沒有ADC的MCU如何實(shí)現(xiàn)音頻播放呢？

1.概述

大多數(shù)微控制器上播放音頻都是采用DAC進(jìn)行輸出，因?yàn)?a target="_blank">微控制器上都不會(huì)去帶CODEC編解碼芯片，但是DAC不是每個(gè)芯片都會(huì)存在，如果沒有DAC，那又該怎么辦呢？于是PWM就成了一個(gè)不錯(cuò)的選擇。因?yàn)橐话愕奈⒖刂破靼遄佣紩?huì)有PWM，這樣的設(shè)計(jì)大大簡化了語音設(shè)計(jì)的門檻。其原理就是PWM可以變成一個(gè)DAC，然后進(jìn)行語音信號(hào)的輸出，經(jīng)過功率放大器，經(jīng)過喇叭，則可以將數(shù)字信號(hào)變成聲音信號(hào)正常輸出了。

2.聲音原理

學(xué)過物理知識(shí)的都知道，聲音其實(shí)是一種波，通過空氣振動(dòng)等彈性介質(zhì)傳遞到人的耳朵里引起耳膜震動(dòng)，牽動(dòng)大腦的聽視覺神經(jīng)，經(jīng)過大腦處理后，就會(huì)產(chǎn)生聽覺。

人能夠分辨的聲音的頻段為最低20Hz到最高20KHz。中學(xué)物理就學(xué)過，聲音的三特征是：音調(diào)、響度和音色，響度是由聲源振動(dòng)的幅度決定的，振幅越大，響度越大；音調(diào)的高低和振動(dòng)的頻率有關(guān)，頻率越高，音調(diào)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(gè)特征：頻率和振幅。對(duì)于單片機(jī)來說，表述這兩個(gè)概念則需要一定的技巧，頻率是單片機(jī)本來就具有的特性，可以通過時(shí)鐘產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)，對(duì)于振幅，數(shù)字信號(hào)0與1該如何表述呢？可以通過位寬深度來進(jìn)行表述，比如8位的位寬深度則可以表達(dá)的量化數(shù)據(jù)為0-256之間的數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)字信號(hào)，聲音數(shù)據(jù)也有采樣的位寬，所以這個(gè)也可以用單片機(jī)描述，DAC則可以用來做這個(gè)，結(jié)合定時(shí)器產(chǎn)生特定的頻率從而讓機(jī)器發(fā)出聲音。

3.DAC產(chǎn)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(hào)，模擬信號(hào)是一個(gè)不斷變化的電壓，它可以完美的表達(dá)不斷變化的聲波。麥克風(fēng)可以將傳入的聲音轉(zhuǎn)換為代表聲音的模擬電信號(hào)，這些電信號(hào)通過揚(yáng)聲器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成原始聲音。

那么該如何記錄這些模擬信號(hào)呢？很早的時(shí)候，人們就想出了將模擬信號(hào)存儲(chǔ)為唱片上的凹槽。通過指針的來回移動(dòng)從而表達(dá)出聲音的電模擬信號(hào)。隨著時(shí)間的推移，將這種凹槽早已變成和數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)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(hào)的信息。

對(duì)于聲音信號(hào)，光盤可以存儲(chǔ)每秒為44100次的16位深度量化二進(jìn)制數(shù)據(jù)（16bit/44kHz）。于是在進(jìn)行DAC輸出的時(shí)候，我們也可同樣采用16位寬的DAC進(jìn)行采樣，然后以44kHz的頻率將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化出來，這對(duì)于MCU上去操作DAC并非難事，只需要啟用一個(gè)16位寬的DAC和一個(gè)定時(shí)器即可，定時(shí)器用于控制聲音輸出的頻率，如采樣率位44.1KHz，則按照該時(shí)鐘頻率輸出即可。

4.PWM又是如何實(shí)現(xiàn)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(jìn)行工作的。

PWM（Pulse Width Modulation）最簡單的理解就是MCU內(nèi)部有個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器特定的時(shí)間內(nèi)將GPIO的電平翻轉(zhuǎn)一下。對(duì)于翻轉(zhuǎn)的時(shí)間間隔的比例就是占空比，而持續(xù)這兩個(gè)過程則可以算為一個(gè)周期。這種是對(duì)于數(shù)字信號(hào)的描述，我們轉(zhuǎn)變一下思維，從模擬信號(hào)的角度去理解pwm。

則可以看到上面的圖示了，在一個(gè)周期內(nèi)，其占空比決定了平均電壓值，紅色的線表示平均電壓。對(duì)于一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，我們可以進(jìn)行量化，其量化的方式為首先設(shè)定（0~5v）之間的電壓用（0-256表示），此時(shí)就可以有8位分辨率（2^8=256）。由于每個(gè)量化點(diǎn)都可以表示一個(gè)電壓，而電壓又直接和PWM的一個(gè)周期的占空比直接相關(guān)，所以可以得到占空比和量化點(diǎn)的關(guān)系。同樣的16位量化數(shù)據(jù)則表現(xiàn)的更為精確。但是如果量化的數(shù)據(jù)越大，則PWM頻率越低（計(jì)數(shù)的時(shí)間變長），這是PWM的基本權(quán)衡。執(zhí)行的越快，精度就越低。這里比較關(guān)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(huì)大大的降低。

5.PWM的頻率與底噪的關(guān)系

音頻設(shè)備有個(gè)參數(shù)叫信噪比，是信號(hào)與噪聲的比例，模擬信號(hào)必然會(huì)產(chǎn)生噪聲。越好的設(shè)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(fā)出的聲音無法去除掉這一點(diǎn)，但這些聲音有時(shí)候會(huì)變得有趣，比如紅白機(jī)8bit游戲音樂。

確切的說，如果要提升音質(zhì)，那么可以采用16位數(shù)據(jù)。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(jié)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(shù)量。根據(jù)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(shù)量以及位寬深度的關(guān)系。如果增加PWM的數(shù)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(jīng)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(gè)播放器的播放《你笑起來真好看》這個(gè)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(jié)合上這個(gè)原理，但是至少可以幫助理解一下樂理知識(shí)。在音樂中，節(jié)奏和節(jié)拍兩者相輔相成，構(gòu)成音樂的骨架。使用PWM直接給無源蜂鳴器供電，當(dāng)高電平時(shí)，無源蜂鳴器響，低電平時(shí)不響。然后給定音樂的節(jié)拍讓其響或者不響，則可以演奏出樂曲出來，而人發(fā)出的聲音卻比這個(gè)要復(fù)雜許多，高低變化的聲音，聲調(diào)的變化要展示出來，是非常有難度的事情。

7.后續(xù)

本文分析了聲音通過PWM或者DAC產(chǎn)生的一些原理和過程，其中比較關(guān)鍵的是PWM從模擬信號(hào)的角度上來看，其占空比的變化也可以變成電壓信號(hào)。從而通過類似于DAC的原理，此時(shí)加上定時(shí)器，按照聲音特定的頻率去播放，則可以輸出聲音了。當(dāng)然，本文至少從原理上說明這個(gè)方案是可行的，更多的細(xì)節(jié)和更多的技術(shù)實(shí)現(xiàn)還在是要繼續(xù)進(jìn)行探索，后面會(huì)研究多個(gè)PWM如何提升聲音信噪比以及帶來的副作用是那些，也會(huì)去用MCU的視角去理解更多樂理知識(shí)。