浅析使用AGC技术设备的测量

sutras

$ s) [7 T+ @$ ^3 v% ~4 Y浅析使用AGC技术设备的测量


对具有内置自动增益控制（AGC）功能的音频设备测量和检测时需要特别注意，《ProAVLAsia-亚洲专业视听》对话Adam Liberman向我们解释了其中缘由。
) U: @8 ~; @1 J, S6 Q: w

6 W: V0 Q( \' Y: M
6 g: L% T) ]5 @- L, {
作者简介：
' q- j2 i+ d7 f. U6 H
; U2 \- d: ?$ D( c# N( Q7 p

) B1 Y  B6 `( o7 S
4 s$ A1 R* x/ A  x
Adam Liberman毕业于华盛顿大学，获得戏剧及电影制作学士学位。他创立Liberman Sound公司，并为业内著名公司包括Schoeps、Sennheiser、TASCAM、Fostex、Sony、Panasonic等提供过服务。他也曾任职于PC World杂志以及权威音频分析仪制造商Audio Precision。
& \5 C. N: _+ y" r9 O. H


大多数音频设备的监测都是借助于已知频率和幅度的测试信号来进行的，观察通过被测设备后测试信号在频谱及幅度上的改变来达到测试的目的。通常，设备的增益是恒定的，并不会随着测试信号的电平和持续时间而改变。但如果面对的是一部增益不恒定的设备，我们要如何测试呢？



/ ]* ?# }% v8 V" {& d% T$ R
; i1 g$ h' A, [( s5 W图一：音频分析仪声场的源信号
  u/ k2 ?6 O5 `) a6 K

) x1 B" o% a6 Q, l" n& z* l
这是我们测试任何具有AGC功能的设备时都要面对的核心问题，这些设备包括功放、录音机、信号处理器、编解码器、扩声系统、音频工作站以及听力辅助设备等。AGC的典型用途是在多变的应用环境下限制音频信号的动态范围，在电路层面防止削波产生的过载，在广播传输层面防止过调，在音乐制作领域来平衡不同音轨直接的电平或是增加总体感知的音量，在录音机应用中减少手动调节音量的麻烦，在扩声中用来在嘈杂的环境中确保最大的语言清晰度等。AGC也会用于扩展动态范围，常用来增加声音的震撼效果或是移除背景噪声。




图二：通过压缩器后所得到的分析信号


; b, \( x# L6 x
1 r8 r0 k1 z4 \8 J1 ^' X* w  t依照具体的应用场景、设备和特定的制造设备行业约定俗称的叫法，AGC还有许多别名。比较常见的有压缩器、限幅器、ALC（自动电平控制）、AVC（自动音量控制）、电平调整器、扩展器或噪声门等。



7 q" x- {1 x& l0 N( y+ W2 NAGC技术的出现意味着我们必须增加额外的测量方法来对AGC的表现及其对信号的影响作出评价。本文的主题正是说明如何进行此类测试。



* B5 J. H. ]' s) {/ `音频分析仪必须能生成一个阶跃函数来定义信号持续时间、电平以及电平的瞬时变化并其稳定、不能携带其他人工痕迹。在分析建立时间和和释放时间时，必须能够在很短的时间增量下测量电平的有效值。同时，电平也可以通过采集录制的波形文件进行测量。在压缩状态下测量频率响应时，设备必须具备多音调分析功能。



操作及用户参数

- U% |/ I- u' e  m- M) vAGC的效果可以通过使用阶跃函数并创建电平——时间的图表被清楚的测量和表示出来。

; M; Y" Y6 T* \" c  B/ W. S. D
; C; j  z  u2 c5 P3 y# z: Y0 q
图一为音频分析仪声场的源信号，图二位源信号通过压缩器后所得到的分析信号。



所有AGC设备源于同样的基本拓扑结构，如图三所示。音频首先通过输入放大器，紧接着通过一个可变增益放大器（VGA），之后去往输出放大器。输入功放同时将音频发送至侧链、一个可选滤波器（通常是高通滤波器）及一个控制VGA增益的电平监测/ 控制电路。还有一些更精致产品在基本设计基础上，加入独立侧链输入、附加滤波器、可编程控制和多重门限等特性。一些老式模拟压限器使用反馈电路代替前馈控制设计，在侧链输入之前进行处理，与VGA在侧链输入之后处理是不同的。


