CN102629853B - 避免信号电平过载的音频混频控制台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种音频混频控制台，包括接收模拟音频输入信号的第一放大器(11)，其被配置成以第一可调节增益放大所接收的音频输入信号(10)。接收所放大的模拟音频输入信号的模拟‑数字转换器(13)被配置成通过对该模拟音频信号进行模拟‑数字转换来生成数字音频信号，接收该数字音频信号的第二放大器(14)被配置成以第二可调节增益放大所接收的数字音频信号。还提供了一种增益范围控制单元(20)，其被配置成在模拟‑数字转换器处识别信号电平过载，并被配置成分别控制第一和第二放大器的增益，其中，当增益范围控制单元(20)识别出发生信号电平过载时，将第一放大器处的第一增益减少第一量，并且将第二放大器处的第二增益增加该第一量。
Description
技术领域
本发明涉及音频混频控制台，并涉及用于操作音频混频控制台的方法。
背景技术
将音频输入，尤其是模拟输入，过度载入音频混频控制台，将导致过载和削波(clipping)，及其伴随的不期望的副作用。当放大器在尝试传送超过其最大容量的输出信号时发生削波，一种能够避免音频混频控制台的模拟输入级过载，而不影响总体系统增益的方法和音频系统，将在现实中使消费者受益。使用模拟技术设计出解决这种问题的方案将是很困难的(如果不是不可能的)。检测过载将很难测量出，并且用户的需求将是不可改变的，而且使用完全固定的系统限制了最大内部操作电平(大致为21dBu，dBu指示出参考量为0.775瓦特均方根)和最小噪声层(大致为86dBu)。可从输入放大器中减少，用以恢复所需的总体系统增益而重新设置任意增益的范围很小。由于自动产生任何改变而不产生巨额花费通常是很困难的(如果不是不可能的)，因此在模拟领域中出现了进一步的问题。
发明内容
总之，存在提供使输入到音频混频控制台的音频输入信号的过载情况最小化可能性，同时保持总体系统增益和峰值系统电平的需求。
这种需求通过独立权利要求的特征来满足。在从属权利要求中描述了本发明优选的实施例。
依据第一方面，提供了一种音频混频控制台，其包括第一放大器和第二放大器，该第一放大器接收模拟音频输入信号，该第一放大器被配置成以第一可调节增益放大所接收的音频输入信号。进一步地，模拟-数字转换器被设置成接收经放大的模拟音频输入信号，该模拟-数字转换器被配置成通过对经放大的模拟音频信号进行模拟-数字转换以生成数字音频信号。而且，第二放大器被设置成接收数字音频信号，该第二放大器被配置成以第二可调节增益放大所接收的数字音频信号。该混频控制台进一步包括增益范围控制单元，该增益范围控制单元被配置成识别在模拟-数字转换器处的信号电平过载，并且被配置成分别控制所述第一和第二放大器的增益。当增益范围控制单元识别出发生信号电平过载时，将第一放大器的第一增益减少第一量，并且将第二放大器的第二增益增加该第一量，以便允许保持第一和第二放大器的总体增益。以上描述的混频控制台使得系统增益和峰值信号电平能够被保持，以便使由对输入源进行合并造成的对任意混频电平或者平衡的影响最小化。而且，使用控制台，可以保证几乎完全无失真的环境，并且可有助于减少在高失真环境下可能发生的对扬声器组件的损害。由于在数字领域有可能以简单的定义和测量步骤对参数进行自动控制，当模拟音频输入信号被转换成数字信号时，所提供的数字信号给出了解决问题的机会，正如在介绍部分所提到的那样。信号电平过载的发生可以在AD(模拟-数字)转换器处确定。
在一个实施例中，在识别出发生信号电平过载后，直接减少第一放大器处的第一增益。然后，增益控制单元进一步检测在模拟-数字转换器处是否仍然存在信号过载。如果仍存在这种情况，则将第一放大器处的第一增益减少第一量，并且将第二放大器处的第二增益增加第一量，直到不再检测出信号电平过载为止。
在另一个实施例中，增益范围控制单元被配置成估计信号电平过载的量，其中，当检测到信号电平过载时，增益范围控制单元估计信号电平过载的量，并且，根据所估计的信号电平过载，将第一放大器处的第一增益减少第一量，并将第二放大器处的第二增益增加相同的量。
