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发表于 2023-1-16
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浅谈音频信号压缩电路
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一、为什么进行信号压缩？& j8 P7 {& G6 O3 O: i# K% A& ^
对声音信号进行压缩，并不是对信号整体进行衰减， 而只是对于其中幅度超过某些阈值的部分进行衰减。 这样就可以防止由人耳朵的“遮蔽”效应，使得小的音乐信号无法听清。
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! W, ^5 ~% v8 [% n I▲ 图1.1.1 信号没有被压缩之前的波形
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经过压缩之后，音乐中各种乐器动态范围比较接近，听起来音乐的层次更加丰富。 5 x. C7 ?/ N3 g0 S. j3 {' x
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! J9 Z/ M$ A7 }( Y, O# |) ^4 n▲ 图1.1.2 信号被压缩后的波形- m& K# ]$ t- \
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: u7 e& T& g/ T8 b* `) b二、信号压缩参数2 {& `9 R* ^7 R, E2 k
下图所示信号压缩四个主要参数。 上面是输入待压缩音频信号。 下面是压缩后输出音频信号。 虚线表示信号压缩的阈值，所有超过这个阈值的信号 在输出中它们都被进行了压缩。 不过它们幅值仍然超过了阈值。 为什么呢？是因为规定了压缩的比率 。即对超过阈值信号进行多大比率的压缩。 通过修改这个比率，可以改变信号超出阈值后所剩余的幅值。 调整比率滑块上下移动，可以看到输出信号最大幅度的变化。当比率趋于无穷大时，输出信号就被阈值严格限制。如果比率趋于1比1，则信号实际上没有被压缩。 s+ x/ a+ a0 D) z+ q* B! O# X
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' J( u. l4 f$ {" P3 K8 e- C▲ 图1.2.1 信号压缩的参数
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信号压缩的第二个参数是启动时间参数，它表示在信号幅度超过阈值之后多长时间开始对信号进行压缩。 启动时间越小，信号被压缩越快速。 启动时间越大，信号被压缩越慢。 在启动时间内的信号保留原来的幅度。
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; }1 r* ?0 S. p1 a0 ^, i 最后一个压缩参数是释放时间参数。 它的含义恰好与启动时间相反。 表明信号回落到阈值以下之后多长时间停止信号压缩。 当释放时间很小时，信号幅度降低到阈值以下之后，就立即停止了压缩。 当释放时间增加时，信号回落阈值以下之后，幅度仍然被按相同比率压缩。 这就是信号压缩的四个参数，分别是压缩阈值、压缩比率、启动时间、释放时间。1 J! o7 r) V0 H5 r4 c" N
' z3 ^+ X, K: N* i- z% ]+ z三、信号压缩硬件电路* h2 t5 q; F' z2 L {
1、系统框图 X" w7 W- X) o7 w
下面讨论一下使用硬件电路实现信号压缩的方法。 首先需要一个能够控制输入信号幅度的电路，它根据输入的控制电压改变输出信号的幅度。 第二部分电路用于检测输出信号的幅度。 由于信号是一个快速变化信号，不能够直接使用信号的瞬态幅值代表信号的变化范围。 电路第三部分是对比输出信号幅值与给定阈值电压，给出信号超出阈值的大小。 最后将幅度比较输出信号连接到第一个电路控制信号输入端口，用于控制输出信号的幅度。 这就形成了一个反馈控制电路系统。
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+ o" I% H% m/ S X▲ 图1.3.1 信号压缩硬件电路, o# J# B9 Q) V/ ]# Q
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通过这种反馈硬件电路， 完成对输入信号进行幅值压缩。 下面从音量控制电路开始分别介绍这三个硬件电路实现方案。3 R3 e4 ` n4 U9 H
2 u7 a; O7 T9 w7 M4 }; J2、音量控制电路8 z0 W/ ?6 n3 B' S# d
实现音量控制电路的一种方法为VCA控制电路， 即电压控制放大倍数电路。 这里给出了利用二极管实现的VCA的电路。 电路核心功能是由这六个串联的二极管 以及输入100k欧姆电阻完成的。 根据电路设计，施加在串联二极管上下两端的电压极性相反，幅度相等。 输入信号通过100k电阻输入到二极管中间， 如果它的幅值没有超过二极管上下两端控制的导通电压， 输出信号与输入信号相等。 如果二极管上下偏置电压使得二极管导通，那么它的中间节点的电压就维持在0V附近， 输出信号的幅值就变为0V。 这是因为通过100k欧姆信号电流非常微弱，远小于流过二极管的电流。所以输出信号就由二极管中点电压决定。 因此越多的电流流过二极管，输出信号的幅度就越小。
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' `- j$ `+ N7 @) a' f7 `) ^( b▲ 图1.4.1 音量控制电路
