增益結(jié)構(gòu)調(diào)整的目的是使各級設(shè)備（如音頻處理器）獲得最大信噪比，并使音頻系統(tǒng)操作者獲得更大的調(diào)節(jié)空間與操作安全性。本文將以設(shè)置音頻處理器增益結(jié)構(gòu)為切入點(diǎn)，從原理解析、實(shí)操步驟以及常見問題分析，讓你掌握原理進(jìn)而可以適用于整個(gè)音頻系統(tǒng)的調(diào)整。

目錄導(dǎo)讀：
① 增益結(jié)構(gòu)設(shè)置前的核心要點(diǎn)；
② 四步搞定增益結(jié)構(gòu)調(diào)整；
③ 實(shí)際應(yīng)用中常見問題及優(yōu)化建議。

增益結(jié)構(gòu)設(shè)置前的核心要點(diǎn)

作為被設(shè)計(jì)在標(biāo)稱操作電平上使用的音頻設(shè)備，對通過的信號(hào)有著上限值的要求，一旦信號(hào)超過上限值就會(huì)發(fā)生削波失真。同樣，所有的設(shè)備也有信號(hào)的下限值即本底噪聲，有效信號(hào)若低于本底噪聲則會(huì)被噪聲淹沒。

▍動(dòng)態(tài)范圍

當(dāng)信號(hào)在音頻設(shè)備通道中傳輸時(shí)，我們必須同時(shí)關(guān)注設(shè)備的最大輸入電平與本底噪聲水平，這兩者之間的比值我們稱為該設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。（區(qū)別于我們常常談?wù)摰囊纛l信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，如交響樂擁有比新聞播報(bào)更大的動(dòng)態(tài)范圍指的就是信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。）

動(dòng)態(tài)范圍、信噪比與峰值空間的關(guān)系

除了關(guān)注模擬器件的指標(biāo)，對于數(shù)字設(shè)備而言，音頻信號(hào)采樣量化的位深(bit)也決定了設(shè)備的動(dòng)態(tài)。通過以1-bit為6dB的動(dòng)態(tài)值計(jì)算，16bit最大動(dòng)態(tài)為16x6=96dB，24bit的設(shè)備則可以擁有24x6=144dB的動(dòng)態(tài)。也就是說，采樣位深數(shù)值越大，設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍就越大。這里請勿與模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍混淆。

▍本底噪聲

當(dāng)最小的音頻信號(hào)低于本底噪聲水平時(shí)，語音可懂度會(huì)受到噪聲影響而降低。事實(shí)上，當(dāng)音頻信號(hào)電平只與本底噪聲水平相差無幾時(shí)，人耳聽感對這樣的聲音也是不能忍受的。對音頻系統(tǒng)信噪比的要求具體取決于不同應(yīng)用場景，但總的來說，越是專業(yè)擴(kuò)聲的場合就越是應(yīng)當(dāng)對信噪比提出高的要求。

▍削波失真

假如輸入信號(hào)電平超過了設(shè)備的最大電平，設(shè)備會(huì)出現(xiàn)削波失真。舉例設(shè)備的最大輸入電平為+20dBu，如果給它輸入一個(gè)峰值電平達(dá)到+24dBu的信號(hào)，信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生削波失真。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，我們希望避免信號(hào)削波的另一個(gè)重要原因是：當(dāng)削波發(fā)生時(shí)，其所產(chǎn)生的直流成分對揚(yáng)聲器的線圈有著致命性的摧毀作用，短短數(shù)秒內(nèi)就可能將揚(yáng)聲器里高頻單元燒毀。

圖左：信號(hào)被設(shè)備本底噪聲淹沒；圖右：信號(hào)發(fā)生削波失真

▍增益結(jié)構(gòu)

既然音頻系統(tǒng)在單個(gè)音頻設(shè)備中傳輸要考慮動(dòng)態(tài)范圍，那么作為由各個(gè)音頻設(shè)備所組成的音頻系統(tǒng)自然也有系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。音頻系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍很大程度上依賴于系統(tǒng)工程師對設(shè)備的選型以及“增益結(jié)構(gòu)”的配置。而這一點(diǎn)符合“木桶短板效應(yīng)”，如在專業(yè)音頻系統(tǒng)中插入消費(fèi)級的設(shè)備不是明智的選擇。即使采用的都是專業(yè)級別的設(shè)備，也有可能因?yàn)樵鲆嬖O(shè)置不得當(dāng)而達(dá)不到系統(tǒng)期望的使用效果。

 

那么，什么是“增益結(jié)構(gòu)”呢？增益結(jié)構(gòu)（gain structure）可以定義為發(fā)生在音頻信號(hào)鏈路當(dāng)中的各級增益關(guān)系，如在音源與音頻處理器之間、音頻處理器與功放之間等等。

