脉冲宽度调变 — 从电子屏幕到1位元音乐
刊登日期: 2024年1月30日

随着科技急速发展，我们使用电子产品的时间愈来愈长，但长时间注视电子屏幕，常常会引发眼睛疲劳甚至头痛。其中一个导致不适的成因，可能是屏幕生产商使用脉冲宽度调变技术来调节屏幕的亮度。

脉冲宽度调变，简称PWM，是一种通过不断在「开」（高电压）和「关」（低电压）的输出间切换，并调整开与关所占的时间比例来控制二进制电子讯号平均传输功率的技术。脉冲宽度调变在各种范畴中得到广泛应用，包括降低平均传输功率和模拟模拟信号。

以使用脉冲宽度调变技术来控制光度的液晶体显示屏为例——当屏幕的亮度设置为100%时，屏幕所接收的电压为持续不变的高电压。当我们调暗屏幕，整个屏幕会以肉眼不可见的频率，快速的在开与关之间切换。假如屏幕开及关的状态各占一半，可感知的亮度水平便是50%。若要将亮度进一步降低至25%，则需要再减少50%的亮屏时间。

尽管屏幕闪烁的频率非常高，但有些人可能对其敏感，从而引发头痛。因此，一般建议我们需减少使用屏幕的时间，特别是当屏幕设置为较低亮度时。

纵然这为我们带来不方便，但脉冲宽度调变的另一个用途，却曾为一款最初被认为只能发出「嘟嘟」声的电脑音讯系统注入了新的生命。这台电脑就是80年代第一款经济型家用电脑ZX Spectrum。

为了降低成本，ZX Spectrum 的内建音讯介面配备了一个「蜂鸣器」扬声器，可提供10个八音度音域，1位元单音色通道的音讯播放，原始旋律输出类似于单音贺卡。

这种限制非但没有扼杀创造力，反而作为催化剂，推动音乐工程师克服技术障碍，找寻创新的解决方案。其中一个方案就是利用脉冲宽度调变技术来产生复调、多声道音乐。

扬声器产生的音调高低取决于电压频率，即每秒的周期数。

要制作复音音乐，即同时播放两段或以上的独立旋律，讯号必须包含多个电压频率。这些波形互相结合，振幅会相应增加或减少，亦即相长或相消干涉。

然而，在1位元的环境中，简单地将两个波形相加会导致音乐严重失真。这是因为1位元波形的振幅只能是0或1，因此无法准确呈现额外的讯号。

由于音调由其频率决定，因此导通时间百分比（工作周期）不同但频率相同的讯号，尽管声音的饱满度不同，但音调是相同的。

利用这一现象，音乐工程师将导通时间降低至 6.25% 左右，尽可能减少波峰互相碰撞的机会。这样，就可以在同一讯号中加入多种频率，产生复音音乐。

虽然技术上的限制如今已不复存在，但1位元音乐创作在音乐界仍占有一席之地，每年都有新的歌曲推出。

除了上述两个例子，您还能举出其他同样使用脉冲宽度调变技术的领域吗？