智能型音频处理器的原理和应用

caiqu · 发表于 2016-6-25 09:38:49

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目前节目源的形式和来源都非常广泛，有自制的，有来自卫星，还有从外面直接交流来的。这就使得节目源声音大小很不一致，加之后期制作的设备档次不一，有些不经加工直接播出，导致了整个系统的播出过程声音大小不一，影响收听效果。对于上述问题，需要在后期播出前进行弥补。对于使用切换台或调音台的系统，可以通过控制台上的音量调整部分进行辅助调节，但人工调节很麻烦，且很难实时有效地跟踪声音大小的变化。因此，在音频播出通道中使用智能型音频处理器来解决上述问题应该是理想的选择。

传统的音频处理器一般由压控放大器，音频信号整流电路等组成。通常利用压控放大器增益随控制电压变化的特性，实现对电路增益的控制。由于时间控制电路不能很好兼顾起限时间和恢复时间，在压缩和恢复信号的过程中可能会对信号的动态范围和清晰度产生不利影响，这也是一些音频处理器在语言和音乐切换时噪声明显增大的原因。

智能型音频处理器对输入音频信号进行实时采样，并由微处理器对信号的峰值电平、平均电平等进行分析，以"快压缩、慢恢复”算法实现对语言、音乐等音频信号的幅度控制。它对音频信号本身的动态范围和信号频谱没有损伤。信号极低或超出AGC控制范围或无信弓时，原增益保持不变，不会使噪声得到放大。由于采用专用增益控制芯片，失真极低，音质清晰、明亮，实现了信号的高保真处理。智能型音频处理器还具有峰值限制、峰值削波补偿功能和分频段压缩及均衡功效。峰值限制是压缩的一种极端形式，其特点是压缩比高，启动和复原时间也较快，它保护后面声道的传输不致于过荷，故可保证安全播音。峰值削波处理是在于防止由于该声道处理电路过荷而造成的失真，用于捕捉任何可能逃过峰值限制器的节目峰值，瞬时地“切掉”超过阈值的高电平波峰部分。峰值限制和削波如能完美匹配，将能在音频节目信号的密度和响度之间，处理好谐波失真和互调失真及信号带宽的负面影响。另外，音频处理器还将入耳可听的频率范围即音频频谱划分为几个频段，并对每个频段分别进行压缩和限制，即“多频段压缩和可选择的限制”，如果设置正确、合理，将会有效消除频谱增益的互调，保证获得最好的信噪比和音频带宽。对于音频处理中的均衡，其作用是利用均衡器来改变音频信号整体频带中相关频率的平衡，有时也用来营造某种音响特征，增加节目的声染色或作为传输系统的频响校正之用。智能型音频处理器可以在不改变原始信号源素材音质并保留原始信号源素材动态结构的前提下，压缩信号的动态范围并给出精确的最大电平限制。

1 智能型音频处理器的工作原理
智能型音频处理器的原理框图如图1所示。它由音频差分输入／输出电路、信号处理电路、微处理器、高速A/D转换器、监控电路、状态显示电路、专用数字音频增益控制器件和控制键盘等组成。

音频信号经过平衡，非平衡变换和缓冲放大后，送人音频增益控制芯片；高速A/D转换器采样输出信号，送微处理器进行处理，经过特定算法运算后输出控制码给音频增益控制芯片进行增益控制。控制键盘和显示电路用于设定和显示当前工作状态。

caiqu · 发表于 2016-6-25 09:39:15

2 控制软件
智能型音频处理器依据一种多回路原理进行工作。系统的压缩时间和恢复时间是可变的，与输入信号的变化情况相对应。这里采用了快压缩，慢恢复”的控制方案，即根据信号幅度的不同变化区域，采用不同的响应时间。这就允许在稳态信号下使用相对较长的上升时间，但也允许在输入信号中存在脉冲瞬态时使用极短的上升时间。通过对参数分析得出的控制数据，由微处理器控制的音频处理芯片实现对音频信号的增益控制，控制软件框图如图2。

基本算法是以帧为单位对采集的数据进行处理，可在20-40ms之间选取1帧信号。为了满足对音频信号的处理要求，对不同情况下信号幅度的变化采取不同的处理方法。对输入信号最大幅度达到饱和值时迅速增大输入通道的衰减量，对信号进行压缩以防通道过载；当输入信号较小并持续较长一段时间时，便减小输入通道的衰减量，提升信号电平。但应注意恢复时间不能太快，否则易使信号本身结构受到破坏。

3 智能型音频处理器合理使用
广播节目动态音频信号的处理过程存在很大的非线性，对音频处理设备来讲，它既包括了对信号的压缩、限制、削波、扩展等处理方式的要求，还包括音频处理设备安装的位置不同，引线长短，造成信号的衰耗、畸变，以及在高电磁场强辐射环境下工作时抗干扰能力等，这些影响都不可小视。针对一系列情况，根据智能音频处理器的工作原理，为使音频处理器在使用性能上变得更加优越，发挥更大的效能。主要采取了如下方法：

1)保持信号不失真的传输
在广播发射机前端，被智能型音频处理器高度处理过的音频信号中，会含有不少类似方波的平顶波形。方波的波形对它所经过的传输通路的幅度和相位响应要求是比较高的。原理上讲，在节目主能量的频率范围中，若平坦的幅度和群时延发生偏差，必将造成已处理过的信号平坦顶部倾斜，从而只增加了峰值调制电压，此时平均电平并不增加。从峰，平比值看出，将意味着减小了该通路的平均电平，因而响度就会被相应减弱。对此，要保持处理后信号波形的原形，首先采用的方法是，选择质量上乘，特性优良的传输电缆，要求其分布参数小、频带宽、采用线径粗、衰耗小，屏蔽好的无氧铜芯传输线。实践证明这点非常重要，很见效。其次，在传输连接中，不添加任何附加设备及分支部件，如中间放大器分配器等，以减小信号波形畸变，保证良好的传输质量。

2)智能音频处理器在系统中摆放的位置
对智能型音频处理器所放置的位置，是有讲究的。为了有效地保护被智能型音频处理器进行了峰值限制的波形，尽可能不在智能型音频处理器连接到发射机的过程中发生改变，应将智能型音频处理器越靠近发射机放置越好。否则因分布参数变化，引起偏离了的平坦度和相频直线性必将产生寄生调制峰值，造成已进行过峰值限制的波形被改变。这些峰值虽对平均调幅度没有增添什么，而为了容纳这些峰值成分平均调幅度却要被迫降低，造成音频信号的波形失真。另外，应将音频处理器良好接地，可以有效地屏蔽高电磁场，往往会取得意想不到的效果。

4 结束语
总之，只要熟练掌握智能型音频处理器的原理及其合理有效地使用，就能充分挖掘其潜在的优势，更有效合理发挥其效能。

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