调频广播媒体中的限制器 Clipers多频段处理

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由于限制器实际上是音频压缩器的一种特殊形式，因此音频限制器的电路在复杂性上可能有很大差异，从一对二极管到具有分离频带的多级压控放大器。基于二极管的限制器是即时的，设计更简单，并且具有更准确的响度响应，但会在削波区域中出现失真。VCA 型限制器失真度较低，但增益控制不佳会表现出呼吸或泵浦效应。本文特别关注基于二极管的限幅器的设计原理和广泛的限幅特性。二极管具有无穷大的电阻，直到其两端的电压足够高以对其进行正向偏置（硅二极管通常为 0.7V），此时电流就会流动。二极管的压降在整个工作范围内保持相当恒定，基于二极管的限幅器电路正是利用了这一特性。由于音频信号是交流信号，两个二极管一起可以对称地削波波形的正半部分和负半部分。

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图1
9 e! ?0 n$ K' m6 v7 M硬限幅器的输出具有最大电压，即二极管的正向偏置电压。 图 1 显示了最基本的二极管限幅器电路，即硬限幅器。该设计假设 输入电压将超过 1V。将微调锅 P 调节至最大音量。由于限幅可能是 突然且 剧烈的，因此限幅范围内的硬限制器的失真是刺耳的（破裂的） 并且 有时用于类似模糊盒的效果。通过按比例缩小电阻器，形成 硬限幅器（以及图 2 中的软限幅器）。


- }7 d& V# E- K; B; I7 M图2
硬限幅器通过增加一个电阻与R1组成分压器，可以实现动态特性 稍强 的 输出。图 2 中所示的软限幅器仍将波形限制在正向偏置电压 以上，但也通过将输出置于R2 以上来允许通过一定量 (V in - 0.7V)/10 。图 3 中的图表比较了两种类型 限制器的响应。软限制器是一种 压缩器，其压缩比由R1和R2决定。增加 R2 会产生更 动态的声音，但会 牺牲电平控制。
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图3
硬限幅器的刺耳特性部分是由于削波期间产生的奇次失真谐波造成的。锗二极管（例如 1N34A）具有更平滑、类似电子管的削波质量，因为它们会产生更多偶次谐波失真，使人耳感觉更舒服。锗二极管的正向偏置电压约为 0.3V，通常每侧部署 3 个。

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0 l) r) r& ]% S8 }" ?图 4
一对 LED 对硅或锗二极管进行了改进，因为它们具有 更强的偶次谐波。一对一个红色和一个绿色 LED 听起来会更好，因为不匹配会突出偶次失真。图 4 中的限制器是一种有源设计，其中 LED 限幅器与运算放大器的反馈电阻器并联。限幅阈值约为 1.9V，这是 LED 的正向偏置电压。
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% W! s. c# X6 H8 ?) Y图5
' Y  k% K$ X8 S0 J图 5 显示了两种基于齐纳二极管的限幅器配置。 当输入超过一个齐纳二极管的击穿电压和另一个齐纳二极管的正向偏置电压时，5a中的电路就会削波。图 5b 中的第二个限制器仅需要一个齐纳二极管，并且当输入大于齐纳二极管的击穿电压与每个二极管对的正向偏置电压组合时进行削波。齐纳二极管的优点是 在较宽的电压范围内比其他类型的二极管更容易匹配对称削波。

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图6
9 o  J7 v  }* m+ H+ b0 \& [$ g到目前为止所示的限幅器电路具有固定的限幅电平（并通过衰减器适应不同的耳机放大器）。改变限幅电平的一种方法是将偏置电压施加到二极管阵列的通常接地侧。图 6a 中的电路允许分别手动调整波形的正部分和负部分。图 6b 中的可变限幅器将音频信号通过反相放大器，其输出连接到齐纳阵列的底部。 当音频信号超过 (V f + V z ) / (1 + (R2 * R5 / R3 * Rx)) 时，   限幅器就会削波，其中 V f是齐纳二极管的正向偏置电压，V z是击穿电压。R5 调节反相放大器的反馈，从而调节削波电平。

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图7
3 b5 B+ z" k! o& k& e6 u% P9 q宽带限制器在整个频率范围内工作。有时削波应该与频率相关。例如，如果音频信号中夹杂着噪声，那么削波高频可以产生更平滑、更清晰的声音。图 7 中的电路是带宽受限限制器的一个示例。二极管阵列的低频削波电平由低通滤波器的输出调制，因此只有高频 受到影响。


. J- `" D4 v5 V; X: O( @+ n/ F图8
配置频率相关限制器的另一种方法是在限幅阶段之前预加重音频信号。图 8 中的 LXH2 模拟磁带压缩器通过在第一级网络中应用 70 微秒预加重（高于 2.4kHz 的高频）来模拟模拟磁带录音机中的高频削波失真（在数字录音中有用）。在限幅阶段之后，信号在具有相同角频率的另一个网络中被去加重。二极管阵列是硅和锗二极管的混合，以实现所需的削波特性。


图9
当音频信号被削波时，限幅器将产生高于和低于削波频率的谐波和互调失真。多频段限制器（图 9）通过分离来最大限度地减少这些失真分量将音频信号转换为预先确定的频带，每个频带都有自己的削波阶段。然后，在所有频带重新组合成单​​个波形之前，对每个限幅级的输出进行频带外失真过滤。实际上，多频带限制器很难实现。由于不同阶数的各种滤波器会对每个频带中的信号进行相移，因此多频带限制器的整体响应可能不平坦并且听起来不自然。有多种技术可以提高多频带限制器的性能。首先，可以根据有助于隐藏失真的心理声学掩蔽曲线来选择频段。其次，可以在削波阶段之前引入压缩器来控制削波的程度。失真检测器可以控制压缩量。三、全通滤波器可以洒在周围以准直频带的相位响应。
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图10
# }7 V! `! I. R9 R7 I. ?平均而言，音频信号中的低音频率通常具有最高的幅度。当足够幅度的低频信号触发限制器时，高频也会被“压缩”。图 10 中的设计是多频带限幅器，专门用于最大限度地减少仅因低频限幅而产生的谐波和互调失真。高通和低通滤波器将音频信号与通过互调失真检测器控制的可变限幅器的低频分开。可变限幅器之后的第二个低通滤波器在将输出与高频带相加之前消除由限幅引起的任何谐波。IM检测器估计固定限幅器中由低频限幅导致的高频限幅量，并相应地降低可变限幅器中的阈值以减小低频幅度。该差异恢复了高频峰值，这决定了可变限制器中的限幅电平。峰值检测器仅在存在峰值低音频率时启用 IM 检测器。

% n4 {' e: I( Y* Q2 H. s. h图11
7 d' y' V9 Z) h3 A/ q6 ~对于任何限制器，如果音频信号经过高频预加重（参见上面的模拟磁带压缩器）进行调节，则去加重将减少由于削波而产生的高频失真分量。图 11 中的电路消除了低频失真。在差分放大器中比较削波前和削波后的音频信号，并将输出通过低通滤波器以提取低频失真。由于低通滤波器的输出是相移的，因此限幅信号通过全通滤波器（假设最小相位低通）延迟以进行补偿，然后与低通滤波器的输出进行差分。在多频带限制器中，每个频带的输出可以具有其自己的失真消除电路。

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