Kompresor dynamiky analogového signálu

Kompresor dynamiky analogového signálu
Pavel Štemberk
Abstrakt
Semestrální práce pro předmět 31 OTE popisuje 3 vybrané metody komprese analogového signálu. Snahou je využití jednotlivých výhod ve zmíněných třech zapojeních. Využití analogová komprese nalézá v telekomunikaci, audio technice, hudebních
efektů atd.
Obecná konstrukce kompresoru dynamiky
signálu
vstup
vystup
REF.
Základní funkcí kompresoru dynamiky spočívá v úpravě
vstupního signálu. Při úrovních vstupního signálu do
prahové úrovně (threshold - na obrázku 1a značeno jako
REF) kompresor úpravu dynamiky neprovádí. Zvýšení
úrovně o 10 dB na vstupu se projeví zvýšením o 10 dB
na výstupu. Po překročení prahové úrovně začíná kompresor pracovat s tzv. stupněm komprese (compression
ratio). Jedná se o podíl změny dynamické úrovně signálu výstupu oproti vstupu. Znamená to, že pokud je
poměr 1:2, při změně vstupní úrovně o 10 dB se výstupní změní o 5 dB. Pokud je kompresní poměr 1:10
a vyšší, jedná se o speciální případ kompresoru nazývaného limiter. Jeho ůloha lze formulovat jako udržování
konstantní úrovňe výstupního signálu pro daný rozsah
úrovní vstupního signálu. Ideální převodní chrarakteristika úrovní pro limiter je na obr. 1a. Krom kompresního
poměru a prahové úrovně jsou důležitými pojmy časové
vlastnosti doba náběhu a doba doběhu. Jejich volba
záleží na frekvenčním pásmu, pro který kompresor používáme.
OUT
IN
t
OUT
a)
REF.
IN max
IN
b)
τr
τf
t
Obrázek 1. a - převodní charakteristika úrovní kompresoru;
b - vysvětlení pojmů doby náběhu τr (attack time)
a spádu τf (raise time)
Na obr. 2 je vidět základní zapojení kompresoru. Údaj
o úrovni signálu se získá jednoduše jeho usměrněním,
či použitím RMS převodníku [4]. Následný filtr spolu
s blokem analogové paměti zajišťují doby náběhu τr a
doběhu τf . Komparátor spolu s referencí spouští vlastní
kompresi - zapojí zpětnovazební smyčku.
+
−
KOMP.
1
USM.
FILTR
PAM.
Obrázek 2. Blokové schéma ideálního zapojení kompresoru
dynamiky
2
Metoda využívající tranzistor k regulaci
úrovně signálu
Na obrázku 3 je vidět základní princip metody: Zesílený
signál je usměrněn a přiveden na regulační prvek před
zesilovač. Znamená to, že s rostoucí úrovní signálu na
výstupu klesá úroveň na jeho vstupu. Tím vzniká jakási
zpětná vazba, která pak zajišťuje potřebnou kompresi
dynamiky signálu.
Základními nevýhody této metody jsou v systému řízení úrovně signálu a možným nízkým odstupem signálšum. Použití tranzistoru řízeného polem coby řídícího
prvku [1] je v současné době relativně zaostalou metodou. Absence komparátoru a tedy i nulová prahová úroveň nemusí vždy odpovídat ideálnímu chování kompresoru. Maximální zesílení v případě absence signálu může
mít i za následek menší odstup signál-šum na výstupu.
vstup
PREDZES.
DEEMF.
REG. PRV.
vystup
USM.
Obrázek 3. 1. popisovaná metoda komprese - není zde použit komparátor vstupní úrovně, dochází tak k maximálnímu
zesílení v případě absence vstupního signálu - špatný odstup
signál-šum v tichých pasážích
mail: [email protected] (Pavel Štemberk).
1. září 2004
OZ4
OZ3
+
Metoda regulace záporné zpětné vazby pomocí optočlenu
+
−
−
3
R8
Výhodou tohoto zapojení [2] - princip zobrazen na obr. 4
je jednoznačně absence diod v usměrnovací části. Usměrňovač je zde vyřešen přidáním invertujícího zesilovače
OZ2, jehož zpětná vazba vede přes optočlen a následně i
OZ1. Rezistorem R6 nastavujeme prahovou úroveň, hodnotami ”usměrňovače” R1, R2, C1, C2 pak doby náběhu
τr a doběhu τf .
