一种基于PWM的音频输出方法和装置与流程

本发明涉及音频输出领域，特别是涉及一种基于pwm（脉冲宽度调制）的音频输出方法和装置。

背景技术：

1、随着物联网技术的发展，物联网设备在满足联网数据传输的功能上还需扩展其它功能，例如一些产品需要满足语音播报的功能,这时候往往需要在原有的通信模组外围增加一个音频codec芯片，codec芯片把数字音效数据转换为可输出的模拟信号。

2、现有技术为了扩展语音功能，通常的做法都是模组外挂音频codec芯片，模组通过i2s等接口与codec芯片连接，将数字音效数据传输到codec芯片，codec芯片将这些数字信号转换成模拟信号。转换后的模拟信号经过pa（功放）放大之后输出，由放大后的信号驱动喇叭发出声音。现有技术使用音频codec芯片扩展语音功能，虽然可以得到较好的音质，但由于要采用一颗codec芯片，在一些对音质没有很高要求的应用场景，增加硬件成本，不具备良好的性价比，同时提升了硬件电路设计的复杂性。

3、pwm（pulse width modulation）一般指脉冲宽度调制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

4、例如一种在中国专利文献上公开的“一种声音功放系统及控制方法”，其公告号为cn112770225a，控制方法包括如下步骤：“采集声音信号，将声音信号转换为电信号；对所述电信号进行调制处理，获得占空比与所述电信号的频率成比例的pwm脉宽信号；对所述pwm脉宽信号进行放大以及高频滤波处理，获得驱动扬声器的输出信号”。

5、其声音功放系统包括：“麦克风，用于采集声音信号，将声音信号转换为电信号；主控制模块，用于接收所述电信号，对所述电信号进行调制处理，获得占空比与所述电信号的频率成比例的pwm脉宽信号，以及控制显示模块；驱动模块，用于将接收到的所述pwm脉宽信号放大后输入数字功放模块；数字功放模块，用于对接收到的所述pwm脉宽信号进行功率放大和高频滤波，获得输出信号；显示模块，与所述主控制模块连接，用于显示声音功率放大的比例”。

6、该专利文献电路设计复杂，硬件成本高，没有对pwm脉宽信号进行范围限定，高频滤波不能完全滤除干扰波，影响工作效率，滤波和信号放大同时进行，容易相互干扰，影响电路稳定性。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种基于pwm的音频输出方法和装置；通过通信模组对pwm波进行范围限定，使得后续的滤波电路能很好的滤除干扰波，提高工作效率；通过低通滤波电路和功放电路的连接关系将滤波和信号放大的功能独立出来，互不干扰，提高了电路的稳定性。

2、为实现上述目的，根据发明实施的一个方面，提供了一种基于pwm的音频输出方法。

3、一种基于pwm的音频输出方法，包括：s1:获取音频数据；

4、s2:将步骤s1中获取的音频数据转化为音频pwm波；

5、s3:将步骤s2中转化的音频pwm波转化为滤波输出信号；

6、s4:将步骤s3中转化的滤波输出信号放大为音频输出信号。

7、这样本发明通过获取音频数据将音频数据转化为音频pwm波，通过对音频pwm波的转化为滤波输出信号，通过将滤波输出信号转化为音频输出信号，实现了音频输出的功能。同时在音频数据转化为音频pwm波时进行限定，将pwm脉宽信号限定在一定范围内，配合后续滤波电路，实现了对干扰波的滤除，一定程度上提高了工作效率。同时将滤波的步骤和放大的步骤分开，相互独立，互不干扰，提高了整体电路的稳定性。

8、作为优选，步骤s1具体包括：s11:将文本信息转化为语音信息；s12:将语音信息合成为音频数据；s13:从音频数据中获取采样速率的参数和采样位数的参数。将文本信息转化为语音信息使得本发明应用领域更广泛，可以应用于文字转语音领域。语音信息合成为音频数据保证了音频数据的完整性，保证前期传输过程中不会丢失信息。从音频数据中获取采样速率的参数和采样位数的参数，该步骤和文本信息转化为语音信息的步骤同步进行，更加高效和快捷，同时为之后的波形转化打下了基础，节约了更多时间，间接提高了工作效率。

9、作为优选，步骤s11中文本信息通过tts库转化为语音信息，步骤s12中语音信息通过tts库合成为音频数据。通过tts库同时完成了文本转语音以及语音合成音频的功能，方便，快捷，工作效率高，为之后的工作进行了良好的铺垫。

