无线话筒系统的操作和设计概念(五)

小旭 · 发表于 2016-8-2 09:39:23

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音频信号处理
为使源信号的均衡和动态范围与录制和扩声系统相匹配，几乎所有的声音录制和增强系统都使用音频信号处理电路。从电影光学声轨录制、音乐录制到声音增强和电话系统的应用范围内，使用了各种不同的方法。无线话筒系统的设计也致力于传送最大的动态范围同时将噪声和失真降到最低限度，这需要几种类型的音频信号处理。
未压缩的音频信号动态范围是源自实况转播中的讲话者或乐器所产生的话筒信号，该动态范围通常会超出无线系统所能处理的范围。如果没有压缩和限幅，就会听到任何无线系统其固有的背景噪音。当发射机随讲话者移动时，背景噪音强度也随之变化。当音频信号处于相当高的强度时，音频掩盖了背景噪音。然而，在演讲期间的停顿或带有低强度的音频时，会很清楚地听到背景噪音。另外，除非在发射机中提供某种形式的完全限制，否则发射机的高输入强度会产生失真。
在无线话筒系统中应用的音频信号处理也致力于降低噪声和失真。信号处理包含几个基本的过程：
1.预加重/去加重（用于增加信号以达到系统的信噪比要求）
2.输入限幅（将过载失真降低到最小程度）
3.压缩扩展器（压缩器/扩展器噪音衰减）
4.DNR过滤（动态高频噪声衰减）
预加重/去加重
绝大多数的无线话筒系统通常在发射机中进行高频提升（预加重），然后在接收机中的进行相应的高频衰减处理（去加重）。此过程与使用在某些磁带录制机上的简单噪音抑制很相似，并且显著地将无线系统的信噪比提高了大约10个分贝。
如果应用了过多的预加重，在整个调制期间，由窄带接收机中的中频滤波器所引发的失真（高频的丝音）很有可能发生。宽带中频滤波器在牺牲选择性的情况下可以减少或消除这种问题。
输入限幅
我们应该在输入限幅器和压缩器（整体压缩扩展器电路的一部分）之间明确加以区分。这是两个操作不同并为不同目的而应用的独立电路。输入限幅器使用在发射机输入电路中，它在最大的信号强度上加个“最高限额”以抑制增益放大器的过载并保持无线频偏保持在允许的限度内。而压缩器是作为压缩扩展器电路的一部分，作为整体噪音抑制过程的一部分，通过接收机中的接收镜像进行反向扩展过程加以实现。输入限幅器在发射机输入端，紧跟着的是压缩器。
音频信号处理

图一
有几种很好的原因必须在发射机上使用输入限幅器电路。首先，不管输入信号强度有多大，政府的规定限制了可允许的最大调频偏移。其次，如果在音频链路的第一阶段向音频放大器发送过多的信号，过载失真（削波）将会发生。有趣的是，尽管这是一个能够极大提升系统表现性能的很有价值的设计 “工具”，仍旧只有很少的制造厂商会将限幅器放在输入阶段。
入阶段中一个优秀的限幅器将显著地提高系统的信噪比，并防止信号峰值失真。一个优秀的限幅器可以处理在最大频偏之上的约12分贝的信号峰值。更好的设计将可处理至高出20分贝的峰值。目前最好的系统在任何增益设置上可以处理超过最大频偏的30分贝的峰值。
在大部分设计中，使用输入过载来限制最大偏离。虽然这使得系统符合政府相关使用规定，但产生了严重失真并同时牺牲了系统的信噪比。在没有限幅器的情况下，唯一避免过载失真的办法就是降低输入增益，从而信号峰值不会被削波。然而，使用此方法的问题在于，平均信号强度在正常操作中太低以至于不能产生良好的信噪比。这就是为什么在某些产品的设计中背景噪音总是可以听到或失真频繁地发生的原因之一。
在某些电路设计中，限幅器的工作范围随着增益设置而发生变化，因此限幅器直接对输入增益电路做出反应。这将限幅器的范围与增益控制的量基本保持在同一范围内。换句话说，限幅器在高峰值时把增益控制简单地调低。这种联动的动态限幅阀值技术对于大嗓子歌手来讲就是一个大问题，通常他们的演唱需要一个精确不变的压限处理。在这种情况下，输入增益通常被设置成最小值，此时在输入处没有增益，来确保较少的限幅或不限幅。最佳的限幅器设计使用独立于输入增益电路设定的独立的电路模块。