; k6 }8 N6 R1 A. I( R2 d
$ r. L5 T7 V/ M# d& p& U
图三：压限原理图示
& I, C  \9 Y  w& W$ G/ K


动态及稳定性能
; i* @- X7 z: `9 y/ S' N
6 |7 S- [0 y; xAGC设置或性能可以分成两个类别：与时间相关的动态性能以及与时间无关的稳定性能。任何AGC都具备这些特性，虽然不是所有设备都能对相关参数进行调整。动态性能中的建立时间和是否时间是这样定义的：



2 D& ^7 {, j* o- ^+ s; \: S建立时间：从信号电平开始增加到输出电平接近于最终输出电平之间所经历的时间间隔。
; x  A% l! T# J2 X) A
9 |) @: j5 x# p


9 X; F& o% ^& t. }. W% ?图四：建立时计算的时间节点


. ?4 F# s! |( a- n
释放（恢复）时间：从信号电平开始减小到输出电平接近于最终输出电平之间所经历的时间间隔。上述定义中“接近于”的范围在应用中为2-4dB。图四和图五为图二中信号RMS（均方根）包络的放大图，显示出计算的时间节点。测试AGC的动态表现，我们要在输入端使用一个阶跃函数信号，高电平会让压缩器起作用，低电平则不能。
# X$ }+ u, w( i* ^7 g

" O: l# `0 Q( a0 w
$ D  v5 ~5 K6 x$ J9 T
' Y2 M2 Z) ]) g7 a5 l图五：释放时计算的时间节点

, {$ t' B' q* `5 Z

门限、压缩比和拐点的稳定性能定义如下：门限——AGC开始对增益起作用时的电平。定义中“开始”起作用的范围在应用中为1或2dB。压缩比是指输入信号电平增量与输出信号电平增量的比值，以分贝来表示。拐点是指输入——输出函数由线性变为压缩之间曲线的区域“。硬拐点”表示压缩处理的过渡是剧烈的，“软拐点”表示压缩处理的过渡是渐变的。

. r9 p3 o8 ~  i5 K2 y2 E0 t, S

: T- X% F, T: G3 B3 l0 b/ j0 z
图六：信号被压缩1dB的对应点
2 ~! @( m  a: i1 i3 h


有些设备在拐点区域的压缩比是恒定的，有些则不是。这个参数并不能代表设备的品质高低，但在有些应用场合我们需要知道设备该方面的性能，因为很难用单一的图样比来说明整个压缩比的特性。


2 m; f9 D; X' z. m
我们可以在不同频段下测量设备动态和稳定的AGC性能，从而得出AGC性能是否与频率相关。
4 }$ T* ~' s: w) u, I5 R


标准
/ ]- k' R& R. v  E
9 g  n% c  }5 M* Z. p" t  F. b8 IAGC设备的国际标准中并不包括动态范围扩展，但是我们可以利用类似的结果对此类设备进行测试。
: \9 w0 V* A' M+ u
& j. A- B( ~6 @
3 Q: @, @! F6 W) r4 a" v
  h+ A- [; i- x$ C! S% [: e
图七：发生器电平与输出电平的门限值
8 H, v3 t% K9 T
& v$ A- `  M  O% i! E* A
5 W" ~* c/ r  [2 G
& y5 M3 M* @5 G0 w% \6 v3 P所有的标准均使用与图一中相似的“低-高-低”阶跃函数（进行测试）。IEC 60268-8:1973版中包含了通用型AGC设备的测试标准。适用于相当广泛的设备，并允许用户在选择测试设置时有充分的自由。需要注意的是，许多设备并没有指明对其建立时间和释放时间参数的测试标准和测试条件，因此测试者的测量结果可能与其公布的参数有所偏差。

0 W( }  b3 W: L! V* }

5 _8 L. q% I0 V2 W  M: i7 v. g在使用每一个标准对AGC进行测试时都需要继续特殊的设置。对于听力辅助设备来说，标准中也需要指明设备放置的位置以及参考值如何设置等细节。在测试前需要仔细阅读并遵循标准的指引。