在一个实施例中，可将增益范围控制单元配置成，通过确定数字音频信号的信号电平是否高于预先定义的第一阈值，并且通过确定预先定义的第一阈值的连续音频信号样本的个数是否高于预先定义的第二阈值，来识别信号电平过载，其中，当具有在第一阈值以上的信号电平的连续样本的个数高于第二阈值时，所述增益范围控制单元可识别为发生了信号电平过载情形。该第一阈值和第二阈值，即，最大信号电平和超过该最大信号电平的信号样本的个数，可由使用者确定。因此，混频控制台给予了使用者在所指定和限定的范围内设定他/她自己对过载的定义的可能性。该使用者可依据他/她的需求确定在AD转换器处或在AD转换器中的信号是正处于过载，还是有过载的风险。对过载的定义可通过绝对事件(诸如，“两个或更多个在第一阈值以上或在满刻度偏转(full-scale deflection)以上的连续样本”，或者“两个或更多个比所定义的过载阈值振幅更大的样本”)来定义。用户可进一步定义参数，诸如，“在增益范围控制单元做出反应将第一增益减少并将第二增益增加相同的量之前，在所给定的时间段中可能发生多少个连续过载样本”。确定信号电平过载情形可有助于在诸如使麦克风变弱(dropped)的事件中防止极少的样本触发增益范围控制单元减少第一增益。模拟音频输入信号可以是来自麦克风的信号。尤其是在无线麦克风中，初始输入增益通常在发射机装置上被设置，而在此处并无用于混频控制台操作者在音频电平导致无线系统过载的情况下减少增益的机制，本发明可有助于避免这些情形的发生。
一种确定信号电平过载的可能性是增益范围控制单元使用预先定义个数的最后检测出的信号样本的信号电平演变(evolution)来内插(interpolate)数字音频信号的信号电平演变。然后，该增益范围控制单元可确定数字音频信号高出预先定义的第一阈值的量。然后，该增益范围控制单元可将第一增益降低所确定的量，并且可将第二增益提高该所确定的量，以便避免在AD转换器处的信号电平高于预先定义的第一阈值。然而，在另一个实施例中，还可以是，增益范围控制单元基于预先定义个数的最后检测出的信号样本，推断出信号电平演变。在这种情形下，可在将来的过载实际发生之前就将其检测出来。为了确定信号将要高出预先定义的第一阈值的量，增益范围控制单元可被配置成，考虑预先定义个数的最后信号样本中信号电平的上升时间，和/或考虑预先定义的阈值以上的信号样本的个数，来内插信号电平演变。
在一个实施例中，可行的是，增益范围控制单元以这样的方式确定增益减少的第一量，使得在模拟-数字转换器处数字音频信号的信号电平低于预先定义的峰值信号电平。这种预先定义的峰值信号电平可以是在将要发生削波处的信号电平，或者任意其它的信号电平。
第二放大器可以是在该控制台中所包括的数字信号处理器的一部分。此外，AD转换器和第二放大器可被布置成使得该AD转换器的输出被直接输入该第二放大器而在其间没有进一步的处理步骤。
本发明还涉及用于操作音频混频控制台的方法，该方法包括通过第一放大器以第一可调节增益放大模拟音频输入信号的步骤。然后，经放大的模拟音频输入信号通过模拟-数字转换器被转换成数字音频信号，在模拟-数字转换之后，该数字音频信号直接通过第二放大器被放大。而且，在模拟-数字转换器处，识别信号电平过载，并且当已经识别出信号电平过载时，估计信号电平过载的量。估计出信号电平过载的量，并且基于所估计出的信号电平过载，将第一放大器处的第一增益减少第一量，并将第二放大器处的第二增益增加相同的量。这种方法有助于保持总体系统增益，并有助于保持原始信号的动态性。
附图说明
下面将参考附图更加详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了在数字混频控制台中音频信号的信号演变，其中信号电平和增益保持在任意的过载或削波阈值以下；
图2示出了当信号电平和增益将导致过载状况时，音频信号的信号演变；
图3示出了依据本发明的示意性混频控制台，其中增益范围被自动控制；
图4示出了指示控制或避免信号电平过载的步骤的流程图；
图5示意性地示出了如何确定在模拟-数字转换器处的过载；以及