420024544 · 发表于 2017-10-18 10:35:21

压缩扩展器
在称作“压缩扩展器”的信号处理电路的帮助下，无线话筒系统可以察觉的信噪比得到了极大的提高。术语“压缩扩展器”是 “压缩器”和“扩展器”的合成词。
压缩扩展是一种依靠“掩蔽”效应来提高无线系统信噪比的双重音频处理过程。掩蔽就是利用人耳听事物的方式，用较大的声音掩盖较弱的声音过程。当音频信号足够高时，人耳不会听到射频链路所产生的、较小强度的潜在背景噪音，掩蔽的工作理论便是如此。
发射机中进行的压缩处理参照一个参考强度来进行，压缩处理会降低高强度信号并提升低强度信号。此压缩效果就是要降低音频信号整体的动态工作范围，有效地提高平均强度。使平均音频强度远高于背景噪音的强度，以极大提高系统射频链路中信号的信噪比。
电话行业第一次使用了压缩扩展器来为长距离的电话线提供噪声抑制，电话线上过多的噪音积累可能比音频信号本身大许多。在模拟磁带录制过程中的也使用压缩扩展器来杜绝磁带发出的嘶嘶声。在工程设计上，我们花费大部分时间来来改进压缩扩展过程。
无线话筒系统的压缩扩展器操作比率为2：1。发射机中的压缩器将动态范围按照2:1的比例压缩，然后接收机中的扩展器以1:2的反比率放大以恢复音频信号的原始动态。如下图你会注意到，在压缩之前最低的音频强度只高于噪声本底之上40分贝。压缩以后，最低音频信号在噪声本底之上60分贝，信噪比有20 分贝的提高。使用压缩处理过的音频信号与载波信号调制发射会在射频链路中获得输出信噪比的显著改善。

图二
有许多制造厂商大力宣扬他们压缩扩展电路的功能。压缩扩展器对无线系统产生的音频质量来说是相当重要的，但只有无线系统的其他部分都是高品质的设计这个前提条件得到保证之后，这种说法才是成立的。如果射频性能表现有问题或系统遭受失真以及干扰的困扰，无论音频处理电路质量多好并不重要。另外，较差的射频表现会使射频链路发生异常，接收机会输出发射机根本没有传输的音频信号。
射频链路产生的高频噪音会造成压缩扩展器的错误跟踪。尽管该噪音并没有在发射机的原音频信号中，高频噪音会连同音频信号一起出现在接收机中。绝大多数由于射频性能不过硬而在链路产生的噪音是超声波，虽然人耳无法听见，仍旧能够误导压缩扩展器，从而在可听到的声音中造成“呼吸效应”或者“活塞效应”。最佳的设计中，在压缩扩展器之前，接收机应该有一个有源滤波器电路，它可以提供的高频衰减过滤功能，会将这种误导跟踪降至最低限度。
压缩扩展器设计中首先要考虑的因素之一就是如何在压缩器和扩展器上最优化地设置不同启动和衰减延迟的时间常量。必须仔细控制启动和衰减延迟时间以将预期应用的动态操作最优化。发射机中的压缩器与接收机中的扩展器必须以一种完美的互补方式进行。由于在每一个低频音频波形的循环周期上电压强度的改变将会影响到增益的大小，所以对于高频信号最理想的压缩扩展设置会同时造成大量的低频信号失真。具有慢启动和释放时间的压缩扩展器会产生无失真的低频（例如，对于具有较低基频的低音吉他来说是理想的），但是这将不能够及时并准确地处理较高频率的声音。所以在设计过程中更多的要考虑两方面的因素来进行折衷。
注意：特殊值只用于描述压缩扩展器的概念，这些值在不同设计中以及各种发射机输入信号强度上将会发生如果压缩扩展器有快速的启动时间和慢速的释放时间的功能，在相当长的时间段内，音频信号中的短暂瞬间效应将会控制压缩扩展器的增益。所产生的问题就是“呼吸声”，你会在每个字或声响之后听到嘶嘶的背景噪音。拥有较快的释放时间是处理该问题的一个好办法，不过，这会增加低频失真的可能性，因为电路在那时会作用于低频波形的拖尾阶段,从而造成失真情况的发生。重大地改变。
具有单一启动时间和合理释放时间的常规压缩扩展器会同样增加系统失真，200赫兹时大约失真0.5％，100赫兹时大约1％。常规压缩扩展器对于此问题无能为力。
存在于高频和低频的失真问题促进了新一代压缩扩展器的诞生，音频信号的高频部分与低频部分得到分别处理。该过程，被
作“双频段压缩扩展”，只应用于最先进的无线话筒系统中，它的引进极大地增加了设计和制造该系统的成本。
双频段压缩扩展过程的使用有点像扬声器系统的分频电路。音频信号划分成高低频段，然后每个频段对其各自理想的开启和延迟时间分别进行处理。高频信号部分使用较快的启动和延迟时间常量，而低频信号部分则以较长的时间常量进行处理。两个压缩扩展器之间相互作用以确保音频信号的线性输出。
压缩扩展器

