专利名称：具有自适应时间控制的反馈限制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于减小音频信号的动态范围的电路。
背景技术：
在音频系统中一般遇到的问题是系统部件的最大输入电平被音频信号过驱动，导致不希望的失真，甚至在某些情形下，导致系统崩溃。然而，例如可能希望限制传输系统中的信号电平以防止对听者的听觉的损害。在噪声环境中，还希望将较安静的段节放大以超过周围环境噪声水平，使得它们能够被听者觉察。
不管是需要增大低电平还是需要限制高电平(例如，使用所谓的限制器)，在两种情况下，结果都是音频信号的动态范围的减小，即，音频信号的最大和最小电平之间的差异的减小。所谓的“动态压缩”在交通工具中是尤其有利的，其中，一方面，周围环境噪声水平极高，这能够通过增加低的信号电平来改善，且另一方面，由于交通工具中的电源的低电平，音频系统的功率被限制，这可能容易导致在高信号电平处的失真。
在音频工程中，压缩器或限制器表示受控放大器组中的电路或表示用于限制信号的动态范围而经过相应编程的数字信号处理器。由此在保持音频信号(例如音乐)的固有特征的同时，音频信号的动态范围得到减小。
一旦在彼此独立的不同频率范围中同时在输入信号中发生不同的动态变化(例如，这对于音频信号例如音乐而言是典型的情况)，压缩器或限制器到达它们的限制。由于压缩器的非理想行为导致的典型的不希望的效应被称为“音量泵浦”(“volume pumping”)、谐波失真(harmonic distortion)和类似的赝象(artefact)。
已知不同的压缩器概念均具有关于音量泵浦效应或关于谐波失真的某些不足。对提供用于受控放大信号以减小其动态范围的改善方法具有一般的需求。
发明内容
使用受控增益放大输入信号的方法包括以下步骤 提供代表由初始增益放大的输入信号的输出信号；判定输入信号或输出信号的信号电平；将该信号电平与一阈值电平进行比较；如果信号电平低于阈值电平(释放模式)，使用自适应控制特性更新初始增益值；如果信号电平高于阈值电平(起音模式)，取决于信号电平，分别使用固定控制特性或自适应特性更新初始增益值；自适应控制特性与信号电平有关且固定控制特性与信号电平无关。
如果信号电平超出阈值电平的量大于给定超出值，可以根据固定控制特性更新初始增益值，且如果信号电平超出阈值电平的量小于给定超出值，可以根据自适应控制特性更新初始增益值。
压缩器包括受控放大器，该受控放大器具有接收输入信号的输入端、提供输出信号的输出端以及用于控制该受控放大器的增益的控制端。该压缩器还包括与受控放大器的控制端相连的反馈网络，该反馈网络具有第一操作模式(起音模式)和第二操作模式(释放模式)，以用于控制受控放大器的增益，其中依赖于输入信号或输出信号的信号电平，在第一操作模式中分别使用自适应控制特性或固定控制特性且在第二操作模式中使用自适应控制特性调适反馈网络以用于控制增益，该自适应控制特性与信号电平有关且固定控制特性与信号电平无关。
参考下面的附图和描述能更好地理解本发明。附图中的部件没有按比例绘制，而是重点放在说明本发明的原理。而且，在附图中，相同的参考数字表示相同的部分。在附图中 图1示出压缩器(或限制器)的静态传输特性； 图2通过具有矩形包络的正弦脉冲示出起音时间和释放时间； 图3示出示例性受控放大器的一般结构； 图4是基本反馈结构的框图； 图5是基本前馈结构的框图； 图6是在前馈路径中具有附属反馈环的前馈结构的框图； 图7是示例性反馈限制器的框图； 图8示出一种限制器，该限制器具有前馈结构和直接信号路径中的延迟，该限制器使用峰值电平仪表以用于判定信号电平； 图9示出与图8的限制器类似的压缩器，不过该压缩器具有RMS仪表以用于判定信号电平； 图10示出具有前馈结构的另一限制器； 图11示出本压缩器/限制器概念的示例；以及 图12示出本压缩器/限制器的更详细的示例。
