Динамическое управление диапазоном

Динамическое управление диапазоном - это адаптивная регулировка динамического диапазона сигнала. Динамический диапазон сигнала представляет собой логарифмическое отношение максимальной и минимальной амплитуд сигнала, заданное в дБ.

Динамическое управление диапазоном можно использовать для:

Сопоставление уровня звукового сигнала с его средой
Защита преобразователей AD от перегрузки
Оптимизация информации
Подавление низкоуровневого шума

Типы динамического управления диапазоном включают в себя:

Динамический компрессор диапазона - ослабляет громкость громких звуков, которые пересекают заданный порог. Они часто используются в записывающих системах для защиты аппаратных средств и повышения общей громкости.
Ограничитель динамического диапазона - тип компрессора, в котором кирпичные стены звучат выше заданного порога.
Динамический расширитель диапазона - ослабляет громкость тихих звуков ниже заданного порога. Они часто используются, чтобы сделать тихие звуки еще тише.
Noise gate - тип расширителя, в котором кирпичные стены звучат ниже заданного порога.

В этом учебном пособии показано, как реализовать динамические системы управления диапазонами с помощью compressor, expander, limiter, и noiseGate Системные объекты из Audio Toolbox™. В учебном пособии также представлен показанный пример ограничения динамического диапазона на различных стадиях системы ограничения динамического диапазона.

На схеме показана общая система управления динамическим диапазоном.

В системе управления динамическим диапазоном сигнал усиления вычисляется в боковой цепи и затем подается на входной аудиосигнал. Боковая цепь состоит из:

Линейный до дБ $_{conversion:x→xdB}$
Вычисление коэффициента усиления, пропуская сигнал дБ через уравнение статической характеристики, а затем беря разность: $_{gc} =_{} {xsc}_{-}$ xdB
Сглаживание с течением времени: $_{}_{gc→gs}$
Добавление коэффициента подпитки (только для компрессоров и ограничителей): $_{}_{gs→gm}$
дБ к линейному преобразованию: $_{}_{gm→glin}$
Применение вычисленного сигнала усиления к исходному звуковому сигналу: $y =_{} glin$ × x

Линейное преобразование в дБ

Сигнал усиления, используемый при управлении динамическим диапазоном, обрабатывается по шкале дБ для всех контроллеров динамического диапазона. Отсутствует ссылка на выход dB; это прямое преобразование: $_{xdB} =_{} 20log10$ (x). Возможно, потребуется настроить выходные данные системы динамического управления диапазоном в соответствии с диапазоном системы.

Компьютер Gain

Компьютер усиления обеспечивает первую грубую оценку сигнала усиления для динамического управления диапазоном. Основным компонентом компьютера усиления является статическая характеристика. Каждый тип динамического управления диапазоном имеет различную статическую характеристику с различными настраиваемыми свойствами:

Threshold - Все статические характеристики имеют порог. На одной стороне порога вход подается на выход без изменений. На другой стороне порога применяется сжатие, расширение, ограничение кирпичной стены или стробирование кирпичной стены.
Ratio - Расширители и компрессоры позволяют регулировать отношение «вход-выход» статической характеристики выше или ниже заданного порога.
KneeWidth - Расширители, компрессоры и ограничители позволяют регулировать ширину колена статической характеристики. Колено статической характеристики центрировано на пороге. Увеличение ширины колена создает более плавный переход вокруг порога. Нулевая ширина колена не обеспечивает сглаживания и известна как жесткое колено. Ширина колена больше нуля известна как мягкое колено.

На этих графиках статических характеристик каждый расширитель, ограничитель и компрессор имеет ширину колена 10 дБ.

Сглаживание усиления

Все динамические контроллеры диапазона обеспечивают сглаживание коэффициента усиления с течением времени. Сглаживание усиления уменьшает резкие скачки в приложенном усилении, что может привести к артефактам и неестественному звуку. Сглаживание усиления можно концептуализировать как добавление импеданса к сигналу усиления.

expander и noiseGate объекты имеют одно и то же уравнение сглаживания, поскольку шумовой затвор является типом расширителя. limiter и compressor объекты имеют одно и то же уравнение сглаживания, поскольку ограничитель является типом компрессора.

Тип сглаживания усиления определяется комбинацией времени атаки, времени освобождения и коэффициентов времени удержания. Время атаки и время сброса соответствуют времени, которое требуется сигналу усиления, чтобы пройти от 10% до 90% от его конечного значения. Время удержания - это период задержки до применения коэффициента усиления. Для получения более подробной информации см. алгоритмы отдельных страниц контроллера динамического диапазона.