图6示出了指示用于控制信号电平过载的另一个实施例的流程图。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出了音频混频控制台。在这些附图所示出的实施例中，仅描述了对于理解本发明所必须的音频混频控制台的组件，为了清楚的目的省略了其它组件。音频输入信号10(例如，麦克风信号)经由音频混频控制台(未示出)的输入被馈给具有可调节增益的第一放大器11。在该实施例中所示出的音频输入信号为-30dB的信号。使用40dB的增益，获得了+10dB的音频输出信号12，其被馈给模拟-数字转换器13。然后，数字音频信号被发射到第二放大器14，在此处进行第二放大，例如，被放大5dB，得出具有5dB的数字音频信号15。
结合图2，更详细地解释了过载状况。在所示出的示例中，具有-15dB的音频输入信号10被馈给第一可调节放大器11，在此处获得40dB的增益。该模拟-数字转换器13可具有+20dB的最大输入电平。在以40dB增益通过第一放大器11之后，信号试图达到+25dB。但是由于AD转换器只能处理+20dB的信号，因此获得了经削波的音频信号12’。在通过第二放大器之后，将获得失真的音频信号15’。
在图3中，示出了一种音频混频控制台，使用该音频混频控制台可以避免以上结合图2所讨论的过载状况。该音频混频控制台是具有用于处理音频信号的数字信号处理器DSP(未示出)的数字混频控制台。在这样的数字混频控制台中，诸如输入信号10的多个音频输入信号可被混合或者合并成单个输出。而且，这些输入信号可通过控制台被路径选择成经由不同的处理路径到达该控制台的多个输出点。这意味着不同的输出信号被路径选择到不同的输出点，并且不同的路径被用于通向该控制台不同的输出点的不同输入信号。
具有-15dB信号的音频输入信号10被输入到第一放大器11中，在此处信号将以+40dB的增益被放大，得出25dB的经放大的信号12。然而，由于AD转换器13的最大输入电平为20dB，因此将发生削波。这种过载状况被AD转换器处的检测过载状况的增益范围控制单元20检测出。在图3中示出的系统的用户可定义用来确定在转换器13处何时发生过载的规则。用户可设定作为第一阈值的峰值信号电平。然后，用户可设定具有高于第一阈值的信号电平的样本个数，该样本个数为第二阈值。基于这两个参数，过载状况可被增益范围控制单元检测出来。例如，如果检测出两个或更多个连续的样本处于满刻度偏转，可能存在过载状况。在AD转换器中，当音频信号达到了最大可表示值时，出现满刻度偏转。如果控制单元目前在AD转换器处已经检测出过载状况，则控制单元可通过指示该第一放大器减少增益来控制第一放大器，以便避免过载状况。在所示出的示例中，控制单元20可将+40dB减少到设定为+35dB的模拟增益，得出20dB的音频信号12。然后该信号可通过AD转换器13被正确地处理。同时，控制单元20可指示第二放大器14将放大增加相同的量，这里是5dB。代替原打算设定的+5dB，放大值为10dB，则在输出处得出30dB的数字信号15。
在所示出的实施例中，对放大器11的输入增益控制是自动发生的，但是，以上所讨论的原理也可被用在具有手动可调节增益控制的系统上，其中控制单元20被用于告知操作者所推荐的行动。
尽管AD转换器和第一放大器并非控制台的DSP的一部分，第二放大器14仍可被包括在该控制台的DSP中。优选地，在AD转换器13之后，在该DSP中立即进行通过第二放大器的补偿。这意味着在AD转换器13和第二放大器14之间不进行其它的信号处理。在图3中示出的单个输入信号10可被路径选择到控制台的多个不同的输出点。而且，可以将多个输入信号10混频，并且馈给控制台的单个输出点。
用于通过控制单元20确定信号电平过载的方法可以基于如将结合图5更详细地描述的内插法(interpolation)。在图5中，音频信号30被示出为，对于该音频信号，在模拟-数字转换器处将出现过载状况。基于在30a部分和30b部分的上升时间，并且基于在30c部分中处于满刻度偏转的信号样本的数量，控制单元可确定音频信号的最大电平，如虚线所指示的。信号电平过载的量31可被估计出，并且可将第一放大器的放大值减少所确定出的信号电平过载量。同时，可将第二放大器的增益增加相同的量。在图5所示出的实施例中，控制单元可使用信号电平过载量的估计结果来采取前置性行动(proactive action)。在该实施例中，仅30a部分的信号演变可被用于推断信号演变。在这种状况下，系统在实际出现过载之前作出反应。在另一个实施例中，图5所示出的过载状况可能已经发生，并且基于信号电平过载的30a部分和30b部分的估计结果可被用于采取反应性的行动。
