Audio概述及常见问题（上半篇：理论篇）
谨以此文，作为我过去几年在音频方面的投入的一个纪念。这次Audio概述将分为两部分，这一篇偏重于理论方面，下一篇将会偏重于实践与应用方面。
本文的主要内容有：
- 音频概述
- 音频的关键参数
- 音频功放
- 类型
- Class-AB与Class-D
- 三种功放输出（SE/BTL/PBTL）
- Class-D 电感问题
- 音频ADC/DAC/Codec
导航目录
1. 音频概述
- 音频是一种可以听得见的东西。包括音乐，噪声，说话声。
- 音频频段定义范围是20Hz~20kHz，这个定义是近似的人耳能够听见的最低~最高频率。
- 一个普通的人一般听觉范围为50Hz~18kHz。
- 音频系统分为：
- Audio recording / 音频录音：将自然界的声音使用ADC转化为数字信号，存储在介质中。
- Audio playback / 音频回放：将存储的音频经过解码，放大后驱动喇叭播放出来。
- 音频的存在有三种形式:
- 声学形式， Acoustics：传播在空气或者其他介质中，直接被人耳听到。
- 电信号形式，Electronics：通常是电压信号，可以直接驱动喇叭或者被放大后驱动喇叭。
- 数字形式，Digitalized ：被编码后的音频文件或者数据，存储在介质中或者正在线路中传输。
- 那么问题来了，PWM信号属于什么呢？
▲声音存在的不同形式
2. 音频的关键参数
音频的关键参数有信噪比、动态范围、失真、输出功率等。
2.1 信噪比（SNR）
- 信噪比：信号和噪声的比值。单位为dB
- 实际意义：一个音频信号的底噪大小。
- 测试方法
- 第一步，将被测设备调整到正常输出（通常为0dB输出或者最大不失真输出）获得信号幅度。
- 第二步，关闭信号输入，获得此时的度数，即低噪幅度。
- 信号幅度和低噪幅度的比值即为信噪比（SNR）。
常见音频系统的SNR：
那么问题来了，人耳大概能听清多少mV的声音信号？
2.2 动态范围（DR or DNR）
- 动态范围：设备能够输出的最大信号幅度和可分辨的最小信号幅度的比值。单位为dB。
- 实际意义：反映了一个音频系统输出最大幅度的同时，其最小输出信号的解析度。所以又称为动态解析度。
- 测试方法
- 首先将被测设备输出调整到最大不失真幅度。
- 然后将输入信号降低-60dB，采用一个滤波器将输出的测试信号频率分量滤除，获得剩下的噪声电平幅度。
- 该设备的动态范围为最大不失真幅度与该噪声电平幅度的比值。
那么问题来了，SNR与DNR有什么区别？
▲SNR与DNR的区别
2.3 总谐波失真+噪音（THD+N）
- THD+N (总谐波失真+噪音) ：谐波和噪音能量与总输出能量的比值
- 实际意义：用来表示一个系统的非线性程度，通俗的说是声音的纯度
THD+N来源：
那么问题来了，THD+N跟DNR是独立的参数吗？
2.4 输出功率计算
- 输出功率遵循欧姆定律：
P = Vrms2/R
- 对正弦波：
Prms = Vp2/(2R)
- 单端信号
Vp = Vcc/2
所以我们有：
2.5 看懂Datasheet图表
摘自PAM8302：
这么几个问题值得考虑：
1. 为什么第一个图里面，曲线会突然上扬？（削波时失真变大）
2. 为什么在6-7k的时候，THD+N是最高的？（后级有20kHz的低通滤波器滤掉了更高频率的谐波）
3. 为什么输出功率在THD+N为1%与10%的时候可以测到不同的值？（幅度大，削波大，功率则越大）
3. 音频功放类型
3.1 音频功放类型
音频功放的分类：
- 几个容易混淆的概念：
- 数字功放 = Class D、模拟功放
- 数字输入功放 = I2S 输入的功放
- 甲乙类放大器 = Class AB放大器
- 音响、音箱
- 开环功放、闭环功放
3.2 Class-AB与Class-D
- D类放大器的优势：
- 温度低
- 所需电流小：续航时间长、电源易设计、
- 相同功率的Class-AB需要更大的散热片：空间小、成本低
- D类放大器劣势：
- EMI问题，额外的EMC器件消耗成本与空间
- 干扰AM/FM以及射频
- 输出需要额外的电感
- 听感差？
三种功放类型：模拟输入/数字输入单芯片/数字输入分立式。
模拟输入功放
- 优点：
- 应用简单
- 无需MCU控制
- 成本一般较低
- 缺点：
- 容易受到噪音干扰
- 无任何音乐处理能力
- 启动时序要求严格（POP）
数字输入功放：
- 优点：
- 全数字
- 无模拟噪声
- 具有VOL/EQ/DRC等处理功能
- 上电时序灵活
- POP声控制简单。
- 缺点：
- 必须用MCU控制
- 输入必须是I2S数字音频
- 相对价格稍高
数字输入分立式:
- 优点：
- 多声道
- 组合灵活
- 功率更大
- 缺点：
- 显而易见
3.3 三种输出方式：SE/BTL/PBTL
SE
- 优点：
- 成本低
- LC滤波器数量少
- 单路输出需要1颗电感
- 缺点：
- 需要隔直电容
- 低频响应差
- 输出功率在同等条件下比BTL小4倍
- 电源抑制比低
- 容易受到噪声干扰（输入）
参考电路：
BTL:
- 优点：
- 低频响应好
- 无需隔直电容
- 输出功率在同等条件下是SE的四倍
- PSRR较好
- 差分输入噪声免疫力较好
- 缺点：
- 成本较高
- 单路输出需要2颗电感
参考电路：
PBTL：
PBTL 将两个BTL并联使用，功率计算公式与BTL相同。但重点是可以double输出电流。即可以支持低阻抗的喇叭来满足更大功率输出。
例如，原BTL最低支持4ohm喇叭，在12V下最大功率为18W。 PBTL可以用2ohm喇叭达到36W最大功率。
参考电路：
3.4 D类放大器电感问题
- D类放大器是否一定需要电感？
- 电感/磁珠的作用：
- 过EMC
- 音频测试的需要
- 减小喇叭发热，保护喇叭
- 改善听感
- 小功率D类放大器不需要电感或LC滤波器（<3W)
- 电流规格选取要注意
- L、C选取都要注意，并不是LxC选好截止频率就可以。
4. 音频ADC/DAC/Codec
- 音频Codec，顾名思义：Cod-Dec。Cod意为Coder，Dec意为Decoder。即：同时包含音频ADC与音频DAC
- 关键参数：
- 位数Resolution
- 失真THD
- 信噪比SNR
- I2S信号
