數(shù)字音頻處理器（壓縮、限幅器）在廣播發(fā)射系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂曉強

（作者單位：新疆新聞出版廣電局節(jié)傳中心7605臺）

1 廣播發(fā)射系統(tǒng)對音頻輸入信號的要求

我國現(xiàn)在使用最廣泛的調(diào)頻、中波廣播發(fā)射系統(tǒng)中，發(fā)射機實際輸出功率與音頻信號的幅度有直接關(guān)系，要達(dá)到“滿時間、滿功率、滿調(diào)制度”三滿安全播出的要求，提高覆蓋場強、改善收聽效果，就要提高音頻節(jié)目的響度，但過高的音頻信號幅度又會導(dǎo)致廣播發(fā)射機過調(diào)制，在發(fā)射機端表現(xiàn)為因整機電流瞬間過大造成電流過荷、引發(fā)自動保護(hù)關(guān)機、降功率、嚴(yán)重到功放組件過流損壞等故障，在接收端表現(xiàn)為失真明顯。

既要做到滿調(diào)制度，又不能產(chǎn)生明顯的失真和過調(diào)，要平衡好這對矛盾，就必須控制音源信號的動態(tài)范圍、提高平均響度，使音頻信號始終保持在一個較高的平均幅度上，并限定一個最高信號電平以保證發(fā)射機不發(fā)生過調(diào)制。如果在發(fā)射機輸入音源通道上不使用音頻處理器，值班員觀察發(fā)射機VU表（或調(diào)制度表），通過調(diào)整衰減器控制輸入發(fā)射機的音頻信號電平，由于音源信號的動態(tài)范圍較大，信號峰值超限在所難免，且由于語音和音樂節(jié)目的動態(tài)范圍不同，通過衰減器調(diào)整音頻信號滿足語音節(jié)目源滿調(diào)制度后，節(jié)目源變成音樂就易造成過調(diào)制。使用音頻處理器可較好地解決這個問題。

2 音頻處理器的基本結(jié)構(gòu)和功能

現(xiàn)在，各地廣播發(fā)射臺使用的這類設(shè)備型號多種多樣，功能基本一致，壓縮和限幅是其基本功能，較單純的衰減+限幅器，音頻處理器多了“壓縮”這一功能，在音頻信號幅值達(dá)到壓縮閥值電平但還未超過限幅門限電平時先進(jìn)行壓縮，以降低信號失真，信號經(jīng)壓縮之后如果超過限幅門限電壓后將被削波處理，保證發(fā)射機安全工作。

壓縮器：從結(jié)構(gòu)原理上看，壓縮器實際是一個自動音量控制器，一個帶有自動增益控制（AGC）的放大電路，在低輸入電平和中等輸入電平時，壓縮器增益為1；當(dāng)輸入增大到門限區(qū)（門限區(qū)可在很寬的范圍內(nèi)調(diào)整），壓縮器就進(jìn)入增益減小區(qū)，信號電平越高，增益越低。如圖1所示：在低中等輸入電平時，增益增大2 dB，輸出也增大2 dB。當(dāng)輸入增大到門限區(qū)，壓縮器輸出增益下降。對2:1的壓縮比來說，輸入增加2 dB，輸出只增加1 dB；對4:1的壓縮比來說，輸入增加4 dB，輸出只會增加1 dB。

圖1 AGC示意圖

當(dāng)音頻信號幅度超過設(shè)定門限值時，將信號按照設(shè)定比率進(jìn)行壓縮，壓縮音頻信號動態(tài)范圍，使突發(fā)強信號受到限制、弱信號獲得平均提升，提高音頻信號平均響度，從而提高發(fā)射機的平均調(diào)制度。

限幅器：當(dāng)音頻信號電平到達(dá)設(shè)定值以后，不管輸入音頻幅度怎樣增加，輸出電壓將被限制在某一電平（稱作限幅電平），且再不隨輸入電壓變化。

早期壓限器（壓縮、限幅器）功能由硬件電路實現(xiàn)，一般結(jié)構(gòu)由檢波器和壓控放大器（VCA）組成，輸入音源信號經(jīng)峰值檢波后得到與音頻信號幅度成正比的檢波電平信號，

