信號鏈基礎知識#69：謹慎增加音頻處理系統的THD：如何操作，為什么？

對于為獲得更高音頻系統保真度而努力的您，我們給您介紹一種新的概念。許多系統，特別是應用到家庭影院/迷你小型樂(lè )隊市場(chǎng)的一些系統，都謹慎地給輸出信號增加失真。盡管這樣做看似不符合我們的常識，但設計人員考慮這么做是有原因的。這種技術(shù)的主要目的是最大化平均功率輸出，同時(shí)限制峰值的出現。

一些客戶(hù)在一些列產(chǎn)品中都使用相同的功率放大器IC。這讓他們可以更大批量地采購一種器件，從而降低成本，簡(jiǎn)化庫存。他們可能會(huì )使用一種小功率電源來(lái)節省成本?？蛻?hù)會(huì )使用一個(gè)小功率電源的閉環(huán)、固定增益放大器。它限制了輸出電壓擺動(dòng)（通過(guò)限制輸出），這樣可以保護小功率電源免受過(guò)電流狀態(tài)的損壞。但是，一個(gè)簡(jiǎn)單的衰減器便可讓系統更加安靜。讓輸出稍微失真，可極大增加感知RMS功率。在確定增加失真程度時(shí)需小心謹慎，不得增加過(guò)多！

對于其他客戶(hù)而言，限制其信號的電壓輸出可幫助限制揚聲器漂移。但是，在這種情況下應小心操作，因為進(jìn)入揚聲器的高RMS功率可能會(huì )引起可靠性問(wèn)題。

在數字處理系統中，可通過(guò)使數字采樣飽和給信號引入THD。也就是說(shuō)，使用足夠增益，推移最高有效位，讓其超出數字采樣大小。例如，您有一個(gè)24位字，您的采樣為0x900000。使用12Db增益，最高音頻位便超出采樣的最高有效位（MSB）。

之后，下調該數據至您需要的音頻輸出電平。所以，其可以概括為：

圖1放大信號為削波增加THD，然后降低輸出產(chǎn)生特定峰值到峰值電壓的更平均功率

這聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但許多音頻處理器實(shí)際并非最高有效位=全量程音頻。例如，一些TI的音頻處理器使用一種被稱(chēng)為9.23的數據格式。這種采樣數據可用下列方法表示16位或者24位數據：

圖2把標準16位或者24位音頻采樣映射至32位或者48位內存位置中

正如您看到的那樣，MSB和LSB添加了一些補位。LSB很容易理解—如果您削減某個(gè)16位字（使用CD播放器），則您仍然有一些無(wú)需刪減便可復制的位。

在頂端，共有9個(gè)位，用于防止音頻數據意外飽和。例如，如果您使用一個(gè)24-dB增壓的均衡器(EQ)，并且您輸入一個(gè)“全量程”16位字，則您可能會(huì )非有意地讓信號飽和，也即增加失真，而這與我們努力的方向背道而馳。

削波時(shí)存在振幅損失，因此THD（后）可能允許少量增益通過(guò)THD管理器。10%失真削波帶來(lái)約–1dB輸出電平損失。

實(shí)例操作

在我們的例子中，系統有一條9.23音頻通路。我們希望在–12dB輸出下產(chǎn)生10%THD。平均輸入為–10dBFS（–10dB參考24位全量程音頻源）。

我們需要放大至全量程及以上（“溢出位”9位）。因此，在一個(gè)增壓模塊中，我們給原始源添加10dB，以達到全量程，之后再添加27dB來(lái)填充9個(gè)溢出位?，F在，增加3dB增益，以對信號削波?？傆?，我們需要增加40dB增益。

現在，我們有一個(gè)填充音頻通路MSB的信號，并要求進(jìn)行削減，這樣便可在–12dB下輸出內容。這意味著(zhù)削減39dB。產(chǎn)生的輸出具有10%失真，且輸出電平為–12dB?？?！我們現在已經(jīng)在–12dB輸出下增加了RMS功率（通過(guò)增加失真），并同時(shí)讓電源和揚聲器的工作都更加輕松愜意。

與圖形可編程處理器（例如：PCM3070等）一起工作時(shí)，利用TI的TI’sPurePath工作室圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以快速地對其進(jìn)行樣機制造和試聽(tīng)。

下次，我們將討論模擬正交調制器失衡的數字校正，敬請期待。