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《光谱》封面故事:数字音频最后的疆界

http://www.sina.com.cn 2003年03月04日 10:42 赛迪网

  在自己的发展历程中,数字技术的应用逐渐从CD、DVD等媒体向扬声器等设备领域进军。目前,基于D类放大器(Class D amplifier)已对设备的功效和尺寸产生了深远的影响,其对音质的改进已使其他技术望尘莫及。按照传统的想法,随着设备制造商和用户要求在汽车、个人音频设备和飞机等场所中获得与居室中相似的音响效果,D类放大器在未来大有用武之地,对于今天的用户来说,便携性能和款式已逐渐成为最新音频设备取信于人的首选因素。

  D类放大器已开始取代传统的高保真放大器,在移动及便携设备中尤其如此。最新的D类放大器功效可达90%,而传统的音频发动器只有65%~70%。如此高的耗电利用率一方面可大幅减少散热器体积,另一方面延长MP3播放器等设备的电池一次充电使用时间,或者采用体积更小、更轻便的电池提供能量。

  数十年来,各种D类放大器早已用于需要保证较高电功效的工业和医疗等领域,其成功应用的场合小至听诊器,大至重型发动机和大型电磁体。数年前,欧美及日本的一些公司推出了D类放大器芯片,从而推动这些发动器产品在高保真音频领域获得较大应用。

  最近,D类放大器已突破了高保真领域的限制,逐渐用于MP3播放器、便携式CD播放器、膝上型电脑、蜂窝电话甚至PDA中。同时,采用D类放大器芯片的家用电器也不断涌现,夏普等公司在家用电器市场中推出的此类产品价格从500美元至15000美元不等,其中采用了西格玛-德尔塔增量调制方式,用于减少放大器的功率损失。大部分D类放大器系统均可从CD和MP3播放器中接收数据流,将其转换为模拟信号去驱动扬声器。而与之相比,传统的放大器完全采用模拟方式,用于CD播放器或MP3播放器时,必须将数字信号转换为模拟信号。

  目前,D类放大器主要用于将能级较低的模拟信号放大为能够驱动音频扬声器的电流和电压。值得一提的是,此类放大器在进行这种转换时采用不同的脉冲调制模式,将不断输入的不同模拟信号转换为二元信号,这种模式成为宽脉冲调制。D类放大器也采用2个晶体管,但并不对所有模拟信号进行放大,它们的转换只在+40伏和-40伏间进行,一个晶体管与+40伏的输出端相连接,另一个与-40伏的输出端相连。从理论上来讲,两个晶体管都没有功率损耗。

  然而,D类放大器容易导致失真,这主要是源于不完全的能力供应控制和同步误差。由于D类放大器的输出电压与供电电压成正比关系,因此供电端电压出现任何误差都会导致输出端电压的误差。由电流值变动导致的电压波动被放大器接收后便导致失真。供电端电压不稳定表现之一是电力线波动,在输出端便会表现为噪音或嗡音。在输出电流保持波动的情况下,想要保持供电端电压稳定并非易事。

  另一个导致失真的因素是同步误差,这种误差基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)由开状态转为闭状态的时间存在差别而形成的,这一误差导致输出端转换周期(duty-cycle)偏离输入值,从而导致输出信号波形不同于输入波形。同步误差导致的失真与转换周期误差成直接的正比例关系,其值为时间误差与一个转换周期时间的比值。同步误差越大而且转换频率越高,失真越严重。

  相关公司开发出了IC功率级(power stage)用以将同步误差减小至10毫微秒。该种产品转换频率在350赫兹左右的电流时,其失真率在千分之一左右,这一数值对于投入较低的多话路音频来说已当然可以接受,但对于MP3播放器和家庭立体声设备的高音质放大器来说,失真率需减至万分之一。可资庆幸的是,达到这一要求的代价远不算高。另外,对于D类放大器来讲,频率响应也是主要的性能指标。

  由于存在上述诸多性能问题,许多技术人员都采取了一种技术保守的立场,这导致D类放大器的商用化推迟了若干年。但实际示范和试听测试表明,存在上述负面影响的放大器使用中带来的问题并不象人们想象的那样严重。

  由于目前的信号源都是数字式的,因此人们认为直接由此类信号源导出的都是脉宽调制(PWM)信号,而不必将其首先转换为模拟信号。在二十世纪九十年代,人们找出了几种方案,用于将CD和DVD播放器的数字式输出信号转换为可用来驱动能量转换设备的脉宽调制波。由此人们相信,数字波到模拟波(D-A)的转换存在音质损耗。

  显然,以上两种想法都具有相对性。由脉宽调制波驱动的输出级的谐波畸变值不太可能小于千分之一。目前的技术可以生产出脉宽调制波发生器,但还限于价格相当昂贵的独立式芯片。

  采用模拟回授系统,高清晰度D类放大器所面临的上述3个主要问题(电源调制、同步误差和依赖于负载的频率响应)都可得到有效解决,而且代价不高。目前已有几种这样的系统,这些系统都可补偿输出级失真,其中一部分还能接近频率响应问题。这样的系统还可带来其他的效用,例如对功率级调速进行设置更加方便,这样可增加功效、电磁适应性,而且更加经济。目前可获得几种模拟式D类放大器,与传统的放大器相比具有低谐波畸变率和低输出阻抗,部分此类D类放大器构造上极为简单,只包括为数不多的几个独立部件。

  在当今日益数字化的时代,采用部分模拟机制的方案可能很难让人接受,但鉴于如下事实,这一想法就易于为人所接受了:

  ●扩音器的制造基于模拟机制,其基本技术可追溯到19世纪上半叶。或许业界已开发了许多不同的扬声器制造技术,但某一技术在完全数字化之前只能实现在某种程度上的数字化。

  ●即使高度数字化的设备通常也要用到模拟技术。例如,蜂窝电话发射机就采用了线性放大器,

  ●能级转换产生的负效应本质上也是模拟技术问题,解决这些问题需要高度发达的模拟工程技术。

  ●数字化D级技术仍处于发展初期,目前期望这种数字化放大器来承载全部的转换任务还不现实。

  目前的困惑在于,究竟是应选择发展低成本、高性能的模拟解决方案还是面向未来的造价更高的仍处于发展初期的数字化解决方案。现在看来,消除这种困惑只是时间问题。

  虽然有诸多不足,数字式D级放大器仍然在大步前进。多媒体设备和小型化的集成家庭影院系统虽然有系统集成和小型化需求,但还没有对高清晰度音频性能产生太大的需求。在未来的数字化放大器领域,研究方向将趋于集中在采用数字信号处理(DSP)技术来纠正功率级的不可避免的同步误差上。目前已有几家公司开始着手这方面的努力。(《Spectrum》2003.3 issue Cover Story) (赛迪翻译)


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