壓控放大器一般都采用壓控可變電阻來控制增益。圖2為場效應(yīng)管壓控可變電阻原理圖。

圖2 壓控放大器原理圖

加在漏極D與源極S之間的等效電阻RDS將跟隨由檢波信號電壓得到的柵源負(fù)偏壓UGS而變，當(dāng)UGS=0時，RDS最小；UGS越大，RDS也越大；UGS等于場效應(yīng)管的夾斷電壓Up時，RDS可達(dá)數(shù)百歐姆以上，漏源之間的等效電阻隨柵源負(fù)偏壓變化范圍很大。用這類壓控可變電阻控制放大器增益，可使壓縮器的增益控制范圍達(dá)到50 dB以上，達(dá)到動態(tài)控制輸出音頻信號幅值的目的。

3 數(shù)字音頻處理器的興起和優(yōu)點

近些年，隨著數(shù)字技術(shù)的興起以及相關(guān)DSP芯片功能的進(jìn)步，數(shù)字音頻處理器在廣電行業(yè)得到普遍應(yīng)用，由于數(shù)字設(shè)備的響應(yīng)速度快、抗干擾、智能化等特點，克服了早期模擬電路構(gòu)成的壓限器輸出信號變化不夠靈敏、失真、信噪比欠佳等缺點。

現(xiàn)代數(shù)字音頻處理器一般由A/D、D/A轉(zhuǎn)換、MCU、音頻增益控制算法模塊、預(yù)設(shè)各類功能的DSP芯片等部分組成，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)代數(shù)字音頻處理器組成

由于數(shù)字化音頻處理器對音頻信號的控制是算法軟件通過MCU或DSP實現(xiàn)的，速度快、精度高，且通過A/D芯片實時采樣分析，實現(xiàn)音頻增益控制的智能化。與早期模擬電路壓限器相比，數(shù)字音頻處理器輸出的音頻信號失真、噪聲更低，電平響度一致性強。

4 以DRAWMER MX30型數(shù)字音頻處理器為例介紹相關(guān)功能和設(shè)置

由于數(shù)字化音頻設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)方面，國外設(shè)備廠商較國內(nèi)起步早，國內(nèi)廣電行業(yè)使用也較多，如英國DRAWMER公司MX30型、美國ORBAN公司OPTIMOD系列數(shù)字音頻處理器。現(xiàn)以DRAWMER MX30型數(shù)字音頻處理器（雙路壓縮器）為例，對其噪聲門（GATE）、壓縮器（COMPRESS）、輸出及限幅器（OUTPUT）這三大基本功能，以及應(yīng)用于廣播發(fā)射系統(tǒng)中的設(shè)置和使用方法進(jìn)行分析。

4.1 噪聲門（GATE）功能與參數(shù)設(shè)置

音頻通道中無用的噪聲信號是隨時存在的，但因人耳的掩蔽效應(yīng)，當(dāng)音源中含有較大的有用信號（如音樂或人聲）時，有用聲遠(yuǎn)大于無用的噪聲，噪聲被有用聲掩蔽，幾乎無法察覺噪聲的存在。當(dāng)有用聲很小或者中斷時，噪聲就會顯得比較突出。噪聲門相當(dāng)于一個開關(guān)，當(dāng)輸入的音頻信號低于設(shè)定值（閥值THRESHOLD）時關(guān)閉，無輸出信號，輸入音頻信號幅度高于設(shè)定值后恢復(fù)正常輸出。一般參數(shù)設(shè)置：首先將閥值電平（THRESHOLD）旋鈕調(diào)到最小，綠燈亮，表示閥值低于當(dāng)前輸入信號，噪聲門關(guān)閉，無任何信號輸出。然后，將前級音源的音量完全關(guān)閉（來自衛(wèi)星接收機、調(diào)音臺等），慢慢提升閥值電平，紅燈一亮即停，表示當(dāng)前設(shè)定的閥值等于或稍高于當(dāng)前輸入信號電平，因已將前級音源音量關(guān)閉，所以當(dāng)前輸入沒有有用聲而只有噪聲，即可阻止噪聲被送出。如果閥值電平設(shè)得過高，會使音源中的一部分有用聲信號被當(dāng)做噪聲濾除，因此，閥值不宜設(shè)置過高。釋放速度（RELEASE）：當(dāng)輸入信號低于閥值時噪聲門關(guān)閉、切斷輸出，這個關(guān)閉的時間長短就是釋放速度。當(dāng)REL按鈕被按下（同時其指示黃燈亮起）時為慢速釋放（SLOW），REL按鈕彈起時為快速釋放，快速釋放適合語音類節(jié)目，慢速釋放適合音樂類節(jié)目。

