Audio mit PWM, welches Prinzip steckt dahinter?

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Ich habe ein Schema einer PIC-Karte gesehen, die gefiltertes PWM verwendet, um ein Audioausgangssignal an eine Audio-Buchse zu liefern. Es zeigt die PWM-Ausgabe, die mit 3 Stufen eines passiven RC-Filters gefolgt von einer LM386-Stufe gefiltert wurde. Ich habe folgende Fragen:

  1. In der Regel werden bei einem Audiosignal mehrere Frequenzen gleichzeitig summiert. Wie macht PWM das?
  2. Ist die Audioqualität so gut wie bei Verwendung von PCM mit DAC, Filter und Verstärker?
  3. Da diese Technik so praktisch aussieht und ist, warum sparen nicht alle Audiogeräte damit Geld und Kosten, einschließlich Soundkarten in Computern?
quantum231
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Vielleicht möchten Sie den Wikipedia-Artikel über Klasse-D-Verstärker
PlasmaHH vom
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Wenn Sie einen lm386 als Verstärker verwenden, wird die Audioqualität ungeachtet dessen schlecht sein
JIm Dearden
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@PlasmaHH ... oder dieser Maxim-App-Hinweis zu Class-D-Verstärkern .
Nick Alexeev
Suchen Sie für ein Rechteckwellensystem mit nicht konstanter Frequenz nach Delta-Sigma- oder Sigma-Delta-Modulation. Es funktioniert für ADCs und DACs und kann ein nahezu vollständig digitales System zur Implementierung eines DAC sein.
user2943160
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1A) Wie kann ein einzelnes analoges Signal mehrere Frequenzen gleichzeitig summieren? 1B) Wie kann PWM ein einzelnes analoges Signal approximieren?
user253751

Antworten:

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In der Regel werden bei einem Audiosignal mehrere Frequenzen gleichzeitig summiert. Wie macht PWM das?

Das Audiosignal, das ein Spektrum von mehreren Frequenzen enthält, ist immer noch nur ein Audiosignal, das von einem DAC abgetastet und ADC und neu erstellt werden kann. Vorausgesetzt, die verwendete Abtastrate ist mehr als doppelt so hoch wie die höchste Audiofrequenz, ist alles in Ordnung. Ein DAC, der PWM-Techniken verwendet, ist nicht anders. In jedem Zyklus der PWM-Wellenform muss das Verhältnis von Markierung zu Abstand das momentane Analogsignal genau "darstellen", und ein einzelner PWM-Zyklus muss zeitlich kürzer sein als die Hälfte der Periode des höchsten Audiosignals:

Bildbeschreibung hier eingeben

Das Obige ist eine einfache Darstellung von 3 DC-Pegeln unter Verwendung von PWM. Wenn die PWM-Frequenz "hoch" ist, können diese drei Pegel eindeutig als Teil einer komplexen Wechselstromwellenform betrachtet werden. Hoffentlich können Sie feststellen, dass die genaue Steuerung des PWM-Markierungsabstands für die Erzielung einer geringen Audio-Verzerrung von grundlegender Bedeutung ist.

Ist die Audioqualität so gut wie bei Verwendung von PCM mit DAC, Filter und Verstärker?

Traditionell nein, aber es wird besser.

Da diese Technik so praktisch aussieht und ist, warum sparen nicht alle Audiogeräte damit Geld und Kosten, einschließlich Soundkarten in Computern?

Es ist ziemlich schwierig, die Genauigkeit des PWM-Verhältnisses zu steuern, um eine wirklich gute HiFi-Qualität zu erzielen, und mit Klasse-D-Verstärkern ist die Unterdrückung der Stromversorgung immer noch eine ziemlich schwierige Herausforderung. Sehen Sie sich das eingebettete Bild oben an - wenn sich die 5-V-Stromschiene verdoppelt, verdoppelt sich auch die Verstärkung - stellen Sie sich jetzt vor, dass Sie statt einer einfachen Verdoppelung eine Menge beschissener Geräusche auf dieser Schiene hatten - dies würde Ihr Audiosignal direkt modulieren und einige sehr auffällige erzeugen Auswirkungen.

