数字音频处理器（压缩、限幅器）在广播发射系统中的应用

吕晓强

（作者单位：新疆新闻出版广电局节传中心7605台）

1 广播发射系统对音频输入信号的要求

我国现在使用最广泛的调频、中波广播发射系统中，发射机实际输出功率与音频信号的幅度有直接关系，要达到“满时间、满功率、满调制度”三满安全播出的要求，提高覆盖场强、改善收听效果，就要提高音频节目的响度，但过高的音频信号幅度又会导致广播发射机过调制，在发射机端表现为因整机电流瞬间过大造成电流过荷、引发自动保护关机、降功率、严重到功放组件过流损坏等故障，在接收端表现为失真明显。

既要做到满调制度，又不能产生明显的失真和过调，要平衡好这对矛盾，就必须控制音源信号的动态范围、提高平均响度，使音频信号始终保持在一个较高的平均幅度上，并限定一个最高信号电平以保证发射机不发生过调制。如果在发射机输入音源通道上不使用音频处理器，值班员观察发射机VU表（或调制度表），通过调整衰减器控制输入发射机的音频信号电平，由于音源信号的动态范围较大，信号峰值超限在所难免，且由于语音和音乐节目的动态范围不同，通过衰减器调整音频信号满足语音节目源满调制度后，节目源变成音乐就易造成过调制。使用音频处理器可较好地解决这个问题。

2 音频处理器的基本结构和功能

现在，各地广播发射台使用的这类设备型号多种多样，功能基本一致，压缩和限幅是其基本功能，较单纯的衰减+限幅器，音频处理器多了“压缩”这一功能，在音频信号幅值达到压缩阀值电平但还未超过限幅门限电平时先进行压缩，以降低信号失真，信号经压缩之后如果超过限幅门限电压后将被削波处理，保证发射机安全工作。

压缩器：从结构原理上看，压缩器实际是一个自动音量控制器，一个带有自动增益控制（AGC）的放大电路，在低输入电平和中等输入电平时，压缩器增益为1；当输入增大到门限区（门限区可在很宽的范围内调整），压缩器就进入增益减小区，信号电平越高，增益越低。如图1所示：在低中等输入电平时，增益增大2 dB，输出也增大2 dB。当输入增大到门限区，压缩器输出增益下降。对2:1的压缩比来说，输入增加2 dB，输出只增加1 dB；对4:1的压缩比来说，输入增加4 dB，输出只会增加1 dB。

图1 AGC示意图

当音频信号幅度超过设定门限值时，将信号按照设定比率进行压缩，压缩音频信号动态范围，使突发强信号受到限制、弱信号获得平均提升，提高音频信号平均响度，从而提高发射机的平均调制度。

限幅器：当音频信号电平到达设定值以后，不管输入音频幅度怎样增加，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。

早期压限器（压缩、限幅器）功能由硬件电路实现，一般结构由检波器和压控放大器（VCA）组成，输入音源信号经峰值检波后得到与音频信号幅度成正比的检波电平信号，

压控放大器一般都采用压控可变电阻来控制增益。图2为场效应管压控可变电阻原理图。

图2 压控放大器原理图

加在漏极D与源极S之间的等效电阻RDS将跟随由检波信号电压得到的栅源负偏压UGS而变，当UGS=0时，RDS最小；UGS越大，RDS也越大；UGS等于场效应管的夹断电压Up时，RDS可达数百欧姆以上，漏源之间的等效电阻随栅源负偏压变化范围很大。用这类压控可变电阻控制放大器增益，可使压缩器的增益控制范围达到50 dB以上，达到动态控制输出音频信号幅值的目的。

3 数字音频处理器的兴起和优点

近些年，随着数字技术的兴起以及相关DSP芯片功能的进步，数字音频处理器在广电行业得到普遍应用，由于数字设备的响应速度快、抗干扰、智能化等特点，克服了早期模拟电路构成的压限器输出信号变化不够灵敏、失真、信噪比欠佳等缺点。

现代数字音频处理器一般由A/D、D/A转换、MCU、音频增益控制算法模块、预设各类功能的DSP芯片等部分组成，如图3所示。

图3 现代数字音频处理器组成

由于数字化音频处理器对音频信号的控制是算法软件通过MCU或DSP实现的，速度快、精度高，且通过A/D芯片实时采样分析，实现音频增益控制的智能化。与早期模拟电路压限器相比，数字音频处理器输出的音频信号失真、噪声更低，电平响度一致性强。

4 以DRAWMER MX30型数字音频处理器为例介绍相关功能和设置

由于数字化音频设备的研发生产方面，国外设备厂商较国内起步早，国内广电行业使用也较多，如英国DRAWMER公司MX30型、美国ORBAN公司OPTIMOD系列数字音频处理器。现以DRAWMER MX30型数字音频处理器（双路压缩器）为例，对其噪声门（GATE）、压缩器（COMPRESS）、输出及限幅器（OUTPUT）这三大基本功能，以及应用于广播发射系统中的设置和使用方法进行分析。

