采用PWM進行播放語音原理

1.概述

大多數微控制器上播放音頻都是采用DAC進行輸出，因為微控制器上都不會去帶CODEC編解碼芯片，但是DAC不是每個芯片都會存在，如果沒有DAC，那又該怎么辦呢？于是PWM就成了一個不錯的選擇。因為一般的微控制器板子都會有PWM，這樣的設計大大簡化了語音設計的門檻。其原理就是PWM可以變成一個DAC，然后進行語音信號的輸出，經過功率放大器，經過喇叭，則可以將數字信號變成聲音信號正常輸出了。

2.聲音原理

學過物理知識的都知道，聲音其實是一種波，通過空氣振動等彈性介質傳遞到人的耳朵里引起耳膜震動，牽動大腦的聽視覺神經，經過大腦處理后，就會產生聽覺。

人能夠分辨的聲音的頻段為最低20Hz到最高20KHz。中學物理就學過，聲音的三特征是：音調、響度和音色，響度是由聲源振動的幅度決定的，振幅越大，響度越大；音調的高低和振動的頻率有關，頻率越高，音調越高；音色不同，波的特征也不同。

既然聲音是一種波形，波則有兩個特征：頻率和振幅。對于單片機來說，表述這兩個概念則需要一定的技巧，頻率是單片機本來就具有的特性，可以通過時鐘產生特定頻率的信號，對于振幅，數字信號0與1該如何表述呢？可以通過位寬深度來進行表述，比如8位的位寬深度則可以表達的量化數據為0-256之間的數據，對于數字信號，聲音數據也有采樣的位寬，所以這個也可以用單片機描述，DAC則可以用來做這個，結合定時器產生特定的頻率從而讓機器發出聲音。

3.DAC產生聲音的原理是什么

要想真正理解DAC是如何工作的，必須首先了解什么是模擬信號，模擬信號是一個不斷變化的電壓，它可以完美的表達不斷變化的聲波。麥克風可以將傳入的聲音轉換為代表聲音的模擬電信號，這些電信號通過揚聲器將模擬電信號轉換成原始聲音。

那么該如何記錄這些模擬信號呢？很早的時候，人們就想出了將模擬信號存儲為唱片上的凹槽。通過指針的來回移動從而表達出聲音的電模擬信號。隨著時間的推移，將這種凹槽早已變成和數字信號存儲在了硬盤或者各種磁帶中，而這些0或者1則表示音頻信號的信息。

對于聲音信號，光盤可以存儲每秒為44100次的16位深度量化二進制數據（16bit/44kHz）。于是在進行DAC輸出的時候，我們也可同樣采用16位寬的DAC進行采樣，然后以44kHz的頻率將聲音信號轉化出來，這對于MCU上去操作DAC并非難事，只需要啟用一個16位寬的DAC和一個定時器即可，定時器用于控制聲音輸出的頻率，如采樣率位44.1KHz，則按照該時鐘頻率輸出即可。

4.PWM又是如何實現的DAC的

在理解上述原理之后，我們來理解一下PWM，以及PWM是如何進行工作的。

PWM（Pulse Width Modulation）最簡單的理解就是MCU內部有個定時器，定時器特定的時間內將GPIO的電平翻轉一下。對于翻轉的時間間隔的比例就是占空比，而持續這兩個過程則可以算為一個周期。這種是對于數字信號的描述，我們轉變一下思維，從模擬信號的角度去理解pwm。

則可以看到上面的圖示了，在一個周期內，其占空比決定了平均電壓值，紅色的線表示平均電壓。對于一個周期內的數據，我們可以進行量化，其量化的方式為首先設定（0~5v）之間的電壓用（0-256表示），此時就可以有8位分辨率（2^8=256）。由于每個量化點都可以表示一個電壓，而電壓又直接和PWM的一個周期的占空比直接相關，所以可以得到占空比和量化點的關系。同樣的16位量化數據則表現的更為精確。但是如果量化的數據越大，則PWM頻率越低（計數的時間變長），這是PWM的基本權衡。執行的越快，精度就越低。這里比較關鍵，但需要好好理解，隨著PWM頻率的不斷提升，其占空比的選擇就不再那么隨意了，精度會大大的降低。

5.PWM的頻率與底噪的關系

音頻設備有個參數叫信噪比，是信號與噪聲的比例，模擬信號必然會產生噪聲。越好的設備信噪比越大，也就是需要非常大的增益才能聽得到底噪。

信噪比（Signal-to-noise ratio，縮寫為 SNR 或 S/N），也稱作信雜比或訊雜比。

通常PWM發出的聲音無法去除掉這一點，但這些聲音有時候會變得有趣，比如紅白機8bit游戲音樂。

確切的說，如果要提升音質，那么可以采用16位數據。有著如下的公式說明：

SNR(dB)=(Bit Depth)*6.02dB + 1.76dB)

也就是說，如果要獲得更好的聲音效果，可以有兩種辦法，第一種是降低PWM的頻率，也就是上一章節解釋的那樣，想要獲得更大的深度，則必須降低PWM的頻率。第二種則是增加PWM的數量。根據奈奎斯特采樣定理，PWM的最高頻率至少是聲音最高頻率（20Khz）的兩倍。

上圖描述了采樣頻率和PWM數量以及位寬深度的關系。如果增加PWM的數量，則可以提升采樣的精度，比如在不改變PWM的頻率下可以改變其位寬深度。

6.PWM音樂曲目解析

我曾經看到過一篇很有意思的文章，就是講了pwm然后用無源蜂鳴器做個播放器的播放《你笑起來真好看》這個曲目，我覺得很有意思。我的上述分析雖然不是完全的可以結合上這個原理，但是至少可以幫助理解一下樂理知識。在音樂中，節奏和節拍兩者相輔相成，構成音樂的骨架。使用PWM直接給無源蜂鳴器供電，當高電平時，無源蜂鳴器響，低電平時不響。然后給定音樂的節拍讓其響或者不響，則可以演奏出樂曲出來，而人發出的聲音卻比這個要復雜許多，高低變化的聲音，聲調的變化要展示出來，是非常有難度的事情。