CN100385794C

CN100385794C - 一种信号处理方法及装置

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Publication number: CN100385794C
Application number: CNB2004101013414A
Authority: CN
Inventors: 冯宇红; 怀千江; 温小勇; 林中松
Original assignee: Vimicro Corp
Current assignee: Vimicro Corp
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: CN1622468A

Abstract

本发明公开了一种信号处理方法，关键在于，该方法包括以下步骤：a.将当前要进行模数转换的模拟信号根据当前给定增益值进行放大，再将放大后的模拟信号转换为数字信号；b.将步骤a中转化后的数字信号按照当前给定增益值进行缩小并输出，同时根据步骤a中转化后的数字信号计算新增益值，并用计算出的新增益值更新当前给定增益值，然后返回步骤a。本发明还同时公开了一种信号处理装置，采用该方法和装置能根据输入信号幅值的大小动态调整对输入信号的缩放比率，进而从整体上提高量化SNR。

Description

一种信号处理方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术，特别是指一种提高模数转换(AD)信噪比的信号处理方法及装置。

背景技术

随着信号数字化的发展，由于数字信号如数字音频信号在传输时更方便、抗干扰性更强、更可靠，在处理时处理速度更快、精度更高，因此，经常需要将模拟信号转化为数字信号进行传输和处理。现有技术中，将模拟信号转化为数字信号的处理过程很简单，一般就是直接采用模数转换器(ADC)，将输入的模拟信号进行模数转换，输出数字信号继续进行处理。但是，在将模拟信号通过ADC变成数字信号的过程中，通常会引入量化噪声，输入信号与量化噪声的信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)可根据公式(1)得到：

SNR＝6.02B+1.76+10*log₁₀(f_m/2*f_max) (1)

公式(1)中，B为量化位数，f_m为采样频率，f_max为输入模拟信号的最高带宽。

从公式(1)可以看出，信号量化后的位数每增加1位，SNR就会提高约6dB。那么，对于幅值较大的输入信号，有效的量化位数就越多，就能获得较高的SNR；而对于幅值较小的输入信号，有效量化位数相对少，所以信号量化后只能获得较低的SNR，甚至可能出现小信号在量化后完全被噪声污染的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种信号处理方法，能根据输入信号幅值的大小动态调整对输入信号的缩放比率，进而从整体上提高量化SNR。

本发明的另一目的在于提供一种信号处理装置，能利用自动增益控制对输入信号的放大缩小比率动态调整，从而提高模数转换中的量化SNR。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种信号处理方法，该方法包括以下步骤：

a.将当前要进行模数转换的模拟信号根据当前给定增益值进行放大，再将放大后的模拟信号转换为数字信号；

b.将步骤a中转化后的数字信号按照当前给定增益值进行缩小并输出，同时根据步骤a中转化后的数字信号计算新增益值，并用计算出的新增益值更新当前给定增益值，然后返回步骤a。

上述方案中，步骤b中所述根据转化后的数字信号计算新增益值具体包括：

b1.以样本块为单位对转化后的数字信号样本进行低通滤波，并通过计算得到包络信号；

b2.统计所有包络信号的最大值，并根据所统计的包络信号最大值和数字信号的满幅值计算得到调整因子；

b3.根据所得到的调整因子计算出新增益值。

其中，步骤b1中所述计算包络信号具体为：当前包络信号为当前信号样本的绝对值与权重因子之积加上前一包络信号与1减权重因子之积，其中，权重因子的值为0.2或为0.01。

步骤b2中所述计算得到调整因子具体为：将数字信号的满幅值与限幅因子之积除以包络信号最大值作为调整因子；其中，限幅因子的取值范围为0.5至0.7。这里，所述限幅因子的取值为0.6。

步骤b3中所述计算新增益值具体为：对调整因子以10为底取对数，之后将对数值乘以20作为新增益值。

上述方案中，步骤b1中所述样本块长度的取值范围为64个样本至256个样本之间。较佳的，步骤b1中所述样本块长度为64个样本。

该方法进一步包括：设置第一阈值、第二阈值和第三阈值；则步骤b2中统计出包络信号最大值之后，该步骤进一步包括：判断所统计的包络信号最大值是否小于第一阈值，如果小于，则当前给定增益值保持不变；如果不小于，再判断所统计的包络信号最大值是否处于第二阈值与第三阈值之间，如果是，则当前给定增益值保持不变；否则，继续计算调整因子。

上述方案中，该方法进一步包括：在步骤a之前，设置所述当前给定增益值初始值为0dB。

本发明还提供了一种信号处理装置，该装置包括：

信号放大单元，用于对所接收的模拟信号根据给定增益值进行放大，并将放大后的模拟信号送入模数转换单元；

模数转换单元，用于将输入的模拟信号转化为数字信号，并将数字信号输出至自动增益控制单元和数字信号控制单元；

自动增益控制单元，用于根据输入的数字信号调整给定增益值，并将调整后的给定增益值输出给信号放大单元和数字信号控制单元；

数字信号控制单元，用于将输入的数字信号根据给定增益值缩小后输出。

其中，所述信号放大单元为可编程增益放大器。所述数字信号控制单元采用数字信号处理芯片、或专用芯片。所述自动增益控制单元采用数字信号处理芯片、或专用芯片。所述数字信号控制单元和自动增益控制单元采用同一个数字信号处理芯片、或采用同一个专用芯片。