具体实施例方式 在音频工程中，压缩器或限制器表示源于受控放大器组的电路或表示用于限制信号的动态范围而经过相应编程的数字信号处理器。由此，在维持(例如音乐的)其固有特性的同时，音频信号的动态范围被减小。例如，使用包络迹线，从音频信号(通常但不总是待处理的信号)的电平得出用于控制受控放大器的增益的控制信号。如果音频信号的电平变得太高，即其电平超出某一(通常预定的)阈值电平，放大器通过减小其增益调节处理的信号的电平。相反，如果音频信号的电平再次落到阈值电平以下，受控放大器的增益被增大。处理的信号的动态范围由此被减小。
图1的视图中示出了静态传输特性。横坐标值以分贝形式表示输入信号电平且纵坐标值以分贝形式表示输出信号电平。对于一直到阈值电平T(在本示例中为-35dB)的输入电平，压缩器的增益是单位值或零分贝(即，输出信号对应于输入信号)。对于阈值之上的输入电平，增益对应于压缩率而被减小，在图1中所示的情况下压缩率为4:1。压缩率被用公式定义为 对于X>T且Y>T，ratio＝(X-T)/(Y-T)(1) 其中阈值T、输出信号Y且输入信号X以分贝形式测量。该式表示输入信号超过阈值电平T的超出量(X-T)和输出电平超过阈值电平T的超出量(Y-T)之间的比率。例如，2:1的比率意味着阈值电平以上的输入信号电平衰减2倍。因而该压缩器的总静态增益GAINSTAT由下式给出 对于X>T，GAINSTAT＝(T-X)(1-1/ratio)(2) 其中增益GAINSTAT也以分贝形式测量。如上所述，对于低于阈值电压T的输入信号电平，静态增益GAINSTAT总是零分贝。压缩器可以具有1.3:1至3:1之间的压缩率。尽管没有明确的限制，具有8:1以上比率的压缩器通常被称为限制器。
因子(1-1/ratio)(1-1/比率)代表增益从线性曲线的偏离，且也被称为“斜率”S。因此，静态增益GAINSTAT可以以斜率s的形式表达为 对于X>T，GAINSTAT＝(T-X)s(3) 因此，限制器具有约0.9至1.0之间的斜率s，而压缩器具有约0.1至0.5之间的斜率。
很清楚地知道，任意受控放大器的增益不能在无限短的时间间隔中被调节。增益的调节通常由前馈或反馈电路的动态决定，所述动态可以通过(在很多参数中)直接或间接的可配置参数“起音时间”tA和“释放时间”tR描述。
因此，压缩器/限制器的典型设计参数可能是 —阈值T —比率 —起音时间tA —释放时间tR。
上面已经定义了阈值电平T和比率。起音时间tA定义了从阈值电平T超过最大压缩时间开始的时间滞后。有利的起音时间极大地依赖于待处理的信号。它通常被选择为极短(1至50毫秒)。释放时间tR定义了一旦电平落到阈值以下多快地去除信号压缩，即从阈值电平T下冲到没有信号压缩的时间滞后。下面参考图2给出示例。
当在彼此独立的不同频率范围中同时在数据输入信号中发生不同的动态范围变化(对于音频信号例如音乐而言，这是典型的情况)时，问题可能发生。典型的压缩器/限制器适应具有最高能量的音频信号的部件(通常为贝司或小军鼓)，导致不希望的“音量泵浦”效果。例如在音频信号的低音范围内的电平中的升高由此导致整体信号电平的不希望的减小。
所有已知的限制器的共同之处在于贯穿整个频率和电平范围它们要么一贯地使用固定增益控制特性(在反馈或前馈信号路径中)，要么一贯地为起音时间tA和释放时间tR参数使用自适应特性，并且它们呈现出针对其相应方法的固有的缺点。例如，用于起音时间参数的固定特性可能很大程度地受音量泵浦的影响，对于具有相对低频的音频信号，可能导致不希望的信号失真。压缩器的其他设计包含控制特性，其中，起音和释放时间参数(或甚至压缩率)依赖于超过阈值电平的量(自适应特性)。
图2示出了具有矩形包络的正弦脉冲作为其输入信号x的限制器的输出信号y和压缩(动态增益gaindyn<1)的示例性特性。起音时间tA对应于压缩器/限制器的受控放大器用以减小骤升到阈值T之上的指定值的输入信号x的电平所需的时间。该指定值被定义为压缩器的阈值T之上的指定值，例如，在本示例中为6、4或1dB。
