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文章目录

一、Dynamic Range Control
二、静态曲线Static curve
- 1.静态曲线如下图
- 2.matlab的DRC系统如下图所示：
- 3. 静态曲线方程
- - 3.1 NT拐点计算
  - 3.2 ET 计算
  - 3.3 CT 计算
  - 3.4 LT计算
- 4 增益计算
- 5 Xsc（dB）的计算：
- - 1.Threshold-阈值
  - 2. Ratio 压缩比
  - 3. KneeWidth -拐点宽度
- 6. Gain Smoothing-增益平滑
- - Gain Smoothing 的attack time, release time如下图所示
三、参考文献

一、Dynamic Range Control

参见matlab：https://ww2.mathworks.cn/help/audio/ug/dynamic-range-control.html
Dynamic range control is the adaptive adjustment of the dynamic range of a signal. The dynamic range of a signal is the logarithmic ratio of maximum to minimum signal amplitude specified in dB.
You can use dynamic range control to:

Match an audio signal level to its environment
Protect AD converters from overload
Optimize information
Suppress low-level noise

Types of dynamic range control include:

Dynamic range compressor –– Attenuates the volume of loud sounds that
cross a given threshold. They are often used in recording systems to
protect hardware and to increase overall loudness.
Dynamic range limiter –– A type of compressor that brickwalls sound
above a given threshold.
Dynamic range expander –– Attenuates the volume of quiet sounds below
a given threshold. They are often used to make quiet sounds even
quieter.
Noise gate –– A type of expander that brickwalls sound below a given
threshold.
动态范围控制可以自动调整信号的动态范围；（信号的动态范围是信号的最大幅值与最小幅值比值的对数，使用dB作为单位）动态范围控制功能：
a．根据环境匹配音频信号电平；也就是杜比volume leveler的作用；
b．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；
c．优化信息；也就是使音频信号使用到满幅的动态范围；
d．压制低电平的噪声；DRC的噪声门有一定的降噪效果；
动态范围控制的类型
a．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；
b．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；
c．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；
d．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。

二、静态曲线Static curve

1.静态曲线如下图

参见《Digital Audio Signal Processing》第七章：

2.matlab的DRC系统如下图所示：

This tutorial shows how to implement dynamic range control systems using the compressor, expander, limiter, and noiseGate System objects from Audio System Toolbox™. The tutorial also provides an illustrated example of dynamic range limiting at various stages of a dynamic range limiting system.
The diagram depicts a general dynamic range control system.

计算步骤如下：

线性到dB转换：x→Xd B

 xdB=20log10(x).

将dB信号通过静态特性方程式，然后求出差值来进行增益计算： gc=xsc−xdB
随时间推移进行平滑处理：gc→gs
补充增益（仅适用 compressors 和 limiters）： gs→gm
dB到线性转换：gm→glin
将计算出的增益信号于原始音频信号相乘：y=glin × x

3. 静态曲线方程

3.1 NT拐点计算

NT = -70
NT没有softknee，有holdtime

3.2 ET 计算

expander
Threshold: -10
Ratio: 5
KneeWidth: 0
AttackTime: 0.0500
ReleaseTime: 0.2000
HoldTime: 0.0500
SampleRate: 44100
ET = -45
有softknee，有holdtime

3.3 CT 计算

compressor 具有属性:

     Threshold: -10Ratio: 5KneeWidth: 0AttackTime: 0.0500ReleaseTime: 0.2000
MakeUpGainMode: 'Property'MakeUpGain: 0SampleRate: 44100

