自适应动态范围

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1、高水平增益高阈值低阈值低水平增益扩展阈值动态范围控制（DynamicRangeControl,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（WideDynamicRangeCompression,WDRC）、音频信号处理中最常用的自动增益控制（AutomaticGainControl,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，并

2、对各个子带分别进行动态范围控制。一个典型的动态范围控制方法的处理效果示意图如图1所示。自动增益控制输出压缩比扩展比图1中，横坐标表示输入信号的声压级（SoundPressureLevel,SPL，单位为dB），纵坐标表示输出信号的声压级；黄色对角线表示输入信号与输出信号的声压级相等，即无动态范围控制处理；红色折线表示动态范围控制处理曲线。动态范围压缩处理曲线按照输入信号SPL从低到高的顺序依次包括如下折线段：（1）扩展段：由扩展比（ExpansionRatio,ER）和扩展阈值（ExpansionThreshold,ET）参

3、数确定；图1中，；表示扩展段内输出SPL的动态范围是输入SPL的动态范围的3倍（扩展了3倍）；表示SPL小于20dBSPL的输入信号属于扩展段。（2）低水平段：由低水平增益（LowLevelGain，LLG）、低阈值（LowerThreshold，LT）和ET参数确定；图1中，；横坐标的输入SPL从ET到LT的区间属于低水平段；该段内只对输入信号信号进行线性增益处理，即对于不同SPL的输入信号都采用相同的增益，图1中该增益为11，其中Level表示系统的其他模块提供的增益。（3）压缩段：由压缩比（CompressionRat

4、io,CR）、高阈值（UpperThreshold，UT）和LT参数确定；图1中，；横坐标的输入SPL从LT到UT的区间属于压缩段；该段内对输入信号进行动态范围压缩处理，图1中输入SPL的动态范围是输出SPL的动态范围的2.5倍（压缩了2.5倍）。（4）高水平段：由高水平增益（HighLevelGain，HLG）、高阈值（UpperThreshold，UT）和自动增益控制输出（AutomaticGainControlOutput,AGCO）值确定；图1中，，；横坐标的输入SPL从UT到120dBSPL的区间属于高水平段；该段

5、对输入信号进行线性增益处理，并且带有AGCO功能；AGCO判断输出信号的SPL是否超出预先指定的阈值（图1中，对应120dBSPL），若超出该阈值则置为该阈值；与低水平段的处理相同，对于不同SPL的输入信号都采用相同的增益，图1中该增益为，其中Level表示系统的其他模块提供的增益。图2给出了图1所示的输入/输出函数关系曲线图对应的输入/增益函数关系示意图。从图2可明显观察到扩展段、低水平段、压缩段和高水平段的增益特点。图1所示的输入/输出函数关系图可总结为如式（1）所示的数学表达式；相应的图2所示的输入/增益函数关系图可总

6、结为如式（2）所示的数学表达式，其中表示dB单位的增益，表示表示线性的增益。图211（1）（2）DRC方法的原理框图如图3和4所示，图311图四其中图3表示前馈动态范围控制，图4表示反馈动态范围控制。图中，表示输入信号，表示输出信号，n表示时间帧，k表示频域子带。不失一般性，我们以图3的前馈动态范围控制为例对处理流程进行说明。信号幅度检测可为幅度的均方根（RootMeanSquare，RMS）检测或峰值检测。常用的均方根检测的数学表达式如式（3）所示；采用平滑滤波器替代平均计算，平滑系数为；为输入信号的幅度。常用的峰值检测方

7、法有：标准峰值检测如式（4）所示，修正峰值检测I型如式（5）所示，修正峰值检测II型如式（6）所示，平滑峰值检测I型如式（7）所示，平滑峰值检测II型如式（8）所示；其中为跟踪时间（AttackTime）系数，为释放时间（ReleaseTime）系数，它们的取值区间为[0,1]。计算增益步骤中，首先将转化为dB值得到，然后根据式（2）的输入/增益函数关系计算得到。最后将与输入信号相乘得到输出信号。（3）（4）（5）（6）（7）（8）11上述动态范围控制方法中，信号幅度检测步骤中所采用的和参数通常为预先设定的固定数值；和参数小

8、，表示幅度检测对输入声音信号的幅度变化跟踪速度快，其带来的问题是可能导致输出信号不平稳变化，从而影响音质；和参数大，表示幅度检测对输入声音信号的幅度变化跟踪速度慢，其带来的问题是可能导致无法跟踪上输入声音信号的幅度变化，从而达不到动态范围控制的目的。如图2所示，上述的动态范围控制方法产生的