起音时间tA代表用于压缩器/限制器的性能的关键参数。一方面，对于压缩器的快速响应，需要极短的起音时间tA，而另一方面，对于短的起音时间tA，自然瞬态响应在音频信号中得到抑制。这尤其适用于其声波特性以不希望的方式变更的音频信号的低频成分。另外，在低频情况下谐波失真增加。
释放时间tR代表参照输入信号在电平预先下降之后(即输入信号落到指定阈值电平之下且不再需要压缩)压缩器的受控放大器将输出信号电平返回到特定值所需的时间。所述特定值被定义为输入信号电平之下的某一电平，例如，本示例中为-6、-4或-1dB(参考图2)。
同样，释放时间tR也是用于压缩器/限制器的性能的关键参数。基本不希望的赝象是上述“音量泵浦”，它出现在相对长的释放时间内且尤其在音频信号的安静段片过程中激励。即使输入信号已经暂时超过阈值电平T，增益在相对长的周期上被减小，当收听音频信号例如音乐时，这被感觉为杂乱。与此对照，短的释放时间tR导致不希望的失真的增加且与特定设备(例如钹)有关的回波被不自然地放大。
而且，对于在反馈结构中实施的压缩器/限制器，在图2中能够看出典型的不希望的效果。该效果已知为“过冲”且在短时间内在输入信号的电平骤升开始时发生。因为当在数字信号处理器(DSP)中实施限制器时，最初必须从输入信号的数字化输入采样计算当前输出采样，超过限制器阈值的电平中的变化不被考虑，直到下一计算周期为止，且过冲总是发生，而不管起音时间tA的长度如何。持续时间依赖于配置的起音时间tA。
另一参数是“保持时间”tH，它定义了紧随起音时间tA之后的时间间隔。保持时间tH用于防止(例如在音乐信号中的管乐器遇到的)恒定电平的长连续音调以“颤抖的”质量呈现。
下面讨论的压缩器和限制器通过数字信号处理器(DSP)中的合适的算法实施以允许相应特性和参数的简单变化，且允许诸如音量泵浦和失真这样的不希望的赝象的程度的相对和绝对比较。固定和自适应特性的组合或者用于起音和释放时间参数的控制曲线被应用于限制器/压缩器的新颖设计中。用于实验性设计的DSP是来自于Anlog DeviceInc的Sharc 21065L型处理器。在所有的情况下使用48kHz的采样频率采样输入信号。
如上所述，压缩器和限制器从输入和/或输出信号推算参数以使用可控增益放大器控制音频信号。图3是简单的框图。该控制算法能够被描述为反馈/前馈网络，因为可变增益依赖于输入信号x和输出信号y以及某些控制参数(例如，起音时间tA、释放时间tR等)。下面描绘了主要用于受控放大器的三种基本结构。在稍后的不同方法的详细讨论中更完整地解释它们的相应部件。
如图4中所示的用于压缩器/限制器的反馈结构代表最容易实现的基本结构，且仅需要DSP很少的计算性能。该反馈结构的主要缺点在于必然发生过冲，且其应用仅在假设过冲对音频信号的音质没有负面影响时有用。
如果所述比率被有限地设定，即，用于压缩器或扩展器，如图5所示的前馈结构是尤其有用的。而且，因为控制系统通过“预测未来”工作且能及时在短时间内测量电平中大的上升，通过在直接信号路径中引入延迟可以完全排除过冲。
图6示出了具有前馈和辅助反馈结构(即前馈结构中的附属反馈环)的电路的基本结构。此处，目标是组合反馈结构和前馈结构的优点以抵消诸如失真、过冲和音量泵浦之类的不希望的赝象。
下面描述和讨论算法和信号结构以示出怎样为DSP中的实施实现限制器和压缩器的上述三种基本结构(参考图4至6)。
下面描述的算法对应于如图7中所示的反馈限制器的模拟结构的数字实施。阈值T、起音时间tA以及释放时间tR能够被指定为参数。如果输出信号的电平超过特定阈值T，算法变换到状态“起音”且通过与“起音因子”相乘为输入信号x的数字信号采样的下一周期计算新的增益。因此，输出信号y的电平可以像希望的那样被减弱。使用特定参数(阈值T、起音时间tA)为每一个其他的数字信号采样重复该行为，直到输入的电平落到预定阈值T之下为止。在这种情况下，算法变换到状态“释放”。
