Лабораторная работа №3

Исследование характеристик

компрессора звукового сигнала

Цель работы: изучить принцип действия компрессора, исследовать его статическую и динамическую характеристики и оценить его работу на реальных звуковых сигналах.

1. Задание к лабораторной работе

• изучить назначение и принцип действия компрессора;

• изучить возможности программного продукта (ПП) Sound Forge для сжатия динамического диапазона ЗС;

• на основе анализа алгоритма работы компрессора и свойств звуковых сигналов выбрать его статические и динамические характеристики для оптимальной обработки речевого и музыкального сигналов;

• исследовать статические и динамические характеристики компрессора;

• уменьшить ДД речевого и музыкального сигналов и оценить работу компрессора объективно и на слух.

2. Теоретические указания к самостоятельной подготовке

После формирования и первичной записи (преобразования) звуковых сигналов (ЗС) неизбежно требуется их дополнительная обработка (постобработка): необходимо устранить внешние акустические шумы (при записи вне студии), слишком затянутые паузы (в речевом сигнале), изменить (уменьшить) динамический диапазон (ДД) ЗС. Прослушивание ЗС, не прошедшего постобработку, может не только не доставлять удовольствие, но и при некоторых его параметрах даже раздражать из-за перечисленных выше факторов. Слишком большой динамический диапазон ЗС (большие и частые перепады уровня его громкости) может даже снижать разборчивость. Кроме этого, перед передачей ЗС по каналу, приходиться уменьшать ДД ЗС для его безискажённой передачи. В силу этих обстоятельств приходится дополнительно обрабатывать такой ЗС, уменьшая его динамический диапазон (ДД) и содержащиеся в нём шумы. Для этого применяются такие устройства (или инструменты программного продукта) как сжиматель (компрессор) и расширитель (экспандер). Компрессирование ЗС применяется, также, для повышения его средней мощности и повышения разборчивости речевого ЗС.

Вследствие того, что компрессор срабатывает не на мгновенное значение ЗС, а на его уровень, то его относят к автоматическим регуляторам уровня (АРУр).

1. Статические характеристики компрессора

На рис.3.1 приведены амплитудные (вверху) и регулировочные (внизу) характеристики для двух видов компрессоров.

а) б)

Рис.3.1. Амплитудные характеристики (вверху) и зависимости коэффициента передачи от уровня входного сигнала (внизу): линейного (а) и билинейного (б) компрессора

Компрессор может иметь линейную (а) или билинейную (б) амплитудную характеристику (АХ). В первом случае, зависимость 1 на рис.3.1.а, его коэффициент передачи меняется во всём диапазоне изменения уровня N_вх входного сигнала. При билинейной АХ, зависимость 1 на рис.3.1.б, коэффициент передачи имеет два прямолинейных участка. При больших уровнях входного сигнала, в диапазоне от 0дБ до N_пор, коэффициент передачи не изменяется и равен 0дБ (единице). Изменение коэффициента передачи происходит при низких уровнях входного сигнала, когда его значение ниже порогового N_пор (в случае, показанном на рис.3.1 N_пор2=-20дБ). Кривая 2 на рис.3.1 соответствует АХ усилителя с коэффициентом передачи 0 дБ (единице).

В обоих типах компрессоров коэффициент передачи возрастает при уменьшении уровня входного сигнала. Компрессор с линейной АХ можно считать частным случаем билинейного компрессора, у которого N_пор=0дБ. Благодаря такой зависимости коэффициента передачи от уровня входного сигнала (регулировочной характеристике) все типы компрессоров - линейный, билинейный и ограничитель максимальных уровней (лимитер), сжимают (уменьшают) ДД ЗС.

Если амплитудная характеристика линейного компрессора описывается показательной функцией (что близко к действительности), то она имеет вид [2,3]:

U_вых= U^γк _вх, (3.1)

где U_вх и U_вых - напряжения, соответственно, входного и выходного сигналов, γ_к– коэффициент сжатия ДД ЗС.

Удобнее пользоваться амплитудными характеристиками, представленными через входные и выходные уровни. Они получаются после логарифмирования левой и правой частей уравнения (3.1). В результате получим компрессор с линейной логарифмической передаточной характеристикой (т.е. АХ линейна в логарифмических осях): N_вых = γ_к∙N_вх, (3.2)

где N_вых - уровень выходного сигнала, N_вх - уровень входного сигнала, γ_к – коэффициент пропорциональности (сжатия).

У билинейного компрессора АХ описывается системой уравнений:

N_вых = N_вх, при N_вх >N_пор,

N_вых = N_пор+(N_вх-N_пор)∙γ_к, при N_вх ≤ N_пор. (3.3)

Так как компрессор сжимает ДД сигнала, то коэффициент пропорциональности (коэффициент сжатия) γ_к меньше единицы. Из формулы (3.2) видно, что отношение 1/γ_к показывает во сколько раз ДД входного сигнала больше ДД выходного, в диапазоне уровней, когда N_вх≤N_пор. Так как сжатие ДД ЗС происходит лишь при N_вх<N_пор, то формулу для расчёта коэффициента сжатия γ_к можно получить из выражения (3.3):

γ_к= (N_вых -N_пор)/(N_вх-N_пор). (3.4)

В зависимости от назначения компрессора его коэффициент сжатия, обычно, лежит в пределах: 0,3≤γ_к≤0,7, хотя у ограничителя максимальных уровней (лимиттера) он может достигать значений: 0,05≤γ_к ≤0,1.

На рис.3.2 приведены амплитудная (а) и регулировочная (б) характеристики речевого компрессора с пороговым шумоподавителем.

Рис.3.2 Амплитудная (а) и регулировочная (б) характеристики

речевого компрессора с пороговым шумоподавителем

Его амплитудная и регулировочная характеристики имеют четыре участка, на двух из которых он работает как компрессор. До тех пор, пока уровень входного сигнала N_вх большой и не превышает номинального (т.е. находится в пределах -10дБ=N_п1≤N_вх≤0дБ), коэффициент передачи, рис.3.2.б, остаётся постоянным и равным 0дБ (единице).

При больших значениях уровня входного сигнала, когда N_вх>0дБ, коэффициент передачи уменьшается, и уровень ЗС на выходе устройства не растёт (N_вых≈0дБ), рис.3.2.а. При этих уровнях входного сигнала устройство работает как компрессор с большим сжатием (маленьким коэффициентом сжатия γ_к), и представляет собой ограничитель максимальных уровней (лимиттер). В этом диапазоне входных уровней коэффициент передачи падает на 10дБ (в 3,16 раз) при увеличении уровня входного сигнала на 10дБ, рис.3.2.б. Это позволяет предотвратить перегрузку последующего тракта звукопередачи.

При уменьшении уровня звукового сигнала, в пределах диапазона -30дБ=N_п2≤N_вх≤N_п1=-10дБ, коэффициент передачи растёт от 0дБ до 10дБ (от 1 до 3,16 раз). За счёт этого ДД ЗС сжимается, и устройство работает как компрессор.

Дальнейшее уменьшение уровня ЗС, на рис.3.2 N_вх<N_п2=-30дБ, приводит к уменьшению коэффициента передачи, и устройство работает как экспандер, выполняя роль порогового шумоподавителя (ограничителя минимальных уровней).