10、作为优选，步骤s13中通过音频数据包含的字符信息确定采样速率的参数和采样位数的参数。采样速率和采样位数都来自音频数据包含的字符信息，保证了数据的准确性，同时通过字符信息获得两个参数，两者之间相互联系，方便后续的数据处理，节约了数据处理成本。

11、作为优选，采样速率的参数和tts库文件所定义的采样速率一致，所述采样位数的参数和tts库文件所定义的采样位数一致。采样速率由tts库文件定义，其定义的范围包括了人体耳朵所能识别的范围，保证了音频输出能被人的耳朵识别到。采样位数由tts库文件定义，相当于对采样位数进行了限定，确保了数据量不会太大，方便了后续对采样位数的进一步处理，提高了工作效率。通过对tts定义文件的修改来达到修改采样速率的参数和采样位数的参数的目的，步骤更加简单，流程更加简洁，节约了操作的成本。

12、作为优选，步骤s2具体包括：

13、s21采样,根据采样速率的参数对步骤s12所述的音频数据进行采样，所述采样数量和采样速率的参数成正比；

14、s22量化，根据采样位数的参数对步骤s12所述的音频数据进行量化，量化级和采样位数的参数成正比，共分2的n次方级，其中n为采样位数的参数，音频数据与量化值一一对应；

15、s23生成音频pwm波，步骤s22的量化级和音频pwm波的占空比一一对应，其中量化最高级占空比记为100%，其余量化级占空比记为（自身量化级/量化最高级）*100%。

16、通过采样速率和采样位数确定量化级方便了后续的占空比处理，提高了工作效率。对占空比的处理刚好契合pwm波，得到的占空比刚好能绘制对应的音频pwm波提高了工作效率。同时对量化级的限定保证了后续音频pwm波中杂波的频率被限定在了一个合理的范围内，使得后续低通滤波电路能恰到好处的滤除该杂波。

17、一种基于pwm的音频输出装置，包括：通信模组，通信模组内部合成有tts库，通信模组输出端连接有低通滤波电路输入端，低通滤波电路输出端连接有功放电路输入端。

18、通信模组输入文本信息，输出音频pwm波，音频pwm波依次经过相连接的低通滤波电路和功放电路。

19、通过相互连接但是工作各自独立的低通滤波电路和功放电路以及通信模组实现了从文本信息到音频输出信号的处理，实现了音频输出的功能。相互独立的设计确保了整体电路的稳定性，相互直接的连接确保了工作的有序性，通过前段模组的限定确保了后续工作的正常进行。

20、作为优选，低通滤波电路的输入端依次和电阻r1,电阻r2以及低通滤波电路的输出端串联，电阻r1和电阻r2之间并联有接地的电容c1，电阻r2和低通滤波电路的输出端之间并联有接地的电容c2。该电路是个二阶低通滤波电路，所需的成本低，电路设计简单，该电路实际的截至频率和仿真结果接近，说明该电路能恰好滤除音频pwm波中的杂波，原有的技术方案需要外挂codec芯片，一颗芯片的价格至少在0.5元，而在低通滤波电路中只需要两颗电阻和两颗电容，成本上不到0.1元。这样一来，单个产品在成本上至少节省0.4元。

21、作为优选，低通滤波电路输出端依次和电容cin，电阻rin，功放电路的inp接口串联连接。音频pwm波经过低通滤波电路后转化为滤波输出信号，滤波输出信号依次经过串联的电容cin，电阻rin和功放电路的inp接口。串联的电容cin和电阻rin形成了一个高通滤波器，用来滤除滤波输出信号中的直流分量，确保了后续电路的正常工作。

22、作为优选，功放电路的输出端包括von接口和vop接口，von 接口依次串联有电感l500和扬声器接口2，vop接口依次串联有电感l501和扬声器接口1，扬声器接口1和电感l501连接处还并联有接地的电容c509，扬声器接口2和电感l500连接处还并联有接地的电容c508。音频输出信号是滤波输出信号经过功放电路放大输出的，功放电路的输出端电路设计简单，所需成本低又恰好满足了和扬声器的连接，降低了整体的材料成本。

23、本发明的有益效果是各部分电路设计简单，实际成本低，滤波效果好，工作效率高，整体电路之间相互配合，方法步骤环环相扣，互有联系，效率高，方法简便且有效，方法以及模组电路之间相互独立互不干扰，提高了整体的实用性和稳定性。整体方法适用范围广。