如果算法是释放状态，释放增量被加到增益上。通过实施加法，增益以信号采样的每个步长恒定地增加，而起音状态过程中的乘法导致增益中的指数减小。以如下方式限制起音因子AF它使用以10dB电平过冲标准化的dB/s(分贝每秒)形式的时间常数，在电平超过阈值T的时间内减小增益。释放增量RI也被选择，使得对电平低于阈值T的周期，限制器使用以增量/秒方式为10dB电平下冲标准化的绝对时间常数来增大增益。所得的释放时间tR由此仅依赖于用于阈值的值和作为所得起音时间tA的10dB电平(自适应增益控制特性)。
依照图6中所示的结构，首先根据数字化输入采样和增益因子计算当前输出采样。因此，超过限制器的阈值T的电平中的任意变化不被考虑，直到计算下一周期为止。因此不管配置的起音时间tA如何，发生过冲。过冲的持续时间随起音时间tA变化。用于处理音频信号的起音和释放时间例如可以是，对于起音时间，tA为50μs至10ms，且对于释放时间，tR为50ms至3s。
如所期望的，即，作为输入信号(正弦脉冲)的电平中的骤升的响应，实验性测量在“起音”状态中呈现强过冲。如上所述，在这类限制器设计中不能排除过冲。在释放状态中发生输出信号的控制，而没有可辨别的控制相关赝象。压缩器也可以使用如图4中所示的前馈结构相对简单地实现。下面提出了两种算法，这两种算法在它们的基本结构中工作类似，但是为“释放”和“起音”使用不同的滤波器结构。
图8是另一限制器/压缩器的框图。在该限制器/压缩器模型中，通过所谓的“侧链”判定增益控制信号。这里，用于减小输入信号所需的控制因子通过峰值电平仪表、传输特性曲线(代表静态增益)和使用log/delog模块计算。
特性曲线判定设备是作为限制器还是作为压缩器工作，同时组合的压缩器/限制器特性也是可能的。组合的限制器和压缩器均具有它们自己的用于阈值T和比率的参数，但是在这种设计中在每种情况为限制器和压缩器选择相同的释放时间tR和起音时间tA。然后使用所谓的平滑滤波器过滤源于数字算法行为的波纹。通过在直接信号路径中使用延迟元件以产生适当的信号延迟(参考图8)，能够防止过冲。延迟的持续时间主要依赖于峰值电平仪表和平滑滤波器中发生的信号延迟。当定义信号处理的直接信号路径中的延迟时，这些延迟必须被考虑。
为认识图8中所示的峰值电平仪表，1阶递归低通滤波器被用于平均信号值的指数判定。用于起音时间tA的系数“起音因子”AF和用于释放时间tR的“释放因子”RF定义了峰值电平仪表的行为且因此定义了整个受控放大器的行为。“起音时间”和“释放时间”的时间常数以这样的方式定义即，在“起音时间”的情况下或在“释放时间”的情况下，如果阈值电平T被输入信号过冲或下冲10dB，则控制系统将在该时间常数内带来阈值电平T之上或之下的1dB的指定电平。
图8中对数/反对数模块的实施要求DSP的大多数计算性能。这种情况下引用DSP的开发环境提供的库函数。这些函数已经证明自己在这里所需的应用的精确度方面更加适用，且它们在本语境中不被更详细地处理。在这种情况下DSP需要约70个时钟周期以用于单个对数或反对数处理。
通过对数/反对数处理，根据特性曲线计算增益值。为完成这点，如稍早详细描述的，首先根据比率计算斜率以简化后续计算。
平滑滤波器在下一步骤中的使用依赖于下面列出的需求。由于对数和反对数处理的非线性特性，在所得信号中出现不希望的谱成分。通过实施为1阶低通滤波器的平滑滤波器，这些谱成分以简单的方式被充分地衰减。而且，由于对数处理的数字实施，在所得信号中可能出现波纹。如果不使用合适的滤波器，波纹将转变成音频信号。
同样，通过为平滑滤波器适当选择的平滑时间对因为起音时间的极低值而发生的信号失真进行补偿。大约起音时间的一半被选择为用于平滑时间的合适的值。
如图8所示，通过引入例如100个采样的延迟，能够实际地完全抑制过冲。该“高级”信号分析的方法使得(否则将在输出信号中导致过冲的)峰值被检测且用于延迟的输入信号的合适的控制行为被采取。这里，增益在使用适当选择的时间常数的预定周期上被减小。很明显，为实现所需的效果，必选选择每一个配置的延迟时间以对应于指定的起音时间。