CT = -25
有softknee,有MakeUpGain

3.4 LT计算

Threshold (dB) — Operation threshold
–10 (default) | scalar in the range –50 to 0
Knee width (dB) — Transition area in the limiter characteristic
0 (default) | scalar in the range 0 to 20
View static characteristic — Open static characteristic plot of the dynamic range limiter
button
Attack time (s) — Time it takes applied gain to ramp up
0 (default) | scalar in the range 0 to 4
Release time (s) — Time it takes applied gain to ramp down
0.2 (default) | scalar in the range 0 to 4
Make-up gain mode — Make-up gain mode
Property (default) | Auto
Make-up gain (dB) — Applied make-up gain
0 (default) | scalar in the range –10 to 24
Inherit sample rate from input — Specify source of input sample rate
on (default) | off
Input sample rate (Hz) — Specify input sample rate
44100 (default) | positive scalar

L T= -10,
有softknee ,有MakeUpGain

4 增益计算

增益计算单元进行增益信号的初步预估，增益计算单元的核心模块是静态特征，每一种类型的DRC有不同的静态特征，包括了可调的属性参数：
a．阈值threshold–所有的静态特性都有一个阈值，在阈值的一边，输入信号没有被修改，在阈值的另一边，输入信号被压缩、扩展以及限幅；
b．压缩比率Ratio–扩展器和压缩器的静态特征模块在计算增益时依赖用户提供的输入/输出的压缩比；
c．kneewidth-- 扩展器Expanders、压缩器compressors以及限幅器limiters的静态特征模块可以调整拐点的宽度；拐点宽度包含在阈值中，拐点宽度越大，阈值附近的过渡越平滑。如果拐点没有提供过度，则是硬拐点；如果拐点附近有大于0的拐点宽度值，则是软拐点。noiseGate只有硬拐点；
d．在计算信号增益要进行电平检测，电平检测使用递归一阶滤波器获取原始信号的电平；有基于Peak和基于RMS两种方法；Peak是生成信号电平的峰值包络，RMS是计算前N个样本的RMS值作为当前样本的电平。电平检测的作用是对于一个在原点波动的信号，DRC关心的是信号的峰值或者RMS值，而不关心信号的振荡情况；
e．Hold time 是应用增益之前的延迟时间；
f．电平检测一阶递归滤波器，使用Attack time或者release time作为滤波器的系数进行Gain Smoothing-增益平滑控制。

5 Xsc（dB）的计算：

1.Threshold-阈值

Expanders, compressors, limiters，noiseGate都有阈值

2. Ratio 压缩比

3. KneeWidth -拐点宽度

Expanders, compressors, 和 limiters可以调整静态特征的拐点宽度，当soft knee width 为0就变成硬拐点（Hard Knee）
noiseGate只有硬拐点（Hard Knee）

6. Gain Smoothing-增益平滑

所有动态范围控制器都提供随时间变化的增益平滑。增益平滑会减少所施加增益的急剧跳变，这可能会导致伪影和不自然的声音。您可以将增益平滑概念化为在增益信号中增加阻抗。

expander 和 noiseGate使用有相同的平滑方程，因为noise gate是 expander.的一个类型。
limiter和compressor使用有相同的平滑方程，因为 limiter是 compressor.的一个类型。

增益平滑的类型由attack time, release time和 hold time的组合指定。attack time, release time对应于增益信号从其最终值的10％变为90％所花费的时间。Hold time 是应用增益之前的延迟时间
具体增益平滑方程如下：
expander and noiseGate平滑方程：

其中αA 和 αR 有下式得到：:

k 是指定的hold time的换算的采样点数
CA ， CR 是 attack ， release的采样点数

compressor and limiter平滑方程：

αA 和 αR 参见expander and noiseGate获取方程

Gain Smoothing 的attack time, release time如下图所示

三、参考文献

https://ww2.mathworks.cn/help/audio/ug/dynamic-range-control.html
(2008.2nd_edition)Digital Audio Signal Processing - Zolzer.pdf
参考网址：
https://blog.csdn.net/houxiaoni01/article/details/112790209
https://blog.csdn.net/book_bbyuan/article/details/72458688
https://www.woaifaming.net/doc/68750.html
https://blog.csdn.net/cyz_2014/article/details/84718528

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