6 ?& T  S! v- M9 W8 }

/ q, J& H- Z) @, n- x; T& y标准的参数：频率（必须测试的频率和/或可选测试的频率）；阶跃尺度（测试信号高低电平之间的差值）以及输入电平（高电平与低电平——只测试听力辅助设备使用）。以dB SPL作为声压级单位。门限值以上/以下（只用于通用设备）定义了与门限值相关的高、低电平，将这两个值相加即可得到节约尺度（IEC60268-8规定阶跃尺度为10dB的高电平信号应高于门限值6dB）。门限衰减量是门限值增益的总衰减量。建立时间/释放时间设置定义了设置的宽容度，暨在测量建立时间与释放时间时，信号电平与最终电平“足够接近”的标准。
6 r' A  X6 P4 h- M& U9 {1 J* [
+ _9 k  C; a0 z6 e  |- O0 f
$ G' C: `* {/ V6 Y( h( |' K
8 e# I; |' O3 N/ \9 v4 ^IEC 60268-8
4 _4 t7 a; ^0 f4 ^- @( P" ~
测量标准中
0 Z# S+ X# H& j
信号发射器的设置

与事先设置好声学测试电平的听力辅助标准不同，IEC 60268-8测量标准需要用户自己定义信号发生器的最优电平。在设定信号发生电平时，最重要的是定义或设置压缩门限电平。

  e% q8 `) U! h8 n
$ ~  ~' \' j2 O" C

图八：发生器电平与输出电平的压缩
2 U  r# v7 g) J( G0 v2 M2 |
( N7 T1 _3 k& ^) [) s

对于那些具有门限可调功能的设备来说，要将设备的门限控制设置在最高信号电平处来保证压缩功能不被启用（对于旋钮，要设置在完全顺时针或完全逆时针处）。将信号发生器打开并将信号设置在理想的门限电平处。一边观察被测设备输出增益一边降低被测设备门限电平值直至压缩开始启用且增益下降1 或2dB（取决于标准）。
0 b  R, W7 G: [! j, d  L/ V

; `' ^, a  p0 M; l
对于门限值固定的设备，将信号发生器调至一个较低的电平。一边观察被测设备输出增益一边增加信号发生器的电平直到增益下降1或2dB（取决于标准）。

6 M0 D. j1 b; M7 o% S! @$ H7 S0 I1 C
. ?' Q$ f0 B5 F* I; l
( G0 _2 [5 `! f% D6 a找到门限电平值后，需要在此基础上加上所需高出门限值的范围（6dB）来确定信号发生器的高电平设置。举例来说，当使用默认的IEC 60268-8 10dB阶跃尺度来测试时，如果门限值被设为-10dBV，那么信号发生器的高电平值就应当设为-4dBV。高电平值高于门限值6dB，低电平值低于门限值4dB。对于具有软拐点特性的设备来说，则需要使用范围更大的阶跃尺度，让高、低电平值距离门限值更远来确保被测设备的压缩性能完全启用。
& ?1 y1 p' M' i  ]% w. ?+ P
2 W: m4 Y6 v, n) a! o( S, q  v! k
5 ~% u" K4 c# O2 C6 p; F$ @$ q% [
使用IEC标准推荐的10kHz测试信号或是1kHz测试信号。对于限带压缩设备来说，要使用有效带宽频率范围内的测试信号。
+ Q- Y3 I6 _. S. p7 u6 ]



4 ~3 A$ Y5 J* K
创建阶跃函数
) P3 `/ q0 r4 E. r2 [
: W/ r- C" B. H# q. C! f: e) X信号发生器发出的阶跃函数测试信号包含三个部分：低电平Low (1)、高电平High以及低电平Low (2)。信号持续时间必须要预先设置好，保证获得有效的测试结果。第一部分Low (1)的信号长度不是很严格，一般都预设为1s。
; H" F. e' _/ U6 `) s
  g! g2 k. d: L6 Q1 g" y  K3 s- s


# w# Q( k  k4 l8 x, \% z" X8 j" @图九：发生器与输出电平的数据对比

, ]" Q% ?2 u! D; |, k
0 Y* N- ]; @9 f! ^- W2 k
1 v) T/ K7 x2 }/ H高电平部分持续时间必须足够长，保证压缩器能够充分作用并使输出信号电平维持稳定。也许需要进行几次实验来增加信号的持续时间直到建立时间的测量结果不被信号本身所影响。对于一些基于编程的压缩器来说，高电平测试信号的持续时间会对释放时间产生影响。