一種不正確的增益結(jié)構(gòu)設(shè)置可能會(huì)導(dǎo)致：

揚(yáng)聲器發(fā)出持續(xù)可聞的“沙沙聲”底噪聲；

調(diào)音人員無法精細(xì)化地調(diào)節(jié)音量大小；

提升音量會(huì)“破音”，聲音因削波失真不可辨；

系統(tǒng)無法還原大動(dòng)態(tài)范圍的節(jié)目音頻；

較低信噪比迫使系統(tǒng)提升增益，間接增大聲反饋風(fēng)險(xiǎn)等。

 

總而言之，我們盡可能地希望音頻運(yùn)行在動(dòng)態(tài)范圍最大化（且信噪比最大化）的系統(tǒng)當(dāng)中，以正確重現(xiàn)人聲或節(jié)目音頻的更多細(xì)節(jié)。

掌握了上面的背景知識(shí)，以下步驟將能指引你在實(shí)際使用當(dāng)中完成對音頻處理器的增益結(jié)構(gòu)設(shè)置。

 

四步搞定增益結(jié)構(gòu)調(diào)整

 

（1）關(guān)閉你的功放

要設(shè)置正確的增益結(jié)構(gòu)要求我們由信號(hào)鏈路從前往后來進(jìn)行調(diào)整，在這一步驟中，你不需要聽到任何聲音，只需要參考電平即可。

 

（2）調(diào)整音源的輸出位置

你或許會(huì)在某些音源設(shè)備上發(fā)現(xiàn)不止一種類型的音頻輸出接口，或是具有Mic/Line電平選擇的撥檔（如無線話筒接收機(jī)）。

無線話筒接收機(jī)不同類型的音頻輸出

 

首先，在專業(yè)音頻系統(tǒng)連接中，我們盡可能地使用平衡接口進(jìn)行連接，這樣能夠進(jìn)行長距離地傳輸而不額外引入更多噪聲。

如果是需要將音源連接到一般的傳統(tǒng)調(diào)音臺(tái)，還需要注意接口類型之間存在差異，需要結(jié)合查看產(chǎn)品規(guī)格書。如用于Mic電平連接的卡儂接口（XLR）所能承受的最大輸入電平比用于Line電平連接的大三芯接口（TRS）的低。

而對于將音源連接到我們的音頻處理器上則無此顧慮，每個(gè)輸入通道的接口適用于無論是Mic電平或是Line電平的音源，同時(shí)具有可獨(dú)立控制的48V幻象供電開關(guān)和步進(jìn)靈敏度增益（話放）調(diào)節(jié)，可作為話筒前級對話放增益進(jìn)行精細(xì)設(shè)置。（設(shè)置方法在第③步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述。）

另外，如果是節(jié)目源類型的音源（如播放器），其通常具有恒定的本底噪聲。通過增加音源自身的輸出電平就能增加信噪比，可以在進(jìn)入到處理器不失真的前提下盡量調(diào)高。

 

（3）調(diào)整音頻處理器輸入靈敏度增益（話放）

對于調(diào)音臺(tái)或數(shù)字音頻處理器設(shè)備而言，其本身也具有恒定的本底噪聲。

對于Line電平接入的輸入信號(hào)，一般無需調(diào)整輸入靈敏度增益（話放）就可以擁有足夠的信噪比。但是如果對于Mic電平或消費(fèi)類音頻產(chǎn)品接入，則不可避免出現(xiàn)信噪比不足的情況。因此需要在信號(hào)進(jìn)入ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換之前（即在不增加設(shè)備自身的本底噪聲的前提下），通過輸入靈敏度增益（話放）放大輸入信號(hào)從而提升信噪比。

在「RNN系列」，電平表采用dBu為單位，即0dBu為處理器的“標(biāo)稱操作電平”大小。在音源常規(guī)播放/話筒正常使用距離的情形下，觀察并緩慢調(diào)整輸入靈敏度，使得音頻處理器輸入通道電平表大小達(dá)到“標(biāo)稱操作電平”。每一輸入通道都是如此設(shè)置。此時(shí)音頻處理器的增益結(jié)構(gòu)處于所謂的“0進(jìn)0出”的增益結(jié)構(gòu)，信號(hào)電平與設(shè)備最大電平之間將保留充分的峰值空間（Headroom）以滿足后續(xù)用戶正常的音量操作范圍。

RNN模擬輸入通道靈敏度調(diào)節(jié)

除了dBu電平表外，另外一種常見的方式是采用dBFS電平表（滿刻度電平表）。如「NLP系列」的最大電平標(biāo)定為0dBFS，則-18dBFS為處理器的“標(biāo)稱操作電平”大小。工程師只需結(jié)合具體該設(shè)備的參數(shù)規(guī)格表后就可以推算dBFS電平表上其他刻度相對應(yīng)的電平值。

NLP的dBFS電平表

 

