一文詳解音頻信號(hào)壓縮電路

01信號(hào)壓縮

一、為什么進(jìn)行信號(hào)壓縮？

對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行壓縮，并不是對(duì)信號(hào)整體進(jìn)行衰減，?而只是對(duì)于其中幅度超過某些閾值的部分進(jìn)行衰減。?這樣就可以防止由人耳朵的“遮蔽”效應(yīng)，使得小的音樂信號(hào)無法聽清。

▲ 圖1.1.1 信號(hào)沒有被壓縮之前的波形

經(jīng)過壓縮之后，音樂中各種樂器動(dòng)態(tài)范圍比較接近，聽起來音樂的層次更加豐富。?

▲ 圖1.1.2 信號(hào)被壓縮后的波形

二、信號(hào)壓縮參數(shù)

下圖所示信號(hào)壓縮四個(gè)主要參數(shù)。?上面是輸入待壓縮音頻信號(hào)。?下面是壓縮后輸出音頻信號(hào)。?虛線表示信號(hào)壓縮的閾值，所有超過這個(gè)閾值的信號(hào)?在輸出中它們都被進(jìn)行了壓縮。不過它們幅值仍然超過了閾值。?為什么呢？是因?yàn)橐?guī)定了壓縮的比率 。即對(duì)超過閾值信號(hào)進(jìn)行多大比率的壓縮。?通過修改這個(gè)比率，可以改變信號(hào)超出閾值后所剩余的幅值。?調(diào)整比率滑塊上下移動(dòng)，可以看到輸出信號(hào)最大幅度的變化。當(dāng)比率趨于無窮大時(shí)，輸出信號(hào)就被閾值嚴(yán)格限制。如果比率趨于1比1，則信號(hào)實(shí)際上沒有被壓縮。

▲ 圖1.2.1 信號(hào)壓縮的參數(shù)

信號(hào)壓縮的第二個(gè)參數(shù)是啟動(dòng)時(shí)間參數(shù)，它表示在信號(hào)幅度超過閾值之后多長(zhǎng)時(shí)間開始對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮。?啟動(dòng)時(shí)間越小，信號(hào)被壓縮越快速。?啟動(dòng)時(shí)間越大，信號(hào)被壓縮越慢。在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)的信號(hào)保留原來的幅度。

最后一個(gè)壓縮參數(shù)是釋放時(shí)間參數(shù)。它的含義恰好與啟動(dòng)時(shí)間相反。表明信號(hào)回落到閾值以下之后多長(zhǎng)時(shí)間停止信號(hào)壓縮。?當(dāng)釋放時(shí)間很小時(shí)，信號(hào)幅度降低到閾值以下之后，就立即停止了壓縮。?當(dāng)釋放時(shí)間增加時(shí)，信號(hào)回落閾值以下之后，幅度仍然被按相同比率壓縮。?這就是信號(hào)壓縮的四個(gè)參數(shù)，分別是壓縮閾值、壓縮比率、啟動(dòng)時(shí)間、釋放時(shí)間。

三、信號(hào)壓縮硬件電路

1、系統(tǒng)框圖

下面討論一下使用硬件電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)壓縮的方法。?首先需要一個(gè)能夠控制輸入信號(hào)幅度的電路，它根據(jù)輸入的控制電壓改變輸出信號(hào)的幅度。?第二部分電路用于檢測(cè)輸出信號(hào)的幅度。由于信號(hào)是一個(gè)快速變化信號(hào)，不能夠直接使用信號(hào)的瞬態(tài)幅值代表信號(hào)的變化范圍。?電路第三部分是對(duì)比輸出信號(hào)幅值與給定閾值電壓，給出信號(hào)超出閾值的大小。?最后將幅度比較輸出信號(hào)連接到第一個(gè)電路控制信號(hào)輸入端口，用于控制輸出信號(hào)的幅度。?這就形成了一個(gè)反饋控制電路系統(tǒng)。

▲ 圖1.3.1 信號(hào)壓縮硬件電路

通過這種反饋硬件電路，?完成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅值壓縮。?下面從音量控制電路開始分別介紹這三個(gè)硬件電路實(shí)現(xiàn)方案。

2、音量控制電路

實(shí)現(xiàn)音量控制電路的一種方法為VCA控制電路， 即電壓控制放大倍數(shù)電路。?這里給出了利用二極管實(shí)現(xiàn)的VCA的電路。?電路核心功能是由這六個(gè)串聯(lián)的二極管 以及輸入100k歐姆電阻完成的。?根據(jù)電路設(shè)計(jì)，施加在串聯(lián)二極管上下兩端的電壓極性相反，幅度相等。?輸入信號(hào)通過100k電阻輸入到二極管中間， 如果它的幅值沒有超過二極管上下兩端控制的導(dǎo)通電壓， 輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相等。?如果二極管上下偏置電壓使得二極管導(dǎo)通，那么它的中間節(jié)點(diǎn)的電壓就維持在0V附近， 輸出信號(hào)的幅值就變?yōu)?V。?這是因?yàn)橥ㄟ^100k歐姆信號(hào)電流非常微弱，遠(yuǎn)小于流過二極管的電流。所以輸出信號(hào)就由二極管中點(diǎn)電壓決定。因此越多的電流流過二極管，輸出信號(hào)的幅度就越小。

