动态范围控制（DRC）简介

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#音频 #音量调节 #DRC

于 2021-01-19 10:28:40 首次发布

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动态范围控制（DRC）在音频信号处理中用于压缩和放大信号，常见于助听器和音频设备。DRC包括动态范围压缩器、限幅器和扩展器等，用于匹配音频电平、保护硬件、优化信息和抑制噪声。DRC的实现涉及增益计算、平滑及应用。增益平滑通过攻击时间、释放时间和保持时间控制增益信号的过渡。

参考自：https://blog.youkuaiyun.com/cyz_2014/article/details/84718528

1、DRC功能介绍

Dynamic Range Control（DRC）动态范围控制提供压缩和放大能力，可以使声音听起来更柔和或更大声，即一种信号幅度调节方式。

DRC广泛应用于音频信号处理领域，例如助听器中最常见的宽动态范围压缩方法（Wide Dynamic Range Compression，WDRC）、音频信号处理中最常用的自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）方法等。动态范围控制，顾名思义，是将输入音频信号的动态范围映射到指定的动态范围。通常映射后的动态范围小于映射前的动态范围，因此称之为动态范围压缩。音频信号可以进行整体的动态范围控制；也可以划分为若干子带分别进行动态范围控制。

一般这里提及的都是数字信号处理里面的概念，对应相类似的模拟信号处理的有ALC（比如SSM2167）或者AGC。当然都是增益调整的模块，就笔者感觉而言，DRC（或者DRP）侧重于从数字域上对增益进行有选择、有目的地调整，以保证最大信号有合适的headroom，中间信号得到合适的amplify，小信号或者底噪被cutoff掉。

1.1 动态范围控制可以做的事情

根据环境匹配音频信号电平：也就是杜比volume leveler的作用；
保护ADC使其不会过载：在广播信号发送时，发送器有峰值限制，超过这个峰值会使得发送器过载。动态范围控制可以压缩原始信号的动态，使发送信号的动态范围满足发送器的要求。在音频领域，将数字音频信号送到DAC之前，音频智能功放算法中的DRC可以实现扬声器振幅保护；
优化信息：也就是使音频信号使用到满幅的动态范围；
压制低电平的噪声：DRC的噪声门有一定的降噪效果；

1.2 动态范围控制的类型

动态范围压缩器（Dynamic range compressor）：减弱超过给定阈值的大声信号的音量；可以保护硬件，增加整体响度；
动态范围限幅器（Dynamic range limiter）：是压缩器的一种，可以限制超过给定阈值的信号；
动态范围扩展器（Dynamic range expander）：减弱低于给定阈值的小声信号的音量；可以使得小信号听起来更加小声
噪声门（Noise gate）：是扩展器的一种，可以限制低于给定阈值的信号。

2、DRC功能实现

下面是matlab官网给出的DRC block图：
在这里插入图片描述

将原始信号从线性值转换为dB值： x->x_dB，所有的DRC系统使用的增益信号都是用dB值进行处理。x_dB = 20*log₁₀(x)
增益计算： 通过将dB信号传递到静态特征方程（DRC静态曲线），获取差值g_c=x_sc-x_dB；
增益平滑： g_c->g_s；使用attack time、release time以及hold time作为系数对信号进行平滑。也就是对于台阶信号，增益信号并不是台阶的，使用指数或者对数函数进行平滑过渡。Attack time和release time为对应增益信号从最终值的10%到90%所花费的时间。Hold time是在增益被施加之前的延时周期。为什么会有hold time？因为即使使用很短的attack time，limiter仍然会出现超调量，这可以在增益平滑中使用一个很短的时延来解决，例如300微秒。增益平滑使用的是一阶递归滤波器：g_s(n) = (1 − k) · g_s(n − 1) + k · g_c(n), k=AttackTime,ReleaseTime;
添加make-up gain（对于压缩器和限幅器）： g_s->g_m
dB值到线性值的转换： g_m->g_lin
在原始音频信号中应用计算出来的增益信号： y=g_lin * x

https://cn.mathworks.com/help/audio/examples/multiband-dynamic-range-compression.html
https://cn.mathworks.com/help/audio/ug/dynamic-range-control.html

名词解释：
增益信号：在DRC中要确定对离散信号的每一个样本使用多少增益，也就是给每一个样本值分别乘以一个系数，这个系数就是增益，这个增益序列就是增益信号；增益信号也叫做DRC的控制信号。
RMS：root mean square 均方根。

前面也提到了，DRC的增益调整基本上是三段：对底噪，中等幅度信号，幅度较大的信号的三段不同的处理，比如：

底噪：Cutoff，attenuation
中等幅度信号：Expander
幅度较大，防止削顶的：Limiter

从教科书的用意来讲，它的概念还是很复杂的，下面这幅图详细描述了 Static curve的不同的Gate：
在这里插入图片描述
上图用到的几个阈值做下说明：

LT：Limiter threshold
CT：Compressor threshold
ET：Expander threshold
NT：Noise Gate

稍微复杂的DRC要求拐点部分能平滑过渡。。。所以上面描述的只能称之为 Hard Knee 硬拐点。
在这里插入图片描述

经过上面的描述，一个DRC应该初具规模了。不过，实际上DRC作用时除了幅度变化方面外，还得考虑时间问题呢。

attack和release时间就是专门做这个的，一般来说，作用一个很大的Gain，是需要时间慢慢加上去的，作用一个较小的G（衰减），也是需要慢慢减下去的，这样能保证平稳过度。

Attack / Release：

代表效果器开始作用的起始时间和停止作用的释放时间。关于这两个概念，
在这里插入图片描述
图1

图2

图 1 和图 2 分别显示的是音频被压缩前和被压缩后的图示画面。在图2 中，我们发现，音频并不是一开始就被压缩的，而是有一个明显的弧度。这个弧度所用的时间就是 Attack（起始时间）。同理，在音频结束压缩之后，也不是马上就恢复到原有的音量的，也有一个弧度。这个弧度所用的时间就是 Release（释放时间）。通过这两个时间的设定，我们可以控制效果器作用的缓冲时间，如果没有这段时间，声音就会听上去不自然。在效果器中，Attack 和 Release 这两个选项的单位通常都是毫秒。

增益平滑举例：

Examine a trivial case of dynamic range compression for a two-step input signal. In this example, the compressor has a threshold of -10 dB, a compression ratio of 5, and a hard knee.
在这里插入图片描述