# y5 O6 E8 D' i) D/ N
4 S# w5 Q8 E% t4 m  P3 A$ v
# L0 v# o; t: |$ x- E  `' |低电平Low(2)部分的信号持续时间也必须足够长，使得压缩器能够完全释放，直到其输出电平稳定在未经压缩处理的电平值附近。与高电平部分的信号一样，也需要经过一些实验来确定正确的信号持续时间。
- v# s  q# ~; N+ O( A
% D- G8 Y3 q7 d+ g. h3 h$ ~
3 p+ |% O& D5 E% y6 D# D
; ?% P! H+ T6 @/ f进行测量
6 a8 q; r5 X0 a0 M) }9 I: y
将信号发生器与被测试设备设置好后，将信号发生器的阶跃函数信号输入被测试设备，观察输入电平与时间关系的曲线。使用音频分析仪或检查记录的波形来确定建立时间和释放时间的测量点。这些测量点就是输出电平开始稳定在最终电平附近的时刻，而“稳定在附近”的范围则是取决于依照应用标准而设定的宽容度。
$ _; ~3 y, i- N


除了动态及稳定AGC性能，我们也可以借助通过被测试设备的信号来对其他音频方面的特性进行测量，比如频率响应、失真、噪声、最大输出电平以及交叉串音等，这些参数可以在使用增益衰减或不使用增益衰减的条件下测量。大多数测量步骤与非AGC设备的测量步骤相同。不过，在测量门限值以上设备的频率响应时，有一些需要注意的预防措施。
% y9 S; X1 z/ j


有些分析仪使用指数的正弦线性调频信号来进行频率响应测量。这种信号对于门限值之上的测试来说是不适用的，主要有两个原因。一是由于信号发生器开始工作后信号持续时间以扫频模式不断增加，因此信号持续时间与频率之间不再非相关。另一个原因是信号的频率会导致压缩器工作状态的改变，这会导致频率相关的压缩器在测试时出现故障或错误。使用阶跃频率扫频信号，在每次阶跃时加入足够的延时能够解决第一个问题，但是对第二个问题束手无策。使用独立的侧链输入来控制压缩可以解决上述问题，但很多压缩器不具备此功能。

1 e8 d- j; @5 K0 i' E+ J0 R

不过，如果音频分析仪具有多声调测量功能，即信号发生器能够在同时产生多个频率分量的输出信号的话，上述问题都能够迎刃而解。打开信号发生器刺激信号后，音频分析仪必须加以延时，直到被测试设备处于完全的压缩状态并且达到稳态。这个延时时间需要比测量出的建立时间长很多。将图10和图11门限值以上的频率响应曲线进行比较，可以明显的看出使用多声调测试信号能够有效消除低频错误。


& m  c& c4 |$ r
0 S: o  }# F. B# u. f; I
图十：关于频响的连续测量显示
. {( {/ N4 A# B3 k3 |, C! o8 D* G

; J4 t  g3 S5 z2 `1 H( O; `7 P图十一：关于频率响应的测量结果

1 j( y9 n$ l/ H3 y- W1 D

( L2 `6 j0 v; F% M) U压缩侧链的频率响应
# X5 H, [: \3 E- |
很多压缩器在极端频率下对门限灵敏度都采取了衰减处理。这样可以避免空调带来的低频噪声以及激发增益衰减功能的晶振所打来的高频噪声。
6 O' ]/ g3 T- X9 F9 t
" @' O% m1 q8 L# P2 a4 J$ J( L: {/ Z
9 x1 k2 J, i  S  ]4 {

, a2 B# ~% m/ X8 u  H图十二：AGC 标准的比较
( y! o/ `! Q( d/ [- U
  E, j) U& `9 M
  T! u/ v; a/ D: M
) [7 P3 g, I$ M% f1 ?! ^对压缩侧链频率响应的测量可以首先使用标准电平的1kHz音频信号通过被测设备，不做限幅处理。调整被测设备的单位增益，接着调整压缩门限直到增益衰减1dB。之后使用一个阶跃扫频信号，在每个节点调整信号发生器的电平让增益均衰减1dB。最后将信号发生器电平与频率的关系以作图的方式表示出来并将结果依照1kHz进行归一化。

% ~+ ]3 L7 f7 e; `$ ~' J3 O" P

/ P8 ]( j: _& M% `1 h( U: f. s如果在住信号通路中存在任何滚降滤波，均会造成结果的误差。我们可以采用以下方式进行缓解：如果被测设备是双通道的，两个通道内的滚降滤波是相同的，则可以在两通道时间使用电平有效值比值恒定的信号来代替保持增益的常规信号。或者，如果压缩器具有独立侧链输入功能，我们可以在保持固定1kHz测试音输入音频信号通路的同时对侧链信号进行扫频。