▲ 圖1.4.1 音量控制電路

電路中由四個(gè)運(yùn)放組成的外圍電路是來支持二極管電路功能的。?首先輸入信號(hào)經(jīng)過電阻分壓，幅度降低到串聯(lián)二極管導(dǎo)通電壓范圍之內(nèi)。經(jīng)過運(yùn)放跟隨接到串聯(lián)二極管中點(diǎn)。?電壓跟隨可以將分壓電路與后級(jí)電路隔離。?最上面運(yùn)放是將控制電壓信號(hào)進(jìn)行跟隨，避免電路對(duì)前一級(jí)電路影響。下面運(yùn)放是反相電路，產(chǎn)生二極管下面對(duì)稱偏置電壓信號(hào)。?上面運(yùn)放輸出的1k歐姆電阻是限制流過二極管電流。?最右邊運(yùn)放是對(duì)二極管中點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行放大，補(bǔ)償前面分壓電阻對(duì)信號(hào)的衰減， 使得信號(hào)的輸出幅值與輸入相同。?這里設(shè)計(jì)信號(hào)衰減和放大的倍數(shù)為8，可以使得中間信號(hào)幅度不要過低，否則會(huì)降低電路的信噪比。?中間選擇六個(gè)二極管串聯(lián)，也是保證信號(hào)不失真的動(dòng)態(tài)范圍， 避免過小受到噪聲影響。?通過控制CV輸入電壓，可以控制輸出信號(hào)的幅度。

下面通過在面包板上搭建的電路測(cè)試一下VCA的功能。?改變控制電壓，從0V增加到3V，可以看到輸出信號(hào)的幅值逐步降低到0。

▲ 圖1.4.2 VCA電路的測(cè)試效果

3、信號(hào)幅度檢測(cè)電路

下面討論一下信號(hào)幅度檢測(cè)電路。它輸出反映信號(hào)外包絡(luò)線的幅值信號(hào)。?對(duì)于一個(gè)聲音信號(hào)， 似乎它的上下幅度比較容易確定。?信號(hào)中心為0V，信號(hào)在0V上下波動(dòng)。?如果確定任意時(shí)刻的幅度， 似乎只要將信號(hào)最大值求出即可。?但是如何將信號(hào)沿是時(shí)間軸拉寬，可以看到信號(hào)出現(xiàn)上下劇烈的波動(dòng)。?因此為了需要獲得信號(hào)的峰值，需要使用二極管峰值檢波電路。?二極管峰值檢波電路原理很簡(jiǎn)單，當(dāng)輸入信號(hào)超過二極管導(dǎo)通電壓時(shí)， 輸出信號(hào)便會(huì)給濾波電容充電，直到與輸入信號(hào)峰值相同。?當(dāng)輸入信號(hào)降低， 二極管截止。電容上的電壓便會(huì)通過電阻放電，進(jìn)而輸出電壓也降低了。?二極管峰值檢波電路輸出信號(hào)就會(huì)隨著輸入信號(hào)的幅度變化而變化。

▲ 圖1.5.1 峰值檢波電路

檢波電路中電阻和電容的乘積，是電路的時(shí)間常數(shù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，時(shí)間常數(shù)選擇100ms比較符合音樂信號(hào)幅度檢測(cè)。這里給出了電路中的RC取值。?通過面包板上搭建電路進(jìn)行測(cè)試。示波器上黃色信號(hào)為輸入信號(hào)， 藍(lán)色信號(hào)是輸入信號(hào)幅值信號(hào)。?可以看出電路的輸出信號(hào)與期望值還是有很大的差異。?對(duì)于小的信號(hào)，電路輸出為0。這主要是受到二極管導(dǎo)通電壓的影響。?對(duì)于二極管檢波電路來說，輸入電壓小于0.3V時(shí)，它的輸出為0。?使用運(yùn)放與二極管組成一個(gè)理想檢波電路，便可以解決這個(gè)問題。

▲ 圖1.5.2 普通二極管檢波電路輸出信號(hào)

這里展示了利用理想二極管檢波電路給出的結(jié)果?？梢钥吹叫⌒盘?hào)對(duì)應(yīng)的幅值非常不錯(cuò)了。?對(duì)于幅度檢波電路先介紹到這里。

4、閾值比較電路

閾值比較電路是判斷輸入信號(hào)的幅度是否高于給定的閾值電壓， 并給出高出電壓的大小。?這個(gè)功能可以通過一個(gè)簡(jiǎn)單的減法電路來實(shí)現(xiàn)。比如輸入5V信號(hào)，設(shè)定閾值為4V， 那么它的輸出信號(hào)就應(yīng)該為1V。?輸出正電壓，表示信號(hào)幅度超過閾值電壓。輸出負(fù)電壓則表示信號(hào)幅度小于閾值。它的絕對(duì)值則表示兩者之差。

