由于電視臺的節目信號源來源不同，各個制作單位的音頻的制作準則也不一，因此會導致在節目播出時不同節目源的聲音電平或響度差異很大。在電視節目播出時，如果連續播出的兩條節目響度差異較大，在節目切換時會讓觀眾感到刺耳。尤其是電視節目中間插播的廣告，為引發觀眾的注意，通常音頻響度都遠高于其它的節目，特別是語音和對白，是人耳最敏感的音頻頻率區間，使得觀眾尤為感到不適和煩躁。響度問題的出現已經嚴重影響到了節目的播出效果及用戶在家收看電視節目的聲音效果。因此，響度控制成為了我們現今在播出系統中需要解決的問題。
本刊特別編輯了兩篇音頻響度方面的文章，與大家共同交流探討。 
 
一. 基本概念的理解
　　響度(Loudness)，電信號轉換為聲波振動時度量聲音能量的一個指標。響度實際上是針對人耳對不同聲音的感應強弱而提出來的一個衡量標準，它的大小不僅跟聲音的幅度大小有關，還和聲音的頻率有關。聲壓級相同，頻率不同的聲音，聽起來響亮程度也不同。結合聲壓、頻率和人耳的感覺得到的曲線關系稱“等響度曲線”，如圖1所示。

圖1 等響度曲

二. 如何處理播出系統中的音頻響度問題
　　一般情況下，電視臺的播出系統在節目播出時對音頻信號不會做相應的處理，而是完全依賴于節目素材本身的音頻質量。在過去，對響度的控制方法主要是利用分立的電阻、電容和電感原件組成的控制系統。由于這樣的系統過于簡單，不能調整參數，對動態范圍大的音頻信號處理效果不好，影響了對電視節目的欣賞。但也有部分電視臺在播出系統的輸出設備中增加了音頻壓縮限幅處理設備。音頻壓縮限幅處理器使用VU表來測量音頻電平，而在數字系統中則使用峰值表嚴格控制和檢測峰值。該設備用于專業音頻人員調整并固化參數，以改善音頻播出的質量，在一定程度上有效地控制了音頻播出的電平，但VU表、PPM表的指示值不能表示音頻信號的響度；而一些非音頻專業的技術人員容易將電平和響度混為一談，錯誤地理解為控制電平就是控制了最終還原的音頻響度。

　　當我們在控制節目的電平時，對節目響度的異常現象通常是沒有什么好的辦法，因此導致很多節目如廣告及老版的模擬節目內容，由于前期制作階段對音頻信號進行了壓縮限幅處理，使得音頻電平非常標準，可是沒有想到還原出來的響度卻嚴重破壞了頻道整體的平均響度水平，從而造成音頻信號的刺耳播出。因此，在這種情況下，我們需要提供一種控制靈活、可以對動態范圍大的音頻信號進行良好處理的響度控制系統及控制方法。

　　為了更好的解決播出中存在的響度問題，我臺測試了大連捷成的PD-DAP嵌入音頻響度動態范圍控制模塊，該模塊能夠對SDI信號中所嵌入音頻的功率或響度特征進行提取和處理，從而對音頻信號的動態范圍進行壓縮、限幅、擴張控制及增益調整，其中壓縮和擴展門限可根據音頻VU值和響度值進行選擇，使輸入音頻信號瞬時穩定在設置好的范圍內，解決了在節目播出時，不同節目音頻信號增益的不均衡問題。

三. 響度的控制解決方式
　　根據以上介紹，我們可以知道決定響度的重要因素是平均電平而不是峰值電平，因此在在解決響度問題時，我們首先要提取響度特征值，再進行相關的音頻處理：如壓縮或限制擴展等動態范圍內的信號處理方式，以便我們更好的處理響度問題，具體解決方法流程如圖2： 

圖2

　　1. 提取響度特征值

　　首先我們需將串行的需要處理的音頻數據和與之同步的時鐘信號接入FPGA芯片，完成信號的串并轉移，將串行的數據流轉變成并行的24bit的音頻數據，便于接下來的處理和運算；一個24bit音頻數據對應一個音頻的采樣點（我們聽的聲音就是由若干個連續的采樣點組成）。

　　將連續的串并轉移后的24bit音頻數據采樣值，送入FPGA內部的FIR數字濾波器，提取我們所要的響度音頻數值（音頻數據中3K~5K的數據）；同時將表示響度特征的音頻數據做多次累加，再取其平均值；這樣做的目的是能夠更準確的提取響度特征值。我們把提取出的這個響度值作為實施響度控制的一個依據參數。