注意：压缩扩展器只对音频信号的动态范围起作用，而不影响整体系统的频率响应。以上图示只描述了如何对于可影响压缩扩展器的控制信号进行分离处理。在显示为1千赫兹的分频点上，压缩扩展器电路的高频和低频部分平等地控制动态范围。

420024544 · 发表于 2017-10-18 10:35:58

动态降噪过滤
作为一整套完全音频信号处理过程的最后一步，在很差的信号情况下，加入DNR过滤（动态降噪）可以提供最佳信噪比。
双频段压缩扩展器提供出色的低失真降噪性能，但在特殊情况下，异常仍有可能发生。当只出现的唯一的一个音频信号是低强度，包含低频瞬变而组成时，一种称作“呼吸”失真效应依旧会发生。这种情况是指在低频音频信号瞬变之后，可以断续地听到环境或射频链路中的高频噪音。在这种情况下，低音压缩扩展器应用较长的时间常量，使短暂的 “噪声声尾” 在音频信号之后发生。在音频信号处于低强度，低频率并且收听环境十分安静时（例如，在录音室设置中使用耳机），该效应是最值得留意的。在这些环境下，所有的压缩扩展器设计显示了或多或少的呼吸效应。这不是双压缩扩展器所独有的问题。
为了在该种情形下抑制噪音，需要使用一个独特的动态滤波器电路。DNR包括一个动态的各种各样分频点的低通滤波器，在信号不好的情况下，可以自动减小高频噪音变量。通过对射频强度、音频强度以及音频信号的高频容量的分析和组合，不间断地调整滤波器的分频点。
动态降噪过滤
图四

当出现微弱的射频信号和低强度的音频时，滤波器的阀值动态的向低频方向调整以去除高频噪音。这是完全发生在接收机内部单方向的处理过程。
DNR的使用有点像压缩扩展器的掩蔽效应。当音频存在时，即使只有中等强度，或存在具有高频的音频，背景噪音将会被掩蔽，因此滤波器将不再进行滤波处理以避免改变原有音频信号。DNR电路极其灵敏而且响应速度快，它不改变整体无线话筒系统的原有的频率响应指标。
音频性能表现测试
某些出色的音频性能测试在这篇无线手册标题为“评估无线话筒系统”的章节中有相关介绍。该部分描述的测试甚至向更高性能的无线话筒设计发出挑战，并生动地显示了本章所描述的设计上的挑战和无线话筒的性能。

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[声卡] 无线话筒系统的操作和设计概念(五)

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