PWM实现语音播放原理

采用PWM进行播放语音原理

1.概述
2.声音原理
3.DAC产生声音的原理是什么
4.PWM又是如何实现的DAC的
5.PWM的频率与底噪的关系
6.PWM音乐曲目解析
7.后续

1.概述

大多数微控制器上播放音频都是采用DAC进行输出，因为微控制器上都不会去带CODEC编解码芯片，但是DAC不是每个芯片都会存在，如果没有DAC，那又该怎么办呢？于是PWM就成了一个不错的选择。因为一般的微控制器板子都会有PWM，这样的设计大大简化了语音设计的门槛。其原理就是PWM可以变成一个DAC，然后进行语音信号的输出，经过功率放大器，经过喇叭，则可以将数字信号变成声音信号正常输出了。

2.声音原理

学过物理知识的都知道，声音其实是一种波，通过空气振动等弹性介质传递到人的耳朵里引起耳膜震动，牵动大脑的听视觉神经，经过大脑处理后，就会产生听觉。

人能够分辨的声音的频段为最低20Hz到最高20KHz。中学物理就学过，声音的三特征是：音调、响度和音色，响度是由声源振动的幅度决定的，振幅越大，响度越大；音调的高低和振动的频率有关，频率越高，音调越高；音色不同，波的特征也不同。

既然声音是一种波形，波则有两个特征：频率和振幅。对于单片机来说，表述这两个概念则需要一定的技巧，频率是单片机本来就具有的特性，可以通过时钟产生特定频率的信号，对于振幅，数字信号0与1该如何表述呢？可以通过位宽深度来进行表述，比如8位的位宽深度则可以表达的量化数据为0-256之间的数据，对于数字信号，声音数据也有采样的位宽，所以这个也可以用单片机描述，DAC则可以用来做这个，结合定时器产生特定的频率从而让机器发出声音。

3.DAC产生声音的原理是什么

要想真正理解DAC是如何工作的，必须首先了解什么是模拟信号，模拟信号是一个不断变化的电压，它可以完美的表达不断变化的声波。麦克风可以将传入的声音转换为代表声音的模拟电信号，这些电信号通过扬声器将模拟电信号转换成原始声音。

那么该如何记录这些模拟信号呢？很早的时候，人们就想出了将模拟信号存储为唱片上的凹槽。通过指针的来回移动从而表达出声音的电模拟信号。随着时间的推移，将这种凹槽早已变成和数字信号存储在了硬盘或者各种磁带中，而这些0或者1则表示音频信号的信息。

对于声音信号，光盘可以存储每秒为44100次的16位深度量化二进制数据（16bit/44kHz）。于是在进行DAC输出的时候，我们也可同样采用16位宽的DAC进行采样，然后以44kHz的频率将声音信号转化出来，这对于MCU上去操作DAC并非难事，只需要启用一个16位宽的DAC和一个定时器即可，定时器用于控制声音输出的频率，如采样率位44.1KHz，则按照该时钟频率输出即可。

4.PWM又是如何实现的DAC的

在理解上述原理之后，我们来理解一下PWM，以及PWM是如何进行工作的。

PWM（Pulse Width Modulation）最简单的理解就是MCU内部有个定时器，定时器特定的时间内将GPIO的电平翻转一下。对于翻转的时间间隔的比例就是占空比，而持续这两个过程则可以算为一个周期。这种是对于数字信号的描述，我们转变一下思维，从模拟信号的角度去理解pwm。

则可以看到上面的图示了，在一个周期内，其占空比决定了平均电压值，红色的线表示平均电压。对于一个周期内的数据，我们可以进行量化，其量化的方式为首先设定（0~5v）之间的电压用（0-256表示），此时就可以有8位分辨率（2^8=256）。由于每个量化点都可以表示一个电压，而电压又直接和PWM的一个周期的占空比直接相关，所以可以得到占空比和量化点的关系。同样的16位量化数据则表现的更为精确。但是如果量化的数据越大，则PWM频率越低（计数的时间变长），这是PWM的基本权衡。执行的越快，精度就越低。这里比较关键，但需要好好理解，随着PWM频率的不断提升，其占空比的选择就不再那么随意了，精度会大大的降低。

5.PWM的频率与底噪的关系

音频设备有个参数叫信噪比，是信号与噪声的比例，模拟信号必然会产生噪声。越好的设备信噪比越大，也就是需要非常大的增益才能听得到底噪。

信噪比（Signal-to-noise ratio，缩写为 SNR 或 S/N），也称作信杂比或讯杂比。

通常PWM发出的声音无法去除掉这一点，但这些声音有时候会变得有趣，比如红白机8bit游戏音乐。

确切的说，如果要提升音质，那么可以采用16位数据。有着如下的公式说明：

SNR(dB)=(Bit Depth)*6.02dB + 1.76dB)

也就是说，如果要获得更好的声音效果，可以有两种办法，第一种是降低PWM的频率，也就是上一章节解释的那样，想要获得更大的深度，则必须降低PWM的频率。第二种则是增加PWM的数量。根据奈奎斯特采样定理，PWM的最高频率至少是声音最高频率（20Khz）的两倍。

上图描述了采样频率和PWM数量以及位宽深度的关系。如果增加PWM的数量，则可以提升采样的精度，比如在不改变PWM的频率下可以改变其位宽深度。

6.PWM音乐曲目解析

我曾经看到过一篇很有意思的文章，就是讲了pwm然后用无源蜂鸣器做个播放器的播放《你笑起来真好看》这个曲目，我觉得很有意思。我的上述分析虽然不是完全的可以结合上这个原理，但是至少可以帮助理解一下乐理知识。在音乐中，节奏和节拍两者相辅相成，构成音乐的骨架。使用PWM直接给无源蜂鸣器供电，当高电平时，无源蜂鸣器响，低电平时不响。然后给定音乐的节拍让其响或者不响，则可以演奏出乐曲出来，而人发出的声音却比这个要复杂许多，高低变化的声音，声调的变化要展示出来，是非常有难度的事情。

7.后续

本文分析了声音通过PWM或者DAC产生的一些原理和过程，其中比较关键的是PWM从模拟信号的角度上来看，其占空比的变化也可以变成电压信号。从而通过类似于DAC的原理，此时加上定时器，按照声音特定的频率去播放，则可以输出声音了。当然，本文至少从原理上说明这个方案是可行的，更多的细节和更多的技术实现还在是要继续进行探索，后面会研究多个PWM如何提升声音信噪比以及带来的副作用是那些，也会去用MCU的视角去理解更多乐理知识。

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