本发明所提供的信号处理方法，先将要进行模数转换的音频信号放大，再对放大后的音频信号进行模数转换，然后再将转换后的数字音频信号按照放大的倍数缩小。由于放大时仅放大的是音频信号，而缩小时是对音频信号和量化噪声同时等比缩小，并且，缩放比率可根据输入的模拟音频信号的大小动态调整，因此，这样就可以通过改变模拟音频信号的幅值，对小信号多放大，大信号少放大或缩小，可以整体上提高量化SNR。

附图说明

图1为本发明信号处理装置的组成结构示意图；

图2为本发明信号处理方法的实现流程图；

图3为本发明方法中自动增益控制单元动态调整增益值的处理流程图。

具体实施方式

自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)是一种通过改变输入信号的增益(Gain)值来调整信号幅值，使信号幅值限制在一个固定范围内的算法。目前，AGC算法在音频领域的应用，大多是用于调整音频信号的响度，使信号的音量保持在一个稳定响度，而不是忽大忽小。本发明正是想利用AGC能够动态调整、保持信号状态稳定的特点，对模拟音频信号的幅值进行动态调整。

本发明的核心思想是：对模拟音频信号在进行转化前先放大，在将放大的模拟音频信号转化为数字音频信号之后，再将数字音频信号按照之前放大的比例进行缩小。这里，对模拟音频信号进行放大的比例和对数字音频信号进行缩小的比例，是根据所输入的模拟音频信号的大小通过AGC动态调整的。其中，所述放大是指增大或减小音频信号的幅值。

如图1所示，本发明所提供的信号处理装置包括：信号放大单元11、模数转换单元12、自动增益控制单元13以及数字信号控制单元14，其中，信号放大单元11用于将输入的模拟音频信号x(t)根据给定的增益值进行放大，并将放大后的模拟音频信号送至模数转换单元12；模数转换单元12用于将模拟信号转化为数字信号，并将转化后的数字信号x(n)同时送入自动增益控制单元13和数字信号控制单元14；数字信号控制单元14用于根据给定的增益值对所收到的数字音频信号进行缩小，并输出缩小后的数字音频信号y(n)；自动增益控制单元13用于对模数转换单元12输出的信号样本x(n)进行低通滤波并统计，根据当前统计出的输出信号样本的最大值和模数转换单元12输出信号的满幅值计算调整因子，再根据调整因子计算出给定增益值，将计算出的给定增益值同时送至信号放大单元11和数字信号控制单元14，使信号放大单元11和数字信号控制单元14能根据给定增益值动态调整音频信号的大小。

这里，信号放大单元11可采用可编程增益放大器(PGA)；模数转换单元12一般采用模数转换器；自动增益控制单元13可采用专用芯片或数字信号处理(DSP)芯片实现；数字信号控制单元14可采用DSP芯片或专用芯片实现。信号放大单元11所采用的给定增益值与数字信号控制单元14所采用的给定增益值相等；自动增益控制单元13和数字信号控制单元14可使用同一个DSP芯片或同一个专用芯片。

基于图1所示的装置，本发明的信号处理方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤201：将当前要进行模数转换的模拟音频信号x(t)按照当前给定增益值Gain进行放大。这里，给定增益值Gain由自动增益控制单元给出，以dB为单位，给定增益值Gain的初始化值为0dB。另外，对模拟音频信号的放大可由PGA完成。

步骤202：将放大后的模拟音频信号转换为数字音频信号x(n)并输出。

步骤203：对x(n)信号的幅值按照当前给定增益值进行缩小，以补偿PGA的放大；在对x(n)信号进行缩小的同时，自动增益控制单元根据步骤202输出的数字音频信号动态调整给定增益值，即根据输出的数字音频信号计算新的增益值，并用计算出的新增益值更新当前给定增益值；然后返回步骤201，表示对本次接收的模拟音频信号处理完毕，继续对下一段接收到的模拟音频信号进行处理。

本步骤中，自动增益控制单元根据步骤202输出的数字音频信号动态调整给定增益值，如图3所示具体包括以下步骤：

步骤301：自动增益控制单元以样本块(sample block)为单位，对步骤202输出的数字音频信号样本x(n)进行低通滤波，并根据公式(2)得到包络信号e(n)：

e(n)＝α|x(n)|+(1-α)e(n-1) (2)

其中，α为权重因子，在attack阶段|x(n)|＞e(n-1)，此时α＝0.2；其他阶段α＝0.01。通常，音频信号的变化可分为上升、保持和降低几个阶段，这里所述的attack阶段就是指上升阶段，保持和降低属于其他阶段。