▲ 圖1.6.1 閾值比較電路

這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的減法運(yùn)放電路。?通過一個(gè)電位器設(shè)定壓縮閾值電壓。?通過上面串聯(lián)20k電路，可以限定閾值電壓最高為6V。

▲ 圖1.6.2 閾值電壓檢測(cè)電路

這是在面包板上搭建電路的測(cè)試信號(hào)， 其中藍(lán)色波形就是閾值比較電路輸出信號(hào)。?它的幅值大于0， 表示信號(hào)幅度超過了設(shè)定電壓閾值。?小于0， 表示信號(hào)幅度小于設(shè)定的閾值電壓。

▲ 圖1.6.3 面包板測(cè)試電路輸出信號(hào)

5、完整電路

下面將三個(gè)電路按照電路框圖連接起來，就形成了最終的電路。?這里給出了信號(hào)壓縮電路的完整電路圖。

▲ 圖1.3.9 完整的信號(hào)壓縮電路圖

如果輸入信號(hào)的幅度不超過閾值電壓，那么串聯(lián)二極管基本上就截止， 輸出信號(hào)幅度基本上沒有改變。?這是整個(gè)電路測(cè)試結(jié)果。藍(lán)色信號(hào)為輸入閾值電壓。隨著它降低，輸出信號(hào)的幅值也降低。?可以看到信號(hào)的輸出峰值和閾值之間存在一個(gè)恒定的差值。?這個(gè)恒定的差值還是來自于二極管導(dǎo)通電壓的影響。只有當(dāng)輸入電壓和閾值電壓的差值超過了二極管的導(dǎo)通電壓，輸出電壓才能夠最終穩(wěn)定在 一個(gè)固定的值。

▲ 圖1.3.10 電路測(cè)試結(jié)果

為了解決這個(gè)問題，可以借鑒峰值檢波電路中理想檢波器的方案。?在控制電壓跟隨器電路中，將三個(gè)相同的二極管串聯(lián)施加在反饋電路中。?這樣就可以在輸入電壓剛剛超過0V時(shí)，輸出電壓就可以讓三個(gè)二極管導(dǎo)通了，從而克服了二極管導(dǎo)通電壓所帶來的影響。?使用三個(gè)而不是六個(gè)二極管，是因?yàn)橄旅娴倪\(yùn)放反相放大器還提供了相同負(fù)電壓施加在串聯(lián)二極管下端。

▲ 圖1.3.11 音量控制電路的改進(jìn)

為了避免輸入電壓小于零時(shí)造成跟隨放大器輸出飽和負(fù)電壓，?對(duì)三個(gè)二極管反向并聯(lián)一個(gè)二極管，可以使得控制電壓不小于-0.7V。?測(cè)試改進(jìn)后的電路，可以看到輸出信號(hào)峰值與設(shè)定閾值電壓基本上相同了。

▲ 圖1.3.12 電路改進(jìn)后的輸出信號(hào)

四、壓縮參數(shù)

通過在CV信號(hào)前增加一個(gè)電壓衰減電路，可以控制壓縮比率。?電路中通過一個(gè)電位器來對(duì)CV信號(hào)進(jìn)行衰減。?實(shí)際測(cè)試可以看到，當(dāng)電位器調(diào)整之后，可以改變信號(hào)超過閾值的比例大小。當(dāng)電位器調(diào)整到0，實(shí)際上電路就不在進(jìn)行壓縮了。

▲ 圖1.4.1 電路中增加壓縮比率電位器

通過對(duì)峰值檢波電路中電阻阻值的改變，可以調(diào)整壓縮電路釋放時(shí)間參數(shù)。?通過實(shí)際測(cè)試可以看到檢波電路的時(shí)間常數(shù)對(duì)于信號(hào)幅度檢波衰減速度的影響，從而影響到整個(gè)壓縮電路釋放時(shí)間參數(shù)。?在檢波電路中增加一個(gè)串聯(lián)電阻，可以改變啟動(dòng)時(shí)間參數(shù)。?將增加的電阻放在運(yùn)放反饋回路中，可以使得啟動(dòng)時(shí)間更加精確。?啟動(dòng)時(shí)間與設(shè)定電位器 呈現(xiàn)線性關(guān)系。?通過實(shí)際電路測(cè)試，驗(yàn)證了電路的功能。

▲ 圖1.4.2 改變啟動(dòng)時(shí)間和釋放時(shí)間電路

這里給出了整個(gè)音頻壓縮硬件電路原理圖。?搭建實(shí)際電路測(cè)試可以驗(yàn)證它可以對(duì)多種輸入信號(hào)工作良好。?增加一個(gè)開關(guān)，可以根據(jù)實(shí)際音樂特性確定是否進(jìn)行信號(hào)壓縮。

▲ 圖1.4.3 音頻信號(hào)壓縮電路

總??結(jié)

本文討論了對(duì)于音頻信號(hào)進(jìn)行壓縮硬件實(shí)現(xiàn)的方案。?設(shè)計(jì)并優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)。?通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了電路的有效性。