在释放状态中，用于增益的曲线是指数上升的，与图7的限制器的线性控制信号有所不同，只要输入信号的电平比阈值电平低，该曲线快速地变换到增益为1的正常放大。增益的该指数行为具有这样的效果和图7的限制器比较，在约一半的时间内实现增益为1的正常放大。持续时间本身由此与输入信号电平低于阈值电平的程度(自适应控制特性)有关。
下面描述所谓的RMS压缩器的原型的实现和测量结果(见图9)。与图8中所示的限制器/压缩器有所不同，输入信号的有效值(即均方根值)被用作压缩的参考。和上述峰值电平测量相比，该方法为音频信号的觉察响度提供了较好的参考。而且，和峰值电平测量的方法相比，因为受控放大器对输入信号电平的瞬时改变的调节不太迅速地响应，音量泵浦的影响减小。1阶递归低通滤波器用于判定输入信号x的RMS值。具有约50ms值的时间常数对于判定平均有效值是可靠的。
下面的起音时间和释放时间的实施依次通过1阶递归系统(起音/释放滤波器)实现。这里，使用下面的公式，根据输入(静态)增益值gainstat[n]和先前采样(n-1)的实际增益值gaindyn[n-1]的实际加权和来计算用于起音状态和用于释放状态的实际(动态)增益值gaindyn[n] gaindyn[n]＝(1-coeff)gaindyn[n-1]+coeff gainstat[n]，(4) 其中，coeff定义起音因子AF或释放因子RF，它们使用下面的公式计算(SR是以每秒采样表示的采样速度) AF＝1-exp(-2.2/(SR tA))(5) RF＝1-exp(-2.2/(SR tR))(6) 在释放或起音状态中，在做出判定处理中工作的另一滞后环能确保在阈值之上和之下的区域中在信号波动事件中起音和释放控制状态之间不会发生不希望的快速切换，且因此用于平滑增益gaindyn中的变化。
与上述参考图8的限制器有所不同，该压缩器在释放状态中具有指数衰减的增益。这是因为反对数处理之后用于起音和释放阶段的增益信号的产生。类似的过冲的发生是清晰可辨别的。然而，在大多数情况下，压缩器仅与配置有相应的延迟(如上所述)以防止过冲的限制器组合使用。
下面描述的用于限制器/压缩器的前馈算法与前面参考图9所描述的设计类似地工作。这里，不同之处在于在起音和释放状态中使用高阶滤波器以实现增益控制特性。而且，在图9的模型中，示出，用于处理释放和起音状态的部件彼此分离以防止可能的相互影响。此处应用的算法中，限制器和压缩器的不同之处仅在于它们的阈值和比率。释放状态中增益的指数上升行为类似于图8所述的限制器的行为。
如前所述，具有前馈结构和辅助反馈结构的限制器/压缩器的更复杂的设计结合了两种方法的优点。在强瞬态脉冲的情况下，利用了预覆盖的心理声学效应，该效应由于在强脉冲之前立即的响应控制使得可能的非线性赝象变得不被人耳觉察。后续的保持时间然后确保在此之后的可能导致音量泵浦的段片中不发生电平波动。
这里描述的音频信号的限制和压缩的所有方法的共同点在于所得的增益呈现非线性行为且因此系统固有地导致信号失真。由于这一原因，必须对所有的算法实施附加的分析。算法被提供以诸如差拍信号这样的其他合成信号形状和具有不同音乐类型的实际音乐段片序列。通过信号形状中的变化的测量和用于所有经算法处理的实际音乐序列的音质的评估的听力测试执行分析。因为这些结果主要确认限制器的强度和弱度(已经通过显示的测量结果进行记录)，这里不给出结果的详细说明和讨论以保持不复杂的结构。
与限制器相关的两种主要的不希望的赝象是音量泵浦和信号失真。然而，已检验的方法都不提供关于音频信号的全部应用范围的音量泵浦和信号失真的主要赝象方面的合适的信号质量。另外，仅对于具有特定频率范围内的某些方法或具有规定参数值的配置(例如，释放时间)获得良好的信号质量，这进一步限制了音频信号的使用。从之前详细解释的已检验的限制器/压缩器的增益控制行为可以明显得出，尽管当选择了合适的参数时，在释放操作状态，某些方法呈现了具有很少赝象的良好的增益行为，如果参数保持不变，对于起音状态而言并非如此。
