浅谈数字功放音质和载波频率的关系

天地音乐

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，实际上的确如此。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15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。
1 Z9 W, {9 C4 i8 V" |下面是一个表：
3 I7 ^5 O) V- i. G: P6 u/ v- cPWM 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
6 u0 I6 _( I8 M6 `1 R6 n7 C, ~) A& R1 T500K 25000 2000 1000 500 250 100 50 33 25
; v3 X& P" C) |' h8 j600K 30000 2400 1200 600 300 120 60 40 30
2 L( |% r( c" _+ @9 G, ?  w1000K 50000 4000 2000 1000 500 200 100 67 50
2000K 100000 8000 4000 2000 1000 400 200 133 100
; |+ U  `# l* H0 N: J* C9 y         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。
: P( M4 ^. M# b7 L  }' _        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，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比较高是奇次失真（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。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。