Сглаживание уравнений

expander и noiseGate

$_{gs} [n] = {\begin{matrix} _{}_{} αAgs[n-1] +_{} {(1−αA)}_{} GC \\ _{[n]} gs \\ {[n−1]}_{}_{} αRgs[n-1] +_{}_{} (1-αR) GC \\ _{} [n] gs \end{matrix} \begin{matrix} [n−1]_{, если} (CA > k) &_{(} GC {[n]}_{} ≤gs \\ [n−1]), если_{} \\ CA≤kif (_{} CR > k) & ({GC}_{} [n] > {gs}_{} [n−1]) \\ , если_{CR≤k} \end{matrix}$

_αА и αR определяют по частоте выборки и заданному _{времени атаки} и выброса:

$_{αA} = \frac{exp (−}{\log (9_{)}} Fs_{\times} TA), \frac{αR =}{\exp (_{-}}$ log (9) Fs × TR)
k - указанное время хранения в выборках.
_CA и _CR являются счетчиками удержания для атаки и освобождения соответственно.

compressor и limiter

$_{gs} [n] \begin{matrix} =_{} {_{} αAgs [n − 1_{]} +_{} (1 − αA)_{} gc [n_{],} если \\ _{}_{}_{}_{} gc[n]≤gs[n−1]αRgs[n−1]+ (1_{-} αR)_{} gc [n], \end{matrix}$ если gc [n] > gs [n − 1]

_αА и αR определяют по частоте выборки и заданному _{времени атаки} и выброса:

$_{αA} = \frac{exp (−}{\log (9_{)}} Fs_{\times} TA), \frac{αR =}{\exp (_{-}}$ log (9) Fs × TR)

Пример сглаживания усиления

Проверьте тривиальный случай динамического сжатия диапазона на наличие двухшагового входного сигнала. В этом примере компрессор имеет порог -10 дБ, степень сжатия 5 и жесткое колено.

Показаны несколько вариантов сглаживания усиления. Сверху показана сглаженная кривая усиления для различных значений времени атаки, при этом время высвобождения установлено равным нулю секунд. В середине время выпуска изменяется, а время атаки поддерживается постоянным на нуле секунд. Внизу и время атаки, и время выпуска задаются ненулевыми значениями.

Прирост подпитки

Усиление подпитки применяется для компрессоров и ограничителей, где более высокие дБ частей сигнала ослаблены или каменные стены. Уменьшение дБ может значительно снизить общую мощность сигнала. В этих случаях усиление подпитки применяется после сглаживания усиления для увеличения мощности сигнала. На панели инструментов Audio Toolbox можно задать установленную величину усиления подпитки или указать режим усиления подпитки как 'auto'.

'auto' усиление подпитки гарантирует, что входной сигнал 0 дБ приводит к выходному сигналу 0 дБ. Например, предположим статическую характеристику компрессора с мягким коленом:

$_{xsc} (_{} xdB) \begin{matrix} =_{{} & _{} xdBxdB \frac{<}{} ( \\ T_{-} \frac{\frac{W2}{)} {xdB_{+} (1R \frac{}{−}}^{1}}{)} & (\frac{xdB}{} - T_{+} W2) \frac{}{} \\ 22W \frac{(T_{-} W2}{)} & _{} ≤xdB≤ \frac{(}{T} \end{matrix}$ + W2) T + (xdB − T) RxdB > (T + W2)

T - порог, W - ширина колена, R - степень сжатия. Вычисленный автоматический коэффициент усиления является отрицательным для уравнения статической характеристики, вычисленного при 0 дБ:

$УСИЛЕНИЕ ПОДПИТКИ = −_{xsc} (0) \begin{matrix} = & \frac{}{{} \\ 0W2 \frac{\frac{<}{} T - {(\frac{1R}{} -}^{}}{1)} & (\frac{T}{} - \frac{W2}{)} \\ \frac{22W}{} & \frac{}{} \end{matrix}$ −W2≤T≤W2−T+TR−W2>T

Преобразование дБ в линейное

Как только сигнал усиления определяется в дБ, он передается в линейную область: $_{glin} =^{\frac{_{}}{}}$ 10gm20.

Применить вычисленный коэффициент усиления

Последним шагом в системе динамического управления является применение вычисленного коэффициента усиления путем умножения в линейной области.