4.2 壓縮器（COMPRESS）功能與參數(shù)設(shè)置

功能前文已述：對超過預(yù)設(shè)閥值的音頻信號按照設(shè)定的壓縮率進(jìn)行壓縮（降低信號幅值）。一般參數(shù)設(shè)置：首先是閥值電平（THRESH），用于設(shè)定開始壓縮的信號電平。DRAWMER MX30型音頻處理器特有“緩升降壓縮”技術(shù)，當(dāng)輸入電平超過設(shè)置的閥值電平、但超出值不到10 dB時采用“緩升降”壓縮方式，使音源信號只產(chǎn)生微小變化；當(dāng)輸入電平超出閥值大于10 dB后，音源信號將按照設(shè)置的壓縮率被快速壓縮。其次是壓縮率（RATIO）：用于設(shè)定超過閥值電平10 dB以上的音頻信號將被按照什么比例進(jìn)行壓縮，范圍從1.2:1至∞:1，1.2:1的壓縮率即輸入信號增加1.2 dB輸出信號增加1 dB，當(dāng)設(shè)置為∞:1時即輸入信號無論如何升高，輸出將保持常數(shù)輸出。通常是壓縮率較大時閥值電平可以提高一些，這樣可減小壓縮后信號的非線性失真；壓縮率較小時閥值電平需降低一些。閥值電平定的太低會使輸出音頻信號電平不足而且信噪比差，閥值電平定的過高則輸出失真加大。對于閥值和壓縮率的設(shè)定應(yīng)使處理過的音頻信號不超過發(fā)射機的允許最大輸入動態(tài)范圍為最佳。最后是增益降低表（GAIN REDUCTION）一個9段LED組成的條狀表，顯示超過設(shè)定閥值電壓后壓縮器工作時音頻信號的增益降低數(shù)值。

4.3 輸出及限幅器（OUTPUT）功能與參數(shù)設(shè)置

由增益（GAIN）、峰值限位器（PEAK LIMITER）、輸入/輸出電平表（INPUT/OUPUT LEVEL）、旁路（BYPASS）、環(huán)接（LINKING）幾部分組成。

增益（GAIN）用來確定音頻處理器輸出的信號電平，范圍±20 dB，用于補償由于壓縮而被改變的電平，可根據(jù)發(fā)射機的音頻輸入要求設(shè)定。峰值限位器（PEAK LIMITER）：用于設(shè)定輸出信號絕對不允許超過的電平，如果輸出信號超過設(shè)定值20 ms，就會引發(fā)限位器動作，系統(tǒng)增益迅速降低使信號電平降至設(shè)定的峰值電平，相當(dāng)于削波處理。旁路（BYPASS）：此按鈕按下時為旁路狀態(tài)，使信號輸出端與輸入端直通。可通過按下此按鈕來對比經(jīng)過處理后的信號與原信號的差異，觀察壓縮效果。輸入/輸出電平表（INPUT/OUTPUT LEVEL）：一個9段LED電平表，可直觀顯示輸出信號的電平。環(huán)接（LINKING）：此型音頻處理器為雙聲道輸入、輸出，左右兩聲道可單獨使用，如使用在立體聲調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)中，將此按鈕按下可使左聲道的所有設(shè)置同時應(yīng)用于兩個聲道。

4.4 使用經(jīng)驗

在中波發(fā)射臺的應(yīng)用中，可先按照4.1中步驟設(shè)置好噪聲門；再根據(jù)發(fā)射機的音頻輸入要求，按照4.3設(shè)置好輸出電平以及限幅電平；第三步根據(jù)實際聽感確定壓縮率和壓縮閥值。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后可通過BYPASS鍵對比處理后的信號變化。如效果不好確定可在發(fā)射機高頻取樣端連接示波器、觀察射頻信號，上下包絡(luò)重合即滿調(diào)制度，通過反復(fù)調(diào)整壓縮率、壓縮閥值與限幅電平，使上下包絡(luò)線呈現(xiàn)斷續(xù)點狀重合，且無明顯可聽失真即可。日常使用中，如果節(jié)目源的音量變化較大導(dǎo)致發(fā)射機過調(diào)制或調(diào)制度不足，可通過調(diào)整輸出增益值補償。

5 結(jié)語

數(shù)字音頻處理器因其優(yōu)異的性能，及其對提高廣播發(fā)射機的播出質(zhì)量和設(shè)備安全性方面有顯著效果。通過本文的簡要介紹，希望能為各廣播發(fā)射臺站中同類設(shè)備的使用提供一定參考。