:50:00 发布：
关于量化 CD中，量化值是数字量，一般是16bit；所以CD的数据流>44100*16*2( 用>是因为数据流中肯定还有别的控制、信息指令，如曲名、时长等） 而数字功放中，量化指标---脉宽是模拟量，其量化指标理论上为无穷大，优于CD的16位量化，脉宽已包含了信号的幅值，不存在7楼所说的需要44100*65536=2.5G的频率。 可以断言，在CD的DAC前将数字信号真接转成两路互补的44.1K的PWM信号，推动D类BTL功放，后面用高阶LC滤波对44.1K进行滤除，表现将胜出目前任何一种方案。 在传统的D数功放中，无限制地将精力放到提高开关频率上是一种错误的做法，搞科研，请不要忽视物理规则，难道有人打破了奈奎斯特采样定理不成？ |
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| 12楼： | >>参与讨论 |
| 作者： xwj 于 2007/1/15 19:10:00 发布：
davidli88 的理解有误 |
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| 13楼： | >>参与讨论 |
| 作者： computer00 于 2007/1/15 20:02:00 发布：
PWM的输出和DAC的输出是不一样的...... DAC分辨率达到16bit,同样的PWM如果也要达到这个分辨率,那么就需要DAC频率的16^2倍. |
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| 14楼： | >>参与讨论 |
| 作者： maychang 于 2007/1/15 21:13:00 发布：
楼主非要用PWM吗？ 用PWM，当然要求频率非常高，而且分辨率越高，PWM频率也要求越高。而功率和频率是矛盾的，小功率容易做得频率比较高，大功率就很难。 |
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| 15楼： | >>参与讨论 |
| 作者： drzhuang 于 2007/1/15 21:14:00 发布：
我的谬论 采样定理表明，两倍的采样频率可以完整表达相关信息，但两倍是最小值，在技术许可情况下，采用更高采样频率当然更好。 但多高才算高，似乎不能一概而论。开关频率高了只有一个好处：降低了对滤波器的要求，使输出频波形更“细”。对失真的贡献并不象楼主认为的那样，现在的测量仪器哪一个没有计权网络，按照AES规范，对开关类音频信号，测量时22k以上谐波都要被切除。 如果楼上几位认为只有足够高的PWM频率才能出高性能，按照你们的说法反证一下，无论是2.5G还是11.28M，对现在的D类来说都是难于突破的障碍，现在能见到最高的就是楼主的1.2M了，还是太低了。即使2M也不高啊。 |
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| 16楼： | >>参与讨论 |
| 作者： pheavecn 于 2007/1/15 22:40:00 发布：
不懂，楼主似乎有一定错误。 忽略了脉宽的作用。 |
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| 17楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/15 23:28:00 发布：
脉宽是一个模拟量，用于表达其电压特性 脉宽是一个模拟量，用于表达其电压特性 和采样频率没关系 |
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| 18楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/15 23:47:00 发布：
引用一段文字 采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的２倍就够了，实际上工程中选用５～１０倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。 引用来源： http://www.leadertech.com.cn/article/article3.asp |
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| 19楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 一级菜鸟 于 2007/1/16 0:42:00 发布：
分辨率一直在变 PWM构成的DAC的分辨率实际上随着输出频率的变化而变化，低频率输出时分辨率比起通常意义上的DAC低不了多少。 实际使用中，在录音时的自动增益控制不好或者音源本身的增益不均匀，16bit的分辨率很可能大部分不在使用区域内，就更加加重了问题的严重性。 |
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| 20楼： | >>参与讨论 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 9:33:00 发布：
TO：13楼---圈圈 D类放大器保真度不够的毛病，不在于目前频率不高，而在于其中三角波发生器的线性不够好，如果基输出有理想的线性，则获得的PWM信号绝对超过数字量化，16bit最多有65536级，而好的PWM脉宽何止再番十倍？？？？？ 故，提供超过音源最样率的取样频率，不如把功夫花在提高三角波线性上去。 |