值得注意的是，增益不僅會(huì)對信號(hào)放大，也會(huì)對與信號(hào)一同進(jìn)入的上一級噪聲進(jìn)行放大。如“音量推子”等具有電平調(diào)節(jié)功能的增益是發(fā)生在ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，它的上一級噪聲除了包含與信號(hào)一同進(jìn)入的噪聲，也包含了設(shè)備接口自身的本底噪聲。因此，盡管都是對信號(hào)起到音量調(diào)節(jié)作用，在信噪比提升方面“音量推子”并不能達(dá)到與靈敏度增益同樣的效果。所以說，一旦靈敏度增益正確設(shè)置，就不宜再頻繁調(diào)整。否則將其作為音量控制手段交給最終用戶，會(huì)極大程度地影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

增益不僅會(huì)對信號(hào)放大，也會(huì)對與信號(hào)一同進(jìn)入的噪聲進(jìn)行放大

 

到這一步音頻處理器的增益結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)束。同理，通過對在信號(hào)鏈路上處于功放之前的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，都進(jìn)行“0進(jìn)0出”的設(shè)置，這樣的增益結(jié)構(gòu)我們稱為統(tǒng)一增益（Unity gain）。擁有相同的峰值空間的好處是能夠最大化用戶在使用過程的音量提升范圍，不會(huì)由于“木桶短板效應(yīng)”而提前產(chǎn)生削波或降低信噪比。

 

（4）設(shè)置功放靈敏度

最后一步就到了將聲音放出的環(huán)節(jié)。大部分情況下，功放的音量設(shè)置由位于功放前面板的靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕完成（如果使用的是DSP功放，則通過調(diào)節(jié)DSP的輸出增益來完成任務(wù)）。在開啟功放前，請注意將旋鈕調(diào)節(jié)至關(guān)閉狀態(tài)以防止突然的大電平信號(hào)而導(dǎo)致人耳永久性聽覺損傷或揚(yáng)聲器及其他系統(tǒng)設(shè)備損壞。

 

調(diào)節(jié)開始時(shí)，同樣建議在音源常規(guī)播放、話筒正常使用距離的情形下，并緩慢調(diào)整功放旋鈕直到揚(yáng)聲器的目標(biāo)覆蓋區(qū)域達(dá)到目標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)聲聲壓級。每一組功放揚(yáng)聲器都是如此設(shè)置。至此，系統(tǒng)的增益結(jié)構(gòu)就完成了快速調(diào)節(jié)。

 

聲學(xué)仿真軟件對系統(tǒng)聲壓級覆蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)

調(diào)試完還有底噪？可能是這些原因

 

有時(shí)你會(huì)在擴(kuò)聲系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，在已經(jīng)完成增益結(jié)構(gòu)設(shè)置之后，仍然出現(xiàn)較大的本底噪聲。

第一種可能是設(shè)計(jì)的聲壓級高于環(huán)境實(shí)際使用需求，通過降低功放輸出靈敏度可以決定最終合適的音量。

第二種可能是不得不選擇折中的方案，無論是評估噪聲是來自于系統(tǒng)中哪一個(gè)最薄弱的環(huán)節(jié)，并判斷是否要對其進(jìn)行替換；或是通過壓縮峰值空間并限制用戶音量調(diào)節(jié)范圍等手段，使得信號(hào)能夠盡量遠(yuǎn)離本底噪聲。

第三種可能是揚(yáng)聲器功率數(shù)量少，功率小，無法滿足使用需求時(shí)一味增加功放放大倍數(shù)，從而導(dǎo)致本底噪聲同樣放大，在沒有擴(kuò)聲條件下有可聞的設(shè)備底噪聲，這時(shí)需要重新設(shè)計(jì)或增加揚(yáng)聲器數(shù)量、功率來解決該問題。

 

另外，盡管不是本文的重點(diǎn)，需要強(qiáng)調(diào)的是：在擴(kuò)聲系統(tǒng)調(diào)試中，增益結(jié)構(gòu)調(diào)整僅僅只是其中一步。即使增益結(jié)構(gòu)設(shè)置完成，仍然會(huì)出現(xiàn)音量調(diào)節(jié)范圍常因聲反饋（嘯叫）而受限，或是無法實(shí)現(xiàn)多只話筒同時(shí)打開的情況。

 

此時(shí)必須要意識(shí)到，我們只有先通過合理的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、聲學(xué)考慮、音頻設(shè)備選型、以及通過運(yùn)用音頻處理器混音算法或者M(jìn)ix-minus方式等，如果一味的使用反饋抑制器等來解決聲反饋問題，只能將系統(tǒng)或音頻質(zhì)量變的越來越糟糕，并不會(huì)有顯著的傳輸增益提升。

 

所以，作為專業(yè)的音頻人士，一定是專注專業(yè)音頻設(shè)計(jì)、選型、合理使用DSP算法和方法技巧，才能實(shí)現(xiàn)將一個(gè)好的音頻系統(tǒng)呈交給最終用戶。