4.1 噪声门（GATE）功能与参数设置

音频通道中无用的噪声信号是随时存在的，但因人耳的掩蔽效应，当音源中含有较大的有用信号（如音乐或人声）时，有用声远大于无用的噪声，噪声被有用声掩蔽，几乎无法察觉噪声的存在。当有用声很小或者中断时，噪声就会显得比较突出。噪声门相当于一个开关，当输入的音频信号低于设定值（阀值THRESHOLD）时关闭，无输出信号，输入音频信号幅度高于设定值后恢复正常输出。一般参数设置：首先将阀值电平（THRESHOLD）旋钮调到最小，绿灯亮，表示阀值低于当前输入信号，噪声门关闭，无任何信号输出。然后，将前级音源的音量完全关闭（来自卫星接收机、调音台等），慢慢提升阀值电平，红灯一亮即停，表示当前设定的阀值等于或稍高于当前输入信号电平，因已将前级音源音量关闭，所以当前输入没有有用声而只有噪声，即可阻止噪声被送出。如果阀值电平设得过高，会使音源中的一部分有用声信号被当做噪声滤除，因此，阀值不宜设置过高。释放速度（RELEASE）：当输入信号低于阀值时噪声门关闭、切断输出，这个关闭的时间长短就是释放速度。当REL按钮被按下（同时其指示黄灯亮起）时为慢速释放（SLOW），REL按钮弹起时为快速释放，快速释放适合语音类节目，慢速释放适合音乐类节目。

4.2 压缩器（COMPRESS）功能与参数设置

功能前文已述：对超过预设阀值的音频信号按照设定的压缩率进行压缩（降低信号幅值）。一般参数设置：首先是阀值电平（THRESH），用于设定开始压缩的信号电平。DRAWMER MX30型音频处理器特有“缓升降压缩”技术，当输入电平超过设置的阀值电平、但超出值不到10 dB时采用“缓升降”压缩方式，使音源信号只产生微小变化；当输入电平超出阀值大于10 dB后，音源信号将按照设置的压缩率被快速压缩。其次是压缩率（RATIO）：用于设定超过阀值电平10 dB以上的音频信号将被按照什么比例进行压缩，范围从1.2:1至∞:1，1.2:1的压缩率即输入信号增加1.2 dB输出信号增加1 dB，当设置为∞:1时即输入信号无论如何升高，输出将保持常数输出。通常是压缩率较大时阀值电平可以提高一些，这样可减小压缩后信号的非线性失真；压缩率较小时阀值电平需降低一些。阀值电平定的太低会使输出音频信号电平不足而且信噪比差，阀值电平定的过高则输出失真加大。对于阀值和压缩率的设定应使处理过的音频信号不超过发射机的允许最大输入动态范围为最佳。最后是增益降低表（GAIN REDUCTION）一个9段LED组成的条状表，显示超过设定阀值电压后压缩器工作时音频信号的增益降低数值。

4.3 输出及限幅器（OUTPUT）功能与参数设置

由增益（GAIN）、峰值限位器（PEAK LIMITER）、输入/输出电平表（INPUT/OUPUT LEVEL）、旁路（BYPASS）、环接（LINKING）几部分组成。

增益（GAIN）用来确定音频处理器输出的信号电平，范围±20 dB，用于补偿由于压缩而被改变的电平，可根据发射机的音频输入要求设定。峰值限位器（PEAK LIMITER）：用于设定输出信号绝对不允许超过的电平，如果输出信号超过设定值20 ms，就会引发限位器动作，系统增益迅速降低使信号电平降至设定的峰值电平，相当于削波处理。旁路（BYPASS）：此按钮按下时为旁路状态，使信号输出端与输入端直通。可通过按下此按钮来对比经过处理后的信号与原信号的差异，观察压缩效果。输入/输出电平表（INPUT/OUTPUT LEVEL）：一个9段LED电平表，可直观显示输出信号的电平。环接（LINKING）：此型音频处理器为双声道输入、输出，左右两声道可单独使用，如使用在立体声调频发射系统中，将此按钮按下可使左声道的所有设置同时应用于两个声道。

4.4 使用经验

在中波发射台的应用中，可先按照4.1中步骤设置好噪声门；再根据发射机的音频输入要求，按照4.3设置好输出电平以及限幅电平；第三步根据实际听感确定压缩率和压缩阀值。设置好相关参数后可通过BYPASS键对比处理后的信号变化。如效果不好确定可在发射机高频取样端连接示波器、观察射频信号，上下包络重合即满调制度，通过反复调整压缩率、压缩阀值与限幅电平，使上下包络线呈现断续点状重合，且无明显可听失真即可。日常使用中，如果节目源的音量变化较大导致发射机过调制或调制度不足，可通过调整输出增益值补偿。

5 结语

数字音频处理器因其优异的性能，及其对提高广播发射机的播出质量和设备安全性方面有显著效果。通过本文的简要介绍，希望能为各广播发射台站中同类设备的使用提供一定参考。