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| 21楼： | >>参与讨论 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 9:36:00 发布：
TO：xwj、fumac 请设法推翻我在20楼的说法 |
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| 22楼： | >>参与讨论 |
| 作者： xwj 于 2007/1/16 9:48:00 发布：
davidli88 ，你混淆了取样频率和振荡周期（频率） |
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| 23楼： | >>参与讨论 |
| 作者： xwj 于 2007/1/16 9:56:00 发布：
数字功放。。。到底数字化到什么程度呢？这个很关键 如果由纯数字方式产生PWM，那么以44.1KHZ输出占空比1/65536的脉冲，那个脉冲宽度是多少？要以多高的时钟才能产生？ 如果PWM是以和线性三角波比较的方式产生，那么输出同样的脉冲，时钟频率应该是多少？ 对于1bit采样，到底是那个时钟频率？ 不要把不同的概念搞混了哦， 先冷静下来仔细想想吧... |
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| 24楼： | >>参与讨论 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 10:03:00 发布：
D类功放的取样频率，等于三角波频率 PWM的宽度，由取样点的幅度决定。 |
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| 25楼： | >>参与讨论 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 10:26:00 发布：
提到取样时钟，老X的回复提醒了我 由于功率MOSFET的关断速度通常在数十nS级（通常开通速度>10nS，关断速度>30nS），考虑到效率问题，开关时间和不得大于周期的10%，在电源界，现有MOSFET开关器件的频率上限为2.5MHz。 D类放大器的取样频率过高的话，由于最大占空比和最小占空比都有固定的开关时间，即使最小占空比为1/65536*44100，D类放大器输出也脉宽也不为零（30nS的一个下降沿），实际的最大占空比与最小占空比之比值就会下降，动态范围随之下降，当信号弱电平，或接近过零点时分，就会以出现丢掉部份弱信号周期脉冲的现象，并通过输出滤波器平滑来获取弱电平。如此来，解析度会很差。我想这就是D类音频放大器保真度不高的原因。 综合上述，开关速度提高到M级，实不如44.1K~100K级的解析度高，我还是那句话：提高三角波的线性，比什么都合算... |
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| 26楼： | >>参与讨论 |
| 作者： computer00 于 2007/1/16 12:53:00 发布：
也许我们所描述的不是同一个东西... 这里面存在着两个频率，一个是采样频率，一个是PWM的时钟频率。 对于用三角波和模拟信号来比较来产生PWM信号来说，三角波频率就是采样频率。把这个三角波频率提得太高是没意义的. 如果直接用数字采样点来产生PWM,即直接数字PWM,则PWM的时钟频率就需要很高了。 |
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| 27楼： | >>参与讨论 |
| 作者： davidli88 于 2007/1/16 12:59:00 发布：
现在明白了数字PWM输出的特点 我是玩纯硬件，这以前还不明白“直接数字PWM”，原来其脉宽也不是连续变化，而是阶梯变化的，解析度也受位数限制 |
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| 28楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 17:53:00 发布：
PWM基本原理 http://www.ednchina.com/blog/xcbao/3601/message.aspx PWM基本原理 一个网友的BLOG |
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| 29楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 18:03:00 发布：
PWM技术实现方法综述 http://news.eeworld.com.cn/n/20061201/7273.shtml 您的位置：首页 -> 电源管理 -> 正文 PWM技术实现方法综述 2006.12.01 来自：电源技术应用 作者：李旭 谢运祥 |
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| 30楼： | >>参与讨论 |
| 作者： xuyz121 于 2007/1/16 18:10:00 发布：
载波频率提高了，脉冲宽度的精度就会下降 载波频率提高了，脉冲宽度的精度就会下降。但是频率不够高，就无法克服D类功放本身滤波电路对频响的影响。有代价哦 |
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| 31楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 18:10:00 发布：