Andy aka
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Der Arbeitszyklus steuert die Amplitude und die PWM-Momentanfrequenz ist gleich der Signalmomentanfrequenz. Richtig?
quantum231
Die PWM-Schaltfrequenz MUSS höher als das Doppelte der höchsten vorhandenen Audiofrequenz sein, um Aliasing zu verhindern (gemäß Nyquist-Rate-Sampling): en.wikipedia.org/wiki/Nyquist_rate und en.wikipedia.org/wiki/Aliasing und cs.cf.ac. uk / Dave / Multimedia / node149.html
Andy aka
"Momentanfrequenz" ist keine sinnvolle Sache. Die Ausgangsmodulation der PWM erfolgt durch Festlegen einer sehr hohen PWM-Frequenz und Variieren des Tastverhältnisses, um den gewünschten analogen Ausgangspegel in jeder Abtastzeitperiode anzupassen.
pjc50
Wie schnell wir also das Tastverhältnis der festen Frequenz pwm ändern, sollen wir ein Signal mit einer Amplitude erzeugen, die proportional variiert, und somit wird die endgültige Signalfrequenzkomponente dadurch gesteuert, wie schnell wir das Tastverhältnis des pwm-Signals ändern? GENIAL!!!
quantum231
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@vaxquis Ich stimme nicht zu. Jeder PWM-Zyklus kann unabhängig von der Geschwindigkeit des Analogsignals ein Markierungsabstandsverhältnis beliebiger Präzisionstiefe aufweisen. Es ist wie bei einem herkömmlichen DAC - ein Signal kann nur spärlich abgetastet werden, aber die Bittiefe (auch bekannt als Duty Cycle Resolution) bleibt davon unberührt. Vielleicht hast du dich nicht sehr gut erklärt?
Andy aka
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PCM mit DAC, Filter und Verstärker

Dies hängt davon ab, wie Ihr DAC intern aufgebaut ist. Die meisten Soundkarten-DACs verwenden eine Sigma-Delta-Modulation, die der PWM-Modulation insofern ähnelt, als es sich um ein Ein-Bit-Signal handelt, das mit hoher Geschwindigkeit über einen Filter ein- und ausgeschaltet wird, wobei jedoch ein intelligenterer Algorithmus verwendet wird, um den richtigen Ausgangspegel und die richtige Anstiegsrate sicherzustellen.

Dieses Beispiel-Codec-Datenblatt für Soundkarten enthält ein schönes Diagramm auf der ersten Seite.Bildbeschreibung hier eingeben

Sie können mit reinem PWM einen recht anständigen Klang erzielen, wenn Ihr PWM schnell genug ist. Es muss eine PWM-Frequenz haben, die viel höher ist als die von Ihnen gewünschte höchste Audiofrequenz im MHz-Bereich.

Siehe Konvertieren von PWM in ein analoges Signal

pjc50
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Das PWM-Tastverhältnis ist direkt proportional zur Signalamplitude. Wie wird die Audiosignalfrequenz dargestellt?
quantum231
Ja, das PWM-Tastverhältnis gibt Ihnen einen Signalpegel. Wenn Sie also jede 1 / 40000s-Periode als "Probe" behandeln und den PWM-Pegel mit dieser Rate einstellen, können Sie so tun, als hätten Sie zu jedem Zeitpunkt einen analogen Pegel ausgegeben. Auch hier muss die PWM-Frequenz viel schneller sein als die Frequenz der Audio-Samples für die Wiedergabe.
PJC50
@ quantum231: Vergessen Sie PWM für einen Moment und überlegen Sie sich eine digitale Codierung, bei der 1 die Spannung erhöht und 0 die Spannung verringert. Es ist leicht vorstellbar, eine beliebige Wellenform durch Aneinanderreihen von Einsen und Nullen zu zeichnen. Es wird nicht genau sein, aber gut genug. Es wird für absolute Stille sorgen, da es "keine Spannungsänderung" nicht wirklich codieren kann, aber mit den meisten Audio-Wellenformen gut funktioniert.
Slebetman