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* m* }6 E5 Q4 h0 w1 c0 V 电路中由四个运放组成的外围电路是来支持二极管电路功能的。 首先输入信号经过电阻分压，幅度降低到串联二极管导通电压范围之内。经过运放跟随接到串联二极管中点。 电压跟随可以将分压电路与后级电路隔离。 最上面运放是将控制电压信号进行跟随，避免电路对前一级电路影响。 下面运放是反相电路，产生二极管下面对称偏置电压信号。 上面运放输出的1k欧姆电阻是限制流过二极管电流。 最右边运放是对二极管中点信号进行放大，补偿前面分压电阻对信号的衰减， 使得信号的输出幅值与输入相同。 这里设计信号衰减和放大的倍数为8，可以使得中间信号幅度不要过低，否则会降低电路的信噪比。 中间选择六个二极管串联，也是保证信号不失真的动态范围， 避免过小受到噪声影响。 通过控制CV输入电压，可以控制输出信号的幅度。& ?! P" u4 N+ H- Q! O, g
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下面通过在面包板上搭建的电路测试一下VCA的功能。 改变控制电压，从0V增加到3V，可以看到输出信号的幅值逐步降低到0。9 h- d$ G+ k9 n- O% J( t
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) U7 s( [" w5 T$ C: `! x▲ 图1.4.2 VCA电路的测试效果/ w$ _6 A2 ?5 l, d3 m, ?7 |& q
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3、信号幅度检测电路; Q! K+ R$ C0 F, I
下面讨论一下信号幅度检测电路。 它输出反映信号外包络线的幅值信号。 对于一个声音信号， 似乎它的上下幅度比较容易确定。 信号中心为0V，信号在0V上下波动。 如果确定任意时刻的幅度， 似乎只要将信号最大值求出即可。 但是如何将信号沿是时间轴拉宽，可以看到信号出现上下剧烈的波动。 因此为了需要获得信号的峰值，需要使用二极管峰值检波电路。 二极管峰值检波电路原理很简单，当输入信号超过二极管导通电压时， 输出信号便会给滤波电容充电，直到与输入信号峰值相同。 当输入信号降低， 二极管截止。电容上的电压便会通过电阻放电，进而输出电压也降低了。 二极管峰值检波电路输出信号就会随着输入信号的幅度变化而变化。/ p$ ]* p( h! S% w
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▲ 图1.5.1 峰值检波电路" E' |: u: ^# s% x1 g
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检波电路中电阻和电容的乘积，是电路的时间常数。经过实验测试，时间常数选择100ms比较符合音乐信号幅度检测。 这里给出了电路中的RC取值。 通过面包板上搭建电路进行测试。示波器上黄色信号为输入信号， 蓝色信号是输入信号幅值信号。 可以看出电路的输出信号与期望值还是有很大的差异。 对于小的信号，电路输出为0。 这主要是受到二极管导通电压的影响。 对于二极管检波电路来说，输入电压小于0.3V时，它的输出为0。 使用运放与二极管组成一个理想检波电路，便可以解决这个问题。; Y4 z' {- _& B& y% t& u
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3 `) S9 H( f9 n" d3 y8 o& b▲ 图1.5.2 普通二极管检波电路输出信号4 J- P+ g3 b) M9 B, F
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这里展示了利用理想二极管检波电路给出的结果。 可以看到小信号对应的幅值非常不错了。 对于幅度检波电路先介绍到这里。
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4、阈值比较电路* O. e0 r6 r7 j6 t
阈值比较电路是判断输入信号的幅度是否高于给定的阈值电压， 并给出高出电压的大小。 这个功能可以通过一个简单的减法电路来实现。 比如输入5V信号，设定阈值为4V， 那么它的输出信号就应该为1V。 输出正电压，表示信号幅度超过阈值电压。 输出负电压则表示信号幅度小于阈值。 它的绝对值则表示两者之差。5 K1 d2 n7 q2 a% I
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2 N6 X4 ~7 u$ @( G5 @1 p$ ~3 i1 t y; Z▲ 图1.6.1 阈值比较电路
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这是一个标准的减法运放电路。 通过一个电位器设定压缩阈值电压。 通过上面串联20k电路，可以限定阈值电压最高为6V。
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▲ 图1.6.2 阈值电压检测电路% X+ D0 S0 g6 M; }, y
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3 z. K2 t- m. t% U) m) i 这是在面包板上搭建电路的测试信号， 其中蓝色波形就是阈值比较电路输出信号。 它的幅值大于0， 表示信号幅度超过了设定电压阈值。 小于0， 表示信号幅度小于设定的阈值电压。
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" B/ Y0 ~8 r/ a2 S) K- Q4 x▲ 图1.6.3 面包板测试电路输出信号 |
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