动态处理器-技术与应用

Rane技术资料

动态处理器 – 技术和应用

作者：Rick Jeffs, Scott Holden, Dennis Bohn, Rane集团

Rane技术资料编号155, 写于2005年9月

第一章 – 动态处理设备基础知识

音频通道的动态范围是指其最大信号和最小信号之比。对信号处理设备而言，最大输出信号取决于设备的供电电压，最小输出信号取决于设备的本底噪声。

专业级的信号处理器最大输出电平可以达到+26dBu，本底噪声最低的可以到-94dBu左右。这时候动态范围可以达到120dB，这个数字很吸引眼球，因为人耳动态范围恰恰也是120dB。由于这个动态范围太大，一般情况下很难满足，所以人们发明了动态处理器。 动态处理器会根据音频信号的频率成分和电平幅值对其进行处理；这个处理跟节目信号类型有关，并非一种恒定的处理方式，而是随着信号变化而变化的，所以是一种“动态”的处理。最常见的四个动态效果分别是压缩、限幅、噪声门和扩展器。除此之外还有各种特殊用途的动态处理器，如：自动增益控制（AGC）、闪避器（Ducker）、去咝声器（De-esser）、电平控制器（leveler）、反馈抑制器（feedback suppressor）、激励器（exciter）和增强器（enhancer）等。虽然名称各不相同，但它们本质上都是自动对音量、或者说对声音的动态进行控制，就像是一只无形的手在随时操作着音量旋钮一样。

所有动态处理器的基本组成结构大都如图1所示：在信号主链上有一个增益控制器（Gain Control），而旁链（side-chain）则由一个信号检测器（Detector）和一个增益计算器（Gain Computer）组成。信号检测器有可能在增益控制器件之前或之后采集信号，这里为了简单起见，把采集信号的位置放在了增益控制器件之前。

图1. 动态处理器常见结构

音频信号沿主链路通过设备。一般地，信号从输入端进来，经过增益控制器，然后输出出去（数字设备中也有类似原理的主链路）。这就类似于让信号经过一个手动控制的音量旋钮的概念。

控制音量的这只“手”，就是旁链（side-chain）。旁链电路会对主链路上的输入信号（或者单独的外部输入Key Input信号）进行检测，然后针对性地输出一个控制电压，来调节信号通道上的增益大小。除此之外，旁链环路中还可以接入滤波器、均衡器等处理设备。后文中会详细介绍这些内容，并介绍各种类型的旁链控制。

有些动态处理器的旁链控制电压可以输出给另一台共用，或者在该处理器内部各通道之间共享。这种主从链接后的动态处理器，其中某一个通道信号超出阈值后，所有设备单元都会同步动作。这种方式可以确保立体声的声像稳定以及频谱平衡。

所有动态处理设备都是根据旁链电平对增益进行控制。有些动态处理设备的旁链只检测内部信号，如图1；而有些则具有外部信号或者叫做Key Input的检测控制功能，如图2所示。 压缩器、限幅器、自动增益控制、去咝声器、闪避器或者噪声门，它们的区别，就是使用了不同类型的旁链检测器、增益控制器以及不同算法的增益计算器。

图2. 带有边链控制输入端的动态处理器

DSP（数字信号处理）的出现，极大地改变了动态处理的方式。在传统模拟电路设计中，“前瞻性”没有什么使用价值，对信号内容的统计分析也没有意义，唯一需要的只是一种针对已经发生的事件的应对手段。配套的滤波电路以及启动、释放动态控制电路形式复杂造价高，而精确度则很有限。

模拟电路设计的核心就是增益控制器，它一般是一种压控放大电路，或者是压控衰减电路（两者缩写都是VCA），它们的典型指标如下：

? 最大增益线性：2% over 80dB ? 最大增益范围：80dB

? 温度依赖性：0.33%/℃（增益转换精确性的变化） ? 失真：0.05% THD+N ? 信噪比：94dB参考0dBV

? 成本：每个增益器件2美元 ? 货源：非常有限

这些指标参数已经挺不错了，不过数字化设计可以做得更好。数字化最有价值的优势在于，它可以在对信号进行处理之前，提前进行分析，并对近期分析历史进行统计。这种优势可以让动态处理表现出超乎以往的广阔前景，后文会对此进一步介绍。在DSP中增加某项功能所需成本非常低，因此能够在满足多功能用途的前提下大量节约成本。数字信号处理同时具备极高的精确性和更低廉的成本。

第2章 – 基本的压缩器

压缩器可以降低（压缩）通过它的信号的动态范围；它可以动态地把最大信号调小。当输入信号大于所设置的阈值控制时，压缩器就会按照设置好的比例去降低信号。用压缩器改变动态的目的包括艺术加工、改善清晰度、以及录音和广播领域的限幅等。

举例而言，某个动态范围为110dB的信号经过压缩器后，动态范围变成70dB。模拟电路设计中，这种压缩式通过VCA电路实现的，VCA的增益大小受输入信号引起的控制电压的影响（也有别的电路形式，但是主流的还是VCA电路）。数字电路设计里则采用复杂的数学算法来优化音乐和语言信号的动态。在压缩器出现之前，这个工作是由人工控制混音台完成的，称作增益调节（gain riding）。

音响系统要应对整个音频范围的动态是非常困难的，因此需要降低动态。如果把平均信号开到足够大的程度，那么如果随即出现一些巨大的音乐峰值信号，而这些信号对音乐的冲击力和表现力又极其重要，那么巨大的信号将使得功放和音箱无法承受。要么功放削波、要么喇叭打底，声音听起来很难听。或者我们换一种方式，如果把增益降低，来防止出现过载，那么当音乐变得柔和平缓时，或者人声很小的时候，声音就会小到难以听清。

为了避免这个问题，需要使用压缩器。

用法很简单：设置一个阈值，当信号超过这个值时，就会被降低一定的量；然后设置这个降低量的大小比例，以dB的形式。所有低于阈值的音频不收任何影响，所有高于阈值的音频则按已设定好的比例压缩。上面例子里从110dB降低到70dB所需要的压缩比例为1.6:1（110÷70=1.6）。

理解压缩器的关键在于，要始终以高于阈值点的电平增量的dB变化为思考角度。压缩器减小的是这些增量。比如，对于阈值之上的每1.6dB增量，输出只增加1dB。因此，压缩器会让大声音变得更小。如果声音增大了1.6dB，而输出只增加了1dB，那么本来应该很大的声音就被减小了。

宽带压缩

宽带压缩是最简单的压缩形式，它对所有频率的信号进行相等的压缩，旁链电路对所有频率的灵敏度都相同。这里通常采用rms检测器，旁链增益计算器的基本控件包括阈值、压缩比、启动时间、释放时间，如图3a所示。一个高于阈值时响应的压缩器，阈值设为-20dB、压缩比4:1的响应如图3b所示。对于工作在阈值之上和之下的压缩器，可参见后面介绍的自动增益控制（AGC）以及附录有关内容。

图3a. 宽带压缩器框图.

图3b. 宽带压缩器响应图像.