![[电子]浅谈音频信号压缩电路](/0.jpg)
浅谈音频信号压缩电路 % y4 H- l3 E M( ^5 A3 e' l
01 信号压缩0 G9 y5 i, ?8 a1 Z6 {+ ~! {9 f
一、为什么进行信号压缩？
0 M! W7 q d* c; O 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。
1 c, e7 F4 q3 Y& C: t5 k
1 D. s# Y9 ?) q( Y) g: }2 w9 a* p$ s7 H
MBXY-CR-681e3dec5d8aea078fc4bf99af47c631.gif (1.61 MB, 下载次数: 331)
下载附件
2023-1-16 17:51 上传
9 a8 J- ?+ e# h▲ 图1.1.1 信号没有被压缩之前的波形
" L6 {2 D v5 p
$ z2 {2 ]5 N% S6 d+ k& F
$ Z- I/ }( K( y7 g 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。 ( n- x: g$ \2 w
" ~ \: ]9 d' s' \& Y7 Y1 i
MBXY-CR-3518cf3b7dbea711277b82b41f6a7c33.gif (1.94 MB, 下载次数: 332)
下载附件
2023-1-16 17:56 上传
5 s+ C- K9 d) x! a) @$ O+ e1 V
5 R. M6 [ Z0 m▲ 图1.1.2 信号被压缩后的波形5 b7 p7 F; m& b/ v p
* W' V$ e8 k0 ~0 Q; n: h
, ^4 i& k- g$ D* l" j二、信号压缩参数
( o* o. h" Q+ ^! Y4 s+ m! b% ` 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。
7 \' q( n; Q) v) U' g# i1 e$ D7 m: V1 u. m
MBXY-CR-55a6bec91208e4ac28c388512b9f9482.png (175.33 KB, 下载次数: 368)
下载附件
2023-1-16 17:51 上传
* t" _' V! f( w. R* Z1 c" M+ e. s. v/ K
▲ 图1.2.1 信号压缩的参数
+ b: _+ ?9 [! g% o" g/ G) B3 R7 ^3 Z
5 y2 d$ |+ G' w* q4 n 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。7 ^. h% r; b7 b+ C* M
0 y4 ]& ^& ]) u e8 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。
) o) M+ i& C" T* s% u g# M ^- T1 v, h+ E
三、信号压缩硬件电路
8 u$ B+ k$ Y8 @1、系统框图
$ m6 L8 x3 [4 [2 A6 T 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。. Z Z L. D, x5 _9 { A& k
' ~6 B @ a8 P0 |0 H- b
/ K8 M4 e$ H0 A9 Z) U2 O" p% ~
MBXY-CR-8781874aeed2da17fa18ab5be1032204.gif (358.08 KB, 下载次数: 351)
下载附件
2023-1-16 17:58 上传
& z8 F) ^7 ]! ~- N& u1 k2 p8 J, N3 N▲ 图1.3.1 信号压缩硬件电路. I6 c# U8 X7 o$ ~4 O. `& X
$ X c. [1 S, D& A* C
( b7 P3 l1 S7 Y9 L; t" A 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。% L1 s" I" G; o- r- u. U
8 y _( k3 o1 `4 |
2、音量控制电路" O! L2 x$ |/ T( I1 q n2 o
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。! P; n X# V4 r
2 N" a, n! R. q) P( @& E/ X2 V
MBXY-CR-aeca8ea6993fbe74c3d0c67e3c3eb5ad.png (145.01 KB, 下载次数: 360)
下载附件
2023-1-16 17:51 上传
$ M5 c4 Q+ x5 O t2 i+ ^9 v4 f
, Q- U [' }+ _' c▲ 图1.4.1 音量控制电路. M( ^ [3 L" X4 n' U
* @4 }" {3 S( I/ A; U6 F1 d: G* ^4 f0 P! f$ ^
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。0 J" Y7 O. h; I9 r/ V$ z: M
1 { t% D, _. f# M' i: |( ^$ Y 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。
/ b" {! E6 n* T
f7 @6 a0 F% z' d( ~ j, A8 _% `
MBXY-CR-2af7437fb91e2a9597e8524cd53b0439.gif (2.89 MB, 下载次数: 326)
下载附件
2023-1-16 17:51 上传
1 Q6 n, n- P. P3 |0 P8 p# K2 `▲ 图1.4.2 VCA电路的测试效果 K( p2 P- o1 J# V- f
; b: }6 M, L v1 B( o
0 T8 S/ b* U$ S1 x. a$ g4 U3、信号幅度检测电路
+ i# v4 j& U( z1 |: s' w 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。0 C6 g6 Q" M! B( P) `$ q
) }# f M+ h2 f6 N
4 m; o& M0 n: n6 R
MBXY-CR-75638ee52a31e7ea112822be8ec6a37d.png (57.46 KB, 下载次数: 354)
下载附件
2023-1-16 18:00 上传
& b5 w Q4 ^/ r; A) s
▲ 图1.5.1 峰值检波电路
$ n3 K* D- h t/ ?" L8 z9 u/ k' e, S; u D" @
% Y! m3 y2 `6 R/ m9 y. Q
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。' L ?9 s6 D$ {* n Q7 ~' M. T
8 P- ]/ {8 ?* g, e
# N1 X' V) S' o9 [
MBXY-CR-cc8d22c4b94ab85fffe33b74964768da.gif (1.56 MB, 下载次数: 372)
下载附件
2023-1-16 17:51 上传
* v9 m# ?6 Z" |7 E! u! a
▲ 图1.5.2 普通二极管检波电路输出信号+ M. O( W. x9 H: t+ t) e$ c& w; n ?
% c1 M X/ i4 l, U5 O1 y' I
+ F/ P7 ?& ?& i 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。
# q' i; ]: |+ V. o6 T' x& ]( \3 J0 a6 w, f) H8 q$ m- B! D
4、阈值比较电路 Q/ B; Q; z% P1 [
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。
7 l7 I( `1 f3 A3 H- I3 }: P* J T7 J* i
MBXY-CR-948396b8e4c12a8cfd41a131a4399975.png (127.47 KB, 下载次数: 351)
下载附件
2023-1-16 17:51 上传
+ l4 [* b4 P, B" V▲ 图1.6.1 阈值比较电路) J* Z6 I$ y( Y# z
; D! \) W' W' k3 q7 U& Y/ j
3 z2 P2 W& S, R
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。' ]% l0 a2 R; @5 {& C0 J7 S7 O( Y
7 y2 l! e; d) k! Q
MBXY-CR-f777c31889754ad47f1c492b601ea652.png (86.51 KB, 下载次数: 339)
下载附件
2023-1-16 17:51 上传
. r0 p! Q& ^2 e. \2 A/ h) r0 l! ?; @2 u
' m/ z5 Z, g5 F▲ 图1.6.2 阈值电压检测电路! S" \$ ]" l: L7 T4 l0 W" y
) ~1 r4 v6 Q) Y9 j$ Z
0 n; J- g6 _, J R 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。
! S' A/ _& y3 U. |; {7 Q
MBXY-CR-09b96deac04f019b42fbd58f3565d492.png (808.54 KB, 下载次数: 306)
下载附件
2023-1-16 17:51 上传
) k# X/ D; @3 d& D
& y3 ~$ } _% h4 ^# G- V
/ \# Q$ h% a7 x
▲ 图1.6.3 面包板测试电路输出信号