數字音頻處理器（壓縮、限幅器）在廣播發射系統中的應用

呂曉強

（作者單位：新疆新聞出版廣電局節傳中心7605臺）

1 廣播發射系統對音頻輸入信號的要求

我國現在使用最廣泛的調頻、中波廣播發射系統中，發射機實際輸出功率與音頻信號的幅度有直接關系，要達到“滿時間、滿功率、滿調制度”三滿安全播出的要求，提高覆蓋場強、改善收聽效果，就要提高音頻節目的響度，但過高的音頻信號幅度又會導致廣播發射機過調制，在發射機端表現為因整機電流瞬間過大造成電流過荷、引發自動保護關機、降功率、嚴重到功放組件過流損壞等故障，在接收端表現為失真明顯。

既要做到滿調制度，又不能產生明顯的失真和過調，要平衡好這對矛盾，就必須控制音源信號的動態范圍、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射機不發生過調制。如果在發射機輸入音源通道上不使用音頻處理器，值班員觀察發射機VU表（或調制度表），通過調整衰減器控制輸入發射機的音頻信號電平，由于音源信號的動態范圍較大，信號峰值超限在所難免，且由于語音和音樂節目的動態范圍不同，通過衰減器調整音頻信號滿足語音節目源滿調制度后，節目源變成音樂就易造成過調制。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構和功能

現在，各地廣播發射臺使用的這類設備型號多種多樣，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，在音頻信號幅值達到壓縮閥值電平但還未超過限幅門限電平時先進行壓縮，以降低信號失真，信號經壓縮之后如果超過限幅門限電壓后將被削波處理，保證發射機安全工作。

壓縮器：從結構原理上看，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；當輸入增大到門限區（門限區可在很寬的范圍內調整），壓縮器就進入增益減小區，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。當輸入增大到門限區，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

當音頻信號幅度超過設定門限值時，將信號按照設定比率進行壓縮，壓縮音頻信號動態范圍，使突發強信號受到限制、弱信號獲得平均提升，提高音頻信號平均響度，從而提高發射機的平均調制度。

限幅器：當音頻信號電平到達設定值以后，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，一般結構由檢波器和壓控放大器（VCA）組成，輸入音源信號經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偏壓UGS而變，當UGS=0時，RDS最小；UGS越大，RDS也越大；UGS等于場效應管的夾斷電壓Up時，RDS可達數百歐姆以上，漏源之間的等效電阻隨柵源負偏壓變化范圍很大。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到50 dB以上，達到動態控制輸出音頻信號幅值的目的。

3 數字音頻處理器的興起和優點

近些年，隨著數字技術的興起以及相關DSP芯片功能的進步，數字音頻處理器在廣電行業得到普遍應用，由于數字設備的響應速度快、抗干擾、智能化等特點，克服了早期模擬電路構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。

現代數字音頻處理器一般由A/D、D/A轉換、MCU、音頻增益控制算法模塊、預設各類功能的DSP芯片等部分組成，如圖3所示。

圖3 現代數字音頻處理器組成

由于數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實現的，速度快、精度高，且通過A/D芯片實時采樣分析，實現音頻增益控制的智能化。與早期模擬電路壓限器相比，數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型數字音頻處理器為例介紹相關功能和設置

由于數字化音頻設備的研發生產方面，國外設備廠商較國內起步早，國內廣電行業使用也較多，如英國DRAWMER公司MX30型、美國ORBAN公司OPTIMOD系列數字音頻處理器。現以DRAWMER MX30型數字音頻處理器（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，以及應用于廣播發射系統中的設置和使用方法進行分析。

4.1 噪聲門（GATE）功能與參數設置

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，當音源中含有較大的有用信號（如音樂或人聲）時，有用聲遠大于無用的噪聲，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。噪聲門相當于一個開關，當輸入的音頻信號低于設定值（閥值THRESHOLD）時關閉，無輸出信號，輸入音頻信號幅度高于設定值后恢復正常輸出。一般參數設置：首先將閥值電平（THRESHOLD）旋鈕調到最小，綠燈亮，表示閥值低于當前輸入信號，噪聲門關閉，無任何信號輸出。然后，將前級音源的音量完全關閉（來自衛星接收機、調音臺等），慢慢提升閥值電平，紅燈一亮即停，表示當前設定的閥值等于或稍高于當前輸入信號電平，因已將前級音源音量關閉，所以當前輸入沒有有用聲而只有噪聲，即可阻止噪聲被送出。如果閥值電平設得過高，會使音源中的一部分有用聲信號被當做噪聲濾除，因此，閥值不宜設置過高。釋放速度（RELEASE）：當輸入信號低于閥值時噪聲門關閉、切斷輸出，這個關閉的時間長短就是釋放速度。當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目，慢速釋放適合音樂類節目。

4.2 壓縮器（COMPRESS）功能與參數設置

功能前文已述：對超過預設閥值的音頻信號按照設定的壓縮率進行壓縮（降低信號幅值）。一般參數設置：首先是閥值電平（THRESH），用于設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，當輸入電平超過設置的閥值電平、但超出值不到10 dB時采用“緩升降”壓縮方式，使音源信號只產生微小變化；當輸入電平超出閥值大于10 dB后，音源信號將按照設置的壓縮率被快速壓縮。其次是壓縮率（RATIO）：用于設定超過閥值電平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，當設置為∞:1時即輸入信號無論如何升高，輸出將保持常數輸出。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定應使處理過的音頻信號不超過發射機的允許最大輸入動態范圍為最佳。最后是增益降低表（GAIN REDUCTION）一個9段LED組成的條狀表，顯示超過設定閥值電壓后壓縮器工作時音頻信號的增益降低數值。

4.3 輸出及限幅器（OUTPUT）功能與參數設置

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，可根據發射機的音頻輸入要求設定。峰值限位器（PEAK LIMITER）：用于設定輸出信號絕對不允許超過的電平，如果輸出信號超過設定值20 ms，就會引發限位器動作，系統增益迅速降低使信號電平降至設定的峰值電平，相當于削波處理。旁路（BYPASS）：此按鈕按下時為旁路狀態，使信號輸出端與輸入端直通。可通過按下此按鈕來對比經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，如使用在立體聲調頻發射系統中，將此按鈕按下可使左聲道的所有設置同時應用于兩個聲道。

4.4 使用經驗

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

5 結語

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