利用上述电路的相应优点，参考图11的装置和方法，通过对使用数字信号处理器(DSP)实施的一个或多个限制器/压缩器的参数起音时间tA和释放时间tR的固定和自适应特性曲线进行适当地组合，克服了这些缺点。图11中示出的电路包括接收输入信号x和提供输出信号y的可控放大器10。反馈网络11包括两种操作模式。实际的模式依赖于输入信号x的电平。在图11的情况下，通过将输出信号y的电平与阈值电平T进行比较判定操作模式。如果信号电平低于阈值电平T，反馈电路进入释放状态，否则进入起音状态。
在释放状态中，依赖于阈值电平和信号电平或者阈值的“下冲”值，释放参数(释放时间tR、释放因子RF、释放增量RI)总是被自适应地计算。因而，获得自适应增益控制特性1。
在起音状态中，起音参数(起音时间tA、起音因子AF等)能够依赖于阈值电平和信号电平自适应地计算(方框2)或者使用固定控制特性计算(方框3)。例如，依照阈值电平T被(输出)信号电平超出的程度，或者基于输入信号的频谱，做出在起音状态中使用固定还是自适应增益控制的判定，但并不限于这两种标准。还可以评估输入信号以用于这种判定。
自适应增益控制特性适用于输入信号超出阈值电平T小的超出值。固定增益控制特性适用于输入信号超出阈值电平T大的超出值。尽管固定特性对于音量泵浦更加不敏感，当输入信号达到阈值时，自适应特性更缓慢地调节音量。这防止了反馈网络太频繁地在起音和释放模式之间切换，这种切换将激怒听者并且导致整个系统不稳定。
例如，通过具有用于起音时间的不同参数的相同限制器/压缩器的级联，或者通过级联不同限制器/压缩器，或者具有相应选择的参数的相同或不同限制器/压缩器的组合，能够获得关于赝象减小的其他优点。图11中示出的用于自适应释放、固定起音和自适应起音的相应方框1、2和3也可以以级联限制器/压缩器的形式设计。
使用所谓的频带分解，即通过具有不同参数的相同限制器/压缩器或通过具有适当选择的参数的相同和不同的限制器/压缩器的组合，分离处理音频信号的不同频率范围，能够实现关于赝象消除的其他优点。例如，双频带和三频带分解可用于该方面。图11中的相应的信号处理方框(自适应释放、固定起音和自适应起音)同样能够使用频带分解实施。
作为数字信号处理器(DSP)的算法，图11中所示的电路的实施提供了必要的灵活性以实现讨论的组合和合适参数的选择。
上述方法能够容易地在数字信号处理器中实施。压缩器(或依赖于压缩率，也称为限制器)包括具有输入端、输出端和用于控制受控放大器增益的控制端的受控放大器；连接受控放大器的输出端和控制端以用于判定增益控制特性的反馈网络，该反馈网络具有第一操作模式(起音)和第二操作模式(释放)，以用于控制受控放大器的增益，其中反馈网络被调适以用于在第一操作模式中使用自适应控制特性控制增益且在第二操作模式中使用固定控制特性或者使用与输出端提供的输出信号的电平相关的自适应控制特性控制增益，自适应控制特性与输入端接收的输入信号的电平有关。
在图12中示出结合了与图11的限制器相同概念的另一示例性限制器。它为参数起音时间tA和释放时间tR以及起音因子AF和释放因子RF分别使用了固定和自适应特性曲线的适当组合。与图10的示例相反，图11的限制器不使用图4的反馈结构，而是使用如图6所示的具有附属反馈环的前馈结构。
输入信号x被延迟线13延迟，延迟的输入信号然后被放大器10使用可变增益gaindyn放大。放大器的输出信号是限制器的输出信号y。放大器10的增益gaindyn从反馈环11计算的静态增益gainstat得出。
(未延迟的)输入信号x被馈入到前馈结构12，该前馈结构的输出作为反馈环11的输入供应。前馈结构12被调适以用于通过使输入信号x的绝对值放大静态增益gainstat而计算输出信号，因而判定输入电平的总信号电平L的测量。必须注意，当在图11的限制器的情况下，还可以从输出信号y得出信号电平L，或者从根据输入信号得出的其他信号中得出。