R3
D1
R3
D2
R2
−
−
+
OZ1
vystup
+
OZ2
D3
R4
+
vstup
OZ1
Obrázek 6. Schéma navrženého kompresoru
R5
C1
T1
T2
−
vystup
Princip funkce zesilovače proudu je založeno na násobičkových buňkách (gain cell) v proudovém módu. Uspořádání obvodu je na obr. 9 [5]. Pro vlastní simulaci programem tclspice [6] bylo nutné z tohoto zjednodušeného
schématu navrhnout funkční model pro simulátor. Model funguje s menšími úpravami v relativně uspokojivé
formě použitím základních modelů tranzistorů a diod.
+
OZ2
R2
R1
Obrázek 4. Metoda s regulací ZZV optočlenem
4
Vg
in
1/4 SSM2164
C2
−
R5
R1
vstup
R4
R6
R7
+Ucc
R6
C1
R9
Metoda používající OZ s řízeným ziskem
Asi nejpoužívanější metoda v současné době. Například
princip zapojení [3], který je na obr. 5 používá dvoustupňový zesilovač se zápornou zpětnou vazbou, přičemž
druhý stupeň má proudovou regulaci napěťového zesílení. Rezistorem R6 nastavujeme prahovou úroveň a stupeň komprese. Hodnotami součástek usměrňovače C1,
C2, R4, R5 pak doby náběhu τr a doběhu τf .
Ucc
Ucc
R1
R2
T4
C1
R6
proud. riz.
2st. zes
vstup
T1
vystup
D1
C3
C2
T2
R3
D2
5
T3
R4
D3
R5
Obrázek 5. Metoda používající OZ s řízením zisku
Obrázek 7. Vnitřní struktura obvodu SSM2164 fy Analog
Devices [5]
Vlastní návrh kompresoru
Analogovou operační sítí byl realizován usměrňovač [7].
Skládá se z OZ2 a OZ3. Má-li být zesílení v obou půlvlnách stejné, musí ve schématu 6 platit
Pro řízení zisku byl použit zesilovač proudu s napěťově
řízeným ziskem SSM2164 fy Analog Devices. Schéma na
obr. 6 se relativně shoduje s ideální koncepcí na obr. 2.
Zapojení má proudový vstup a napěťový výstup.
R 3 = R4
2
R3 R7
R7
=2
R2 R6
R5
.
Integrační forma, kterou disponuje OZ3 má za následek
volbu doby náběhu τr a doběhu τf kondenzátorem C1 .
Dioda D1 řeší komparátor potřebný pro existenci nějaké
prahové úrovně. Odsimulované průběhy jsou na obrázku
8, kde je vidět vstupní signál o kmitočtu 1kHz střídající
amplitudu na polovinu a výstup, který se snaží úroveň
signálu dohnat.
Obrovskou nevýhodou je, že se mi nepodařilo model
zkonstruovat tak, aby se neprojevoval vliv stejnosměrné
složky na výstupu řízeného zesilovače.
Literatura
[1] ElectroHarmonics Soul Preacher
http://www1.korksoft.com/ schem/veffects/soulprch.pdf
[2] DOD 280-A
http://www1.korksoft.com/ schem/veffects/dodcomp280a.pdf
[3] VOX model 1903 - 1981
http://www1.korksoft.com/ schem/voxamps/1903comp.pdf
[4] ElectroHarmonics Soul Preacher
http://www.kte.cz/st/a636.html
[5] Analog Devices Low cost quad voltage controlled amplifier
http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/15183786ssm2164.pdf
[6] tclspice
http://tclspice.sourceforge.net/
[7] Neumann, P., Uhlíř, J. Elektronické obvody a funkční bloky 2
ČVUT 2001
3
Obrázek 8. Vstupní, výstupní a řídící (Vg) průběh - zhora
Obrázek 9. Výstupní průběh při stejném buzení, zesílení signálu Vg 10x, 1x, 0.5x - shora
4