　　2. 壓縮限幅

　　將提取出來的響度特征值與設定好的壓縮門限值做比較，當響度特征值大于門限值時，系統啟動音頻壓縮功能，并根據壓縮比率產生一個壓縮系數；同時由于上面對音頻采樣數據濾波、累加再計算其平均值需要一定的運算時間，也就是說在這一段時間內的音頻采樣數據是不能輸出的，這就需要在FPGA內部做一個RAM將這段音頻采樣數據存儲，等待壓縮系數產生以后再將存儲區的音頻采樣數據提取出來，并與壓縮系數相乘。這樣就得出了我們想要的音頻數據；同時為了使輸出的音頻數據聽起來感覺更好，在此增加了兩個效果處理的時間，即跟蹤時間和釋放時間。跟蹤時間就是在壓縮功能啟動后，在音頻采樣數據乘以壓縮系數并達到最后穩定輸出的時間，而釋放時間正好與之相反是在壓縮過程中，當響度特征值小于壓縮門限時，要關閉壓縮功能，從關閉到最后穩定的時間就是釋放時間。這兩個時間是根據需要，用戶自行設定，目的就是在啟動壓縮和撤銷壓縮的時候保證信號不會突變，使最后輸出的效果更佳。

　　壓縮限幅的處理方式不同于我們常采用的自動增益控制處理，主要區別是：自動增益控制處理是將源信號中的所有信號都進行了縮小處理，這樣做雖然保證將幅度很大的信號電平減小，但是同時也會將小信號進行了縮小處理，從而使信號失去原有的完整性。

　　3. 擴展，提高音頻信號的動態范圍 

　　該模塊在進行壓縮限幅處理的同時也考慮到了信號提升后出現的問題：一是過分提升后，系統在應對突變信號時變得脆弱，很容易導致信號溢出；二是提升后會不同程度的將極小信號的噪音電平也同時提升；三是信號在高、低電平的臨界線出現變化時，自動增益控制的固有特性會使聲音聽起來有不連貫或喘氣的感覺。PD-DAP嵌入音頻響度動態范圍控制模塊對以上各種問題采取了比較有效的控制措施，采用音頻電平擴展（向下擴展）的處理模式，對突變的信號進行有效監測，同時設定保護門檻電平，避免了小信號提升后的溢出問題。

　　擴展Downward Expansion（向下擴展），即把低于門限的弱小信號變得更弱。擴展實際上是壓縮的反過程，壓縮是縮小信號的動態范圍，而擴展是增大信號的動態范圍，就是說超過擴展門限的信號保持原來的信號幅度不變，而低于擴展門限的信號，我們可以按照一定的比例使其變得更小，也就是所說的向下擴大了動態范圍。 [Page]

　　其中比率、跟蹤時間和釋放時間同樣是根據需求可進行響應的調節。由于擴展功能的比率變大之后低于門限的信號會變得更小，以至于被淹沒掉。而當比率很大的時候擴展器實際就是一個噪聲門，設置帶有噪音門檻參數的設置，極為有效地消除和抑制輸出的噪音電平。

　　以上各參數的設置，可以更好的提高音頻的動態范圍，有效的解決了超過擴展門限的信號保持原來的信號幅度不變，而低于擴展門限的信號將會提高它的動態范圍，即向下擴大了其動態范圍。

　　4. 噪聲處理

　　該模塊同時具有噪音門檻參數的設置，較為有效地消除和抑制輸出的噪音電平，我們可以通過系統自行設置噪音門限值：當輸入信號的門限值達到所設定的系統默認值時，系統會直接默認此信號為噪音信號，并對此直接進行音頻噪音衰減處理。同時，音頻噪音衰減參數可以有效地消除和抑制噪音信號，這種信號處理方式常用于人聲場合，以便將噪音值降到最低，以保證人耳的最佳聽覺狀態。

　　通過以上的對PD-DAP嵌入音頻響度動態范圍控制模塊各項參數設置的方式，使得我們播出系統的輸出音頻信號既提高音量、減少音頻失真，又保證音質的極佳效果。

四. 結語
　　響度問題的解決已成為各大電視臺播出系統的首要問題，同時各種響度控制器的應用也遍布各臺的播出系統之中。PD-DAP嵌入音頻響度動態范圍控制模塊，信號指標優良，運行穩定可靠，該設備可有效地解決播出系統的音頻響度控制問題。