在反馈环11中，计算的输入信号电平L用于判定限制器是以释放模式还是起音模式操作。如果输入信号电平L大于限制器阈值T，则限制器的反馈环以起音模式操作，否则以释放模式操作。
在起音模式中，依赖于输入信号电平L超过阈值电平T的超出值计算自适应起音因子AFAD。
AFAD＝1-(L-T)(7) 然后将该自适应起音因子AFAD与固定起音因子AFFIX进行比较。如果该自适应起音因子AFAD大于该固定起音因子AFFIX，则使用该自适应特性(AFAD)计算静态增益gainstat，否则使用该固定特性(AFFIX)计算静态增益gainstat。在两种情况下，根据下面的公式从先前的增益值gainstat[k-1]计算“新”的增益值gainstat[k] gainstat[k]＝gainstat[k-1]·AF，(8) 其中起音因子AF分别是自适应因子AFAD或固定起音因子AFFIX。然而，对于输入信号电平超出阈值电平T小的超出值，限制器使用自适应控制特性，因为自适应起音因子AFAD大于固定起音因子AFFIX。这将起音因子AF限制为固定起音因子ADFIX的最小值。因而改善了限制器关于泵浦的属性。在本示例中，将自适应起音因子AFAD与固定起音因子AFFIX进行比较以判定是使用固定控制特性还是自适应控制特性来计算用于增益的“新”值gainstat。如果信号电平L超过阈值电平T的超出值大于给定值s，比较是等价的。如果超出值足够高，使用固定控制特性(AF＝AFFIX)，在小的超出值的情况，使用自适应控制特性(AF＝AFAD)。
在释放模式中，输入信号电平L可以与也被称为“保持阈值电平”H的另一阈值电平进行比较，“保持阈值电平”H通常是低于阈值电平T1dB。如果输入信号电平L高于该保持阈值电平H，实际的静态增益gainstat保持不变，且保持计数器被复位到给定值(例如，大于零的整数值)。
如果输入信号电平L落在保持阈值电平H之下，检查保持计数器的值。如果保持计数器仍没有期满(即，它大于零)，则实际的静态增益gainstat保持不变，且保持计数器递增某一增量(例如1)。如果保持计数器期满(即，它等于零)，则根据下面的公式调节增益， gainstat[k]＝1-((1-gainstat[k-1])·RF+ (1-gainstat[k-1])·(1-RF)·(L/H))(9) 上述等式再次代表自适应增益控制特性，因为它考虑了输入信号电平L。保持阈值H以及例如根据等式(6)计算的常数释放因子RF也被考虑在内。在等式(8)中，保持阈值H可以被(起音)阈值电平T代替。
静态增益gainstat可以被认为是反馈环11的输出。可变增益放大器不直接使用反馈环11中计算的静态增益gainstat，而是使用其“平滑的”版本。静态增益值序列gainstat[k]被馈入到平滑滤波器14，用于从静态增益值中去除失真。
在数字信号处理器中的限制器的数字实施中，反馈环能够以向下采样的采样速度操作，即，例如以比限制器的其他时钟速率慢8倍的时钟速率执行反馈环中的计算。在这种情况下，平滑滤波器能够用作插值滤波器，用于向上采样反馈环11计算的静态增益值。
尽管已经公开了本发明的各种示例性实施例，对本领域技术人员而言，很明显，可以在不偏离本发明的精神和范围的条件下，做出实现本发明的某些优点的各种变化和修改。对于本领域技术人员而言，显而易见，执行相同功能的其他部件可以被适当地替代。而且，使用合适的处理器指令，本发明的方法可以以全部软件的实施方式实现，或者，以利用硬件和软件逻辑的组合的混合实施方式来实现相同的结果。对本发明概念的这种修改旨在被所附权利要求涵盖。
权利要求
1.一种使用受控增益放大输入信号的方法，包括以下步骤
提供输出信号，其代表通过初始增益放大的输入信号；
判定所述输入信号或所述输出信号的信号电平；
将所述信号电平与阈值电平进行比较；
如果所述信号电平低于所述阈值电平，则使用自适应控制特性更新初始增益值；并且