早已经有此电路和成品IC davidli88 发表于 2007-1-15 18:21 技术交流 ←返回版面 10楼： 取样频率超过高最信号频率的2倍已无必要 并且更高的频率，只为简化输出LC网络而已。 在目前所有的音源中，顶级模拟唱片保真度排第一位，CD的排第二位（二者的差别已微乎其几位，常人根本无法区别），其取样频率是44.1K，这是大家都接受的事实，D类功放取样频率超过这个频率，对信号本身来说，不会对“保真度”有实质上的提升。 但若是研究一种电路，在CD的DAC前将数字信号真接转成两路互补的44.1K的PWM信号，推动D类BTL功放，保真度可能会有更好的表现。 ---------------- 包括YAMAHA，CS，等公司都有此类型的DSP处理器，目的很多，比如成本，比如可以直接输出到开关功率模块，但是，都还没成为主流的做法，YAMAHA大概70年代就已经推出此类型IC了 |
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| 32楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 18:19:00 发布：
to davidli 由于功率MOSFET的关断速度通常在数十nS级（通常开通速度>10nS，关断速度>30nS），考虑到效率问题，开关时间和不得大于周期的10%，在电源界，现有MOSFET开关器件的频率上限为2.5MHz。 --------------------- 现在已经出现小于10NS的开关器件了，你可以查查IR的资料，已经达到5NS以内 D类放大器的取样频率过高的话，由于最大占空比和最小占空比都有固定的开关时间，即使最小占空比为1/65536*44100，D类放大器输出也脉宽也不为零（30nS的一个下降沿），实际的最大占空比与最小占空比之比值就会下降，动态范围随之下降，当信号弱电平，或接近过零点时分，就会以出现丢掉部份弱信号周期脉冲的现象，并通过输出滤波器平滑来获取弱电平。如此来，解析度会很差。我想这就是D类音频放大器保真度不高的原因。 ----------------- 输出滤波平滑的作用，基频越低越明显，就是因为这个原因才需要提高频率 综合上述，开关速度提高到M级，实不如44.1K~100K级的解析度高，我还是那句话：提高三角波的线性，比什么都合算... --------------------------- 44~100K的解析度，已经被证明不可行，100~200K只用于低音炮，求大功率的原因 |
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| 33楼： | >>参与讨论 |
| 作者： fumac 于 2007/1/16 18:42:00 发布：
关于提高基频的其他一些应用 其实，CLASS-D类放大器，不仅仅应用于音频放大，提高他的带宽，可以扩展他的用途，比如超声波的放大，更高甚至于RF的放大，D类在RF放大中早已经应用广泛，只是实现方法不同。 如上有网友提出，三角波的线性问题，我是同意大部分说法的，但是不能否认提高频率对保真度的影响也是很直接的（我们已经测试过300，600，800，1MHZ，2M（最新的实现频率2.6MHZ，但是还没到实用阶段））。在1K的情况下基本是没区别的，但是在7K的时候区别就很大了，何况10K以上。 我一直在考虑这个问题，到底多高才更合适，一边要求大功率，一边要求高音质。只能根据实际客户的要求来决定了。能做更高，不是一个坏事情，起码当我要做低频率的时候基本没有技术障碍。 反过来想，为什么电源也一直在提高工作频率呢？因为我对电源不熟悉，所以请指教 |
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| 34楼： | >>参与讨论 |
| 作者： stycx 于 2007/1/16 19:40:00 发布：
要是喇叭也数字化 有可能吗 |
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| 35楼： | >>参与讨论 |
| 作者： iC921 于 2007/1/16 21:37:00 发布：
44.1*65536=2,890,137.6k 44.1*65536=2,890,137.6k 这个关系说明，如果PWM要达到CD音质，脉宽控制步长要达到(2^16)*15^2，因为44.1k＞32k |
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| 36楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 雪飘 于 2007/1/18 21:28:00 发布：
学习一下 写的不错,顶一下 |
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| 37楼： | >>参与讨论 |
| 作者： sf101mabo 于 2007/1/19 9:28:00 发布：
虚拟串口软件交流 1-16路串口服务器,1-4路CAN转以太网&TCP/IP,以太网IO控制模块,GPRS设备,GPS设备.VSPM虚拟串口软件技术支持.提供二次开发技术支持及根据客户需求定制！请加入群：28173573 |
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| 38楼： | >>参与讨论 |
| 作者： lxy华 于 2010/4/2 9:29:58 发布：
从数字技术角度来讲指标越高越好，但是音质是一个感观问题， |
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