在图4中，总结了依据第一实施例在音频混频控制台中控制信号电平的步骤。该方法在步骤41开始，并且在步骤42中音频输入信号在第一放大器11处被放大。在步骤43中，在AD转换器13处进行模拟-数字转换。在下一步骤44中，增益范围控制单元44确定信号电平过载状况是否能够被识别出。可检测出这样的信号电平过载状况的方法在以上结合图5进行了讨论。如果已经检测出了信号电平过载，则在步骤45中估计信号电平过载的量。在下一步骤46中，在第一放大器处对音频输入信号的放大以避免过载的方式被减少，并且同时在步骤47中将在第二放大器14处对数字音频信号的放大增加相同的量。如果在步骤44中没有检测出信号过载状况，则无需对这两个放大级进行控制，并且可提供信号以用于进一步的处理，而无任何附加步骤。该方法在步骤48结束。
在图4的实施例中，在系统(即，增益范围控制单元)做出反应之前估计信号电平过载的量。在另一个实施例中，没有对信号电平过载的估计，并且系统，增益范围控制单元，将在第一放大器处的增益简单地减少第一量，并将在第二放大器处的增益增加第二量。如果过载持续，则重复相同的处理，直到不再检测出过载状况为止。
在图6中更详细地揭示了该实施例。该方法在步骤60开始。在步骤61中，音频输入信号被放大，且在步骤62中，发生模拟-数字转换。这两个步骤对应于图4中的步骤42和43。而且，在步骤63中，检验了在模拟-数字转换器处是否存在过载状况。如果检测出过载状况，与图4中相同但是不检测过载的量，而是将音频输入信号的放大直接减少第一量，并且将数字音频信号放大增加第二量(步骤65)。然后，在下一步骤66中，检验过载状况是否仍然存在。如果是，则重复步骤64和65，直到在步骤66处不再检测出过载状况为止。该方法在步骤67结束。
以上所描述的调节过程可被用于使用用户可调节参数来设定增益调节的灵敏度和攻击度(aggression)以适应本地条件、环境或要求。本发明可在不同的音频信号处理系统中被采用，并且可有助于减少在较高失真的环境下可能出现的对扬声器组件的损害。而且，在无需压缩或改变所期望的总体系统增益的情况下可以有最大的增益。在第一放大器处的增益被减少所定义的dB数，同时在第二放大器处将配平(trim)增加相应的dB数。
Claims (15)
1.一种音频混频控制台，包括：
第一放大器(11)，其接收模拟音频输入信号，所述第一放大器被配置成以第一可调节增益放大所接收的音频输入信号(10)；
模拟-数字转换器(13)，其接收经放大的模拟音频输入信号，所述模拟-数字转换器被配置成通过对所述模拟音频信号进行模拟-数字转换来生成数字音频信号；
第二放大器(14)，其接收所述数字音频信号，所述第二放大器被配置成以第二可调节增益放大所接收的数字音频信号；
增益范围控制单元(20)，其被配置成识别在所述模拟-数字转换器(13)处的信号电平过载，并且被配置成分别控制所述第一放大器的所述第一可调节增益和所述第二放大器的所述第二可调节增益，
其特征在于，当所述增益范围控制单元(20)识别出发生信号电平过载时，将所述第一放大器处的所述第一可调节增益减少第一量，并且将在所述第二放大器处的所述第二可调节增益增加所述第一量，以便允许保持所述第一和第二可调节增益的总体增益，
其中，所述增益范围控制单元(20)被配置成，为了确定所述信号电平负载，使用对预先定义个数的最后检测出的信号样本的信号演变，内插所述数字音频信号的信号电平演变，并且确定所述数字音频信号将高于所述预先定义的第一阈值的量，所述增益范围控制单元被配置成将所述第一可调节增益减少所确定的量，并且将所述第二可调节增益增加所述所确定的量。