步骤302：自动增益控制单元统计所有包络信号的最大值Emax，Emax＝Max(e(n))，也就是说，自动增益控制单元获取L个样本中的最大值。

其中，n为0，...，L-1，L表示sample block的长度，通常sample block的长度可设置在64至256之间。

步骤303：自动增益控制单元根据统计获得的Emax以及模数转换输出数字信号的满幅值MAX_VALUE，按照公式(3)来计算调整因子adjust_factor。

adjust_factor＝MAX_VALUE*Limiter_factor/Emax (3)

公式(3)中，Limiter_factor为限幅因子，用以调整满幅值，该值不超过1.0，通常取值范围在0.5至0.7之间，该值的大小可根据样本变化的动态范围确定。

步骤304：自动增益控制单元根据步骤302计算出的调整因子，计算得到新增益值new_Gain，new_Gain＝20*log₁₀adjust_factor，即将调整因子转换分贝(dB)值；并用新增益值更新当前给定增益值Gain。其中，new_Gain值可能大于零，也可能小于零。

在图3所示的处理流程中，为了防止给定增益值Gain变化过于频繁，造成输出信号的频谱失真，可通过设置阈值的方式对给定增益值Gain的变化进行约束。具体做法是：

定义三个阈值：NL、LL和UL，其中，NL作为噪声(noise)阈值，如果Emax小于NL，可以认为是noise信号，则保持Gain值不变；LL和UL用于定义一个控制的目标范围，如果Emax落在该范围内，可以认为达到了控制目标，则可以保持Gain值不变。NL、LL和UL一般根据试验数据或仿真结果确定。

相应的，在步骤302中可以增加判断的操作，具体是：统计出Emax之后，先判断Emax是否小于NL，如果是，则保持Gain值不变；如果不小于NL，则再判断Emax是否处于LL和UL之间，如果是，则保持Gain值不变；如果Emax不在LL和UL之间，则继续执行步骤303。

当Gain值增加，即new_Gain＞0时，可以让Gain值只增加一个固定值，比如：以1.5dB作为增加的步长值；当Gain值减少，即new_Gain＜0时，为了防止放大后信号x(t)出现溢出(Overflow)，这种情况下，不限制调整步长，可直接用当前正使用的给定增益值和新增益值得出新的当前给定增益值，即：Gain＝Gain+new_Gain。

由于AGC算法的增益调整是后向反馈，每隔L个样本调整一次，实际上，是使用t时刻样本块来估计t+1时刻样本块，增益调整具有滞后效应，容易出现放大后信号发生Overflow的现象。如果由于Overflow引起的失真大于量化噪声的失真，将会导致系统的SNR下降，因此，本发明中需要对Limiter_factor参数和sample block的长度L设置合理的值，比如：取Limiter_factor＝0.6，sampleblock的长度L＝64，一般的原则是保证Overflow样本比例不超过2％，这样才能真正达到有效提高SNR的效果。

根据实际测试，当Limiter_factor＝0.6，sample block的长度L＝64个样本时，比较使用本发明AGC进行调整的方法和未使用AGC算法调整的SNR值，对于动态范围小的语音信号，SNR约提高了15dB；对于动态范围较大的语音信号，SNR约有10dB的提高，可见，本发明在提高SNR方面具有很明显的效果。

本发明的装置和方法不仅适用于对音频信号的处理，还可以用于对其它信号的处理，总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1.一种信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中所述根据转化后的数字信号计算新增益值具体包括：

b3.根据所得到的调整因子计算出新增益值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤b1中所述计算包络信号具体为：当前包络信号为当前信号样本的绝对值与权重因子之积加上前一包络信号与1减权重因子之积，其中，权重因子的值为0.2或为0.01。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤b2中所述计算得到调整因子具体为：将数字信号的满幅值与限幅因子之积除以包络信号最大值作为调整因子；其中，限幅因子的取值范围为0.5至0.7。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述限幅因子的取值为0.6。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤b3中所述计算新增益值具体为；对调整因子以10为底取对数，之后将对数值乘以20作为新增益值。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤b1中所述样本块长度的取值范围为64个样本至256个样本之间。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤b1中所述样本块长度为64个样本。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：设置第一阈值、第二阈值和第三阈值；

则步骤b2中统计出包络信号最大值之后，该步骤进一步包括：判断所统计的包络信号最大值是否小于第一阈值，如果小于，则当前给定增益值保持不变；如果不小于，再判断所统计的包络信号最大值是否处于第二阈值与第三阈值之间，如果是，则当前给定增益值保持不变；否则，继续计算调整因子。

10.根据权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：在步骤a之前，设置所述当前给定增益值初始值为0dB。

11.一种信号处理装置，其特征在于，该装置包括：

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述信号放大单元为可编程增益放大器。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述数字信号控制单元采用数字信号处理芯片、或专用芯片。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述自动增益控制单元采用数字信号处理芯片、或专用芯片。

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述数字信号控制单元和自动增益控制单元采用同一个数字信号处理芯片、或采用同一个专用芯片。