如果所述信号电平高于所述阈值电平，根据所述信号电平，分别使用固定控制特性或自适应控制特性更新初始增益值；
所述自适应控制特性与所述信号电平有关，且所述固定控制特性与所述信号电平无关。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
如果所述信号电平超出所述阈值电平的量大于给定超出值，则根据所述固定控制特性更新所述初始增益值；且其中，
如果信号电平超出阈值电平的量小于所述给定超出值，则根据所述自适应控制特性更新所述初始增益值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中如果所述信号电平高于所述阈值电平，则所述控制特性与起音时间参数有关。
4.根据权利要求1所述的方法，其中如果所述信号电平低于所述阈值电平，则所述控制特性与释放时间参数有关。
5.根据权利要求4所述的方法，包括以下步骤
如果所述信号电平低于所述阈值电平，则判定所述信号电平是否超过另一阈值，以及
如果所述信号电平没有超过所述另一阈值，则复位保持计数器，
所述增益保持不变且所述阈值大于所述另一阈值。
6.根据权利要求5所述的方法，包括以下步骤
如果所述信号电平没有超过所述另一阈值且如果所述保持计数器没有期满，则调整所述保持计数器。
7.根据权利要求6所述的方法，包括以下步骤
如果所述信号电平低于所述另一阈值且如果所述保持计数器已经期满，则设置与所述信号电平有关的释放时间参数。
8.根据权利要求1至7其中之一所述的方法，包括以下步骤作为第一步骤
对音频信号进行带通滤波，以提供输入信号。
9.一种压缩器，包括
受控放大器，所述受控放大器具有接收输入信号的输入端、提供输出信号的输出端以及用于控制所述受控放大器的增益的控制端；
与所述受控放大器的控制端相连的反馈网络，所述反馈网络具有第一操作模式和第二操作模式，用于控制所述受控放大器的增益；
其中，根据所述输入信号或所述输出信号的信号电平，所述反馈网络被调适，以用于在第一操作模式中使用自适应控制特性或固定控制特性且在第二操作模式中使用自适应控制特性来控制增益；
所述自适应控制特性与所述信号电平有关，且所述固定控制特性与所述信号电平无关。
10.根据权利要求9所述的压缩器，还包括接收音频信号并向所述受控放大器提供输入信号的带通滤波器。
11.根据权利要求9所述的压缩器，其中所述控制特性与所述第二操作模式中的释放时间参数有关。
12.根据权利要求11所述的压缩器，其中所述反馈电路被调适以用于设置与所述信号电平有关的释放时间参数。
13.根据权利要求9所述的压缩器，其中所述控制特性与所述第一操作模式中的起音时间参数有关。
14.根据权利要求13所述的压缩器，其中所述反馈电路被调适以用于
判定阈值信号超出所述信号电平的超出值，
如果所述超出值高于某一值，则将所述起音时间参数设置为固定值，以及
如果所述超出值低于某一值，则将所述起音时间参数设置为与所述超出值有关的值。
15.根据权利要求9所述的压缩器，包括连接在所述受控放大器和所述反馈网络之间的平滑滤波器，用于根据所述增益值去除失真。
16.根据权利要求15所述的压缩器，其中所述平滑滤波器起插值滤波器的作用以用于向上采样所述增益值的序列。
全文摘要
本发明涉及具有自适应时间控制的反馈限制器，具体涉及使用受控增益放大输入信号的压缩器和方法，包括以下步骤提供代表由初始增益放大的输入信号的输出信号；判定输入信号或输出信号的信号电平；将信号电平与一阈值电平进行比较；如果信号电平低于阈值电平，则使用自适应控制特性更新初始增益值；并且如果信号电平高于阈值电平，取决于信号电平，分别使用固定控制特性或自适应特性更新初始增益值；自适应控制特性与信号电平有关且固定控制特性与信号电平无关。
文档编号H03G3/20GK101388652SQ200810130619
公开日2009年3月18日 申请日期2008年6月25日 优先权日2007年6月25日
发明者乔治·施皮尔鲍尔 申请人:哈曼贝克自动系统股份有限公司