2.如权利要求1所述的音频混频控制台，其中，所述增益范围控制单元(20)被配置成估计信号电平过载的量，其中，当检测出信号电平过载时，所述增益范围控制单元(20)估计所述信号电平过载的量，并且根据所估计出的信号电平过载，将在所述第一放大器处的所述第一可调节增益减少所述第一量。
3.如权利要求1或2所述的音频混频控制台，其中所述增益范围控制单元(20)被配置成，通过确定所述数字音频信号的信号电平是否高于预先定以的第一阈值，并且通过确定在所述预先定义的第一阈值以上的连续音频信号样本的个数是否高于预先定义的第二阈值，来识别所述信号电平过载，其中，当具有在所述第一阈值以上的信号电平的连续样本的个数高于所述第二阈值时，所述增益范围控制单元(20)识别为出现了所述信号电平过载。
4.如权利要求1所述的音频混频控制台，其中，所述增益范围控制单元(20)被配置成，考虑在所述预先定义个数的最后检测出的信号样本和/或在所述预先定义的第一阈值以上的多个信号样本中的信号的上升时间，内插所述信号电平演变。
5.如权利要求1所述的音频混频控制台，其中所述增益范围控制单元(20)确定增益减少的所述第一量，使得所述模拟-数字转换器处的所述数字音频信号的信号电平低于预先定义的峰值信号电平。
6.如权利要求1所述的音频混频控制台，进一步包括数字信号处理器，其中，所述第二放大器包括在所述数字信号处理器中。
7.如权利要求1所述的音频混频控制台，其中，所述模拟-数字转换器和所述第二放大器被布置成，使得从所述模拟-数字转换器输出的所述音频信号被直接输入到所述第二放大器。
8.如权利要求1所述的音频混频控制台，其中，所述音频输入信号被路径选择到所述音频混频控制台的多个输出点。
9.如权利要求1所述的音频混频控制台，其中，多个音频输入信号被路径选择到所述音频混频控制台的单个输出点。
10.一种用于操作音频混频控制台的方法，该方法包括以下步骤：
通过第一放大器(11)以第一可调节增益放大模拟音频输入信号；
通过模拟-数字转换器(13)将经放大的模拟音频输入信号转换成数字音频信号，所述数字音频信号被直接馈给第二放大器(14)，其中所述数字音频信号以第二可调节增益被放大；
识别在所述模拟-数字转换器处的信号电平过载，其中，当识别出所述信号电平过载时，将所述第一放大器处的所述第一可调节增益减少第一量，并且将所述第二放大器处的第二可调节增益增加所述第一量，以便使得所述第一和第二可调节增益的总体增益能够被保持；
其中，通过使用预先定义个最后检测出的信号样本的信号演变，内插所述数字音频信号的信号电平演变，并且通过确定所述数字音频信号将高出所述预先定义的第一阈值的量，识别所述信号电平过载，其中，将所述第一可调节增益减少所确定的量，并且将所述第二可调节增益增加所确定的量。
11.如权利要求10所述的方法，其中，估计信号电平过载的量，并且根据所估计出的信号电平过载，将所述第一放大器处的所述第一可调节增益减少所述第一量。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中，通过确定所述数字音频信号的所述信号电平是否高于预先定义的第一阈值，以及通过确定在所述预先定义的第一阈值以上的连续音频信号样本的个数是否高于预先定义的第二阈值，识别所述信号电平过载，其中，当具有在所述第一阈值以上的信号电平的连续样本个数高于所述第二阈值时，检测出所述信号电平过载。
13.如权利要求10所述的方法，其中，考虑预先定义个数的最后检测出的信号样本和/或在所述预先定义的第一阈值以上的多个信号样本中所述信号的上升时间，内插所述信号电平演变。
14.如权利要求10所述的方法，其中，确定所述增益减少的第一量，使得所述模拟-数字转换器处的所述数字音频信号的所述信号电平低于预先定义的峰值信号电平。
15.如权利要求10所述的方法，其中，当在所述第一放大器处的所述增益已经被减少所述第一量时，检测所述模拟-数字转换器处是否仍然存在所述信号电平过载，其中，在肯定的情况下，将在所述第一放大器处的所述第一可调节增益减少所述第一量，并且将在所述第二放大器处的所述第二可调节增益增加所述第一量，直到不再检测出所述信号电平过载为止。
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