信號鏈基礎(chǔ)知識#69：謹(jǐn)慎增加音頻處理系統(tǒng)的 THD：如何操作，為什么？

對于為獲得更高音頻系統(tǒng)保真度而努力的您，我們給您介紹一種新的概念。許多系統(tǒng)，特別是應(yīng)用到家庭影院/迷你小型樂隊市場的一些系統(tǒng)，都謹(jǐn)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(shè)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，同時限制峰值的出現(xiàn)。

一些客戶在一些列產(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，簡化庫存。他們可能會使用一種小功率電源來節(jié)省成本?？蛻魰褂靡粋€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（通過限制輸出），這樣可以保護(hù)小功率電源免受過電流狀態(tài)的損壞。但是，一個簡單的衰減器便可讓系統(tǒng)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需小心謹(jǐn)慎，不得增加過多！

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

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

之后，下調(diào)該數(shù)據(jù)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

這聽起來簡單，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為 9.23 的數(shù)據(jù)格式。這種采樣數(shù)據(jù)可用下列方法表示 16 位或者 24 位數(shù)據(jù)：

圖 2 把標(biāo)準(zhǔn)16位或者24位音頻采樣映射至 32 位或者 48 位內(nèi)存位置中

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

在頂端，共有 9 個位，用于防止音頻數(shù)據(jù)意外飽和。例如，如果您使用一個24-dB增壓的均衡器 (EQ)，并且您輸入一個“全量程”16 位字，則您可能會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。

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

實(shí)例操作

在我們的例子中，系統(tǒng)有一條9.23音頻通路。我們希望在–12 dB輸出下產(chǎn)生10%THD。平均輸入為–10 dBFS（–10 dB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，在一個增壓模塊中，我們給原始源添加10 dB，以達(dá)到全量程，之后再添加27dB來填充9個溢出位?，F(xiàn)在，增加3dB增益，以對信號削波?？傆嫞覀冃枰黾?0dB增益。

現(xiàn)在，我們有一個填充音頻通路MSB的信號，并要求進(jìn)行削減，這樣便可在–12 dB下輸出內(nèi)容。這意味著削減39dB。產(chǎn)生的輸出具有10%失真，且輸出電平為–12 dB?？?！我們現(xiàn)在已經(jīng)在–12 dB輸出下增加了RMS功率（通過增加失真），并同時讓電源和揚(yáng)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，利用 TI 的 TI’s PurePath™工作室圖形開發(fā)環(huán)境，可以快速地對其進(jìn)行樣機(jī)制造和試聽。