CN101459415A - 一种数字音频领域中的音量自动控制方法及电路 - Google Patents
一种数字音频领域中的音量自动控制方法及电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种数字音频领域中的音量自动控制方法及电路，该音量自动控制电路包括峰值检测模块、线性到对数转换模块、增益产生模块、增益控制模块、数据输出模块以及对输入数据进行延迟的延迟模块；以及接到线性到对数转换模块的只读存储器模块和接到增益控制模块的时钟计数器模块；用户音频数据经过模拟到数字转换后输入至所述的音量自动控制电路，所述的音量自动控制电路自动监控输入信号的最大幅值，然后与用户设置的音量幅值进行比较，根据比较的结果自动连续调整控制增益来达到用户设定的音量幅值。该电路可有效地控制音频信号的输出幅度，以避免突来的陡然激增的音响为用户带来不舒适的听觉感受。
Description
技术领域
本发明涉及一种音量自动控制的方法及其电路，尤其是指一种数字音频领域中的音量自动控制方法及电路。
背景技术
电视广播和无线电广播历来深受广大民众的喜欢，成为民众了解时事政治和享受文体娱乐的主要途径之一。但是，无论是时事报道热点访谈之类的新闻类节目，还是影视音乐之类的娱乐性节目，都时常夹杂着各种各样的宣传广告。通常，广告商为了增强宣传效果，加大传播的力度，往往设计出一些不同凡响的音效来作为宣传广告的开场白，例如一些陡增的音响来吸引民众的注意，或者提高正常节目中间插播的广告的音量。在某些特定的时间、场合下，这些突如其来的不和协的音调和音响带给民众非常不舒服的感受。现有技术都只是针对音量输出的幅度进行统一的增加或者减小，而不能对音量信号中的随机、突发变化进行控制，所以实际应用中难以避免上述情况的出现。
专利号为200410084740.4的发明专利从对模拟信号进行调整的角度提出了如下技术方案：通过检测模拟端可编程增益放大电路输出的音频信号的峰值电压，并将峰值电压通过ADC转换器转换成数字信号，然后在数字端与经过CPU预先设置的数值相比较，将比较的结果再反馈到模拟端的可编程增益放大电路自动调整放大增益，使模拟端输出电压限制在预设范围内。
上述技术方案一定程度上解决上述音量突变的问题，但该系统需要将模拟与数字相结合，而不是在单纯的模拟领域或者数字领域解决问题，算法相对复杂，导致设计成本过高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有音频处理技术在音量自动调节方面存在的缺陷，提出一种可以由数字算法实现的音量自动调节的方法及电路，使得用户在运用现有的音频设备时能有效地将输出的音量控制在预先设定的范围之内，保持恒定的输出音量值，以防止突然激增的音响。
为了实现上述目的，本发明提出了一种音量自动控制的方法：用户音频数据经过模数转换后输入至所述的音量自动控制电路，所述的音量自动控制电路自动监控输入信号的最大幅值然后与用户设置的音量幅值进行比较，根据比较的结果自动连续调整控制增益来达到用户设定的音量值，包含有如下步骤：
步骤1：用户根据需求设置音量控制的参数，打开自动音量控制单元；
步骤2：将经过模拟到数字转换的用户音频数据输入峰值检测模块实时检测峰值；
步骤3：将检测到的峰值进行线性域到对数域的转换；
步骤4：将转换后的对数域峰值与用户设置的对数域目标音量进行比较并计算出增益差值；
步骤5：将对数域增益差值解析成一组线性系数：即进行对数域到线性域的转换；
步骤6：将线性系数与延迟后的输入数据做乘、加运算后输出。
其中：所述的步骤2是对音频数据的峰值进行检测；其峰值检测可以按照一定的时间间隔进行，该时间间隔可由用户进行设置。
所述的步骤3，将检测到的峰值进行线性域到对数域的转换的步骤为：将检测到的峰值通过查表的方法转换到对数域。
当检测到音频信号的峰值小于用户设置的目标音量的值时，音频信号按照一定的速度增强，直到达到目标音量，所述的音频信号增强的速度可以是一个变量，可由用户进行设置。
当检测到音频信号的峰值大于用户设置的目标音量的值时，音频信号按照一定的速度衰减，直到达到目标音量，所述的音频信号衰减的速度可以是一个变量，可由用户进行设置。
当检测到音频信号的峰值小于用户设置的目标音量的值时，音频信号在增强之前，可以设置一个保持(延迟变化)时间，所述的保持时间可以是一个变量，可由用户进行设置。
该方法还包含有对输入信号为极大信号时的音量控制方法，具体为：当检测到输入音频信号的峰值大于某个特定的值时，音量自动控制电路将以一个固定的最高的衰减速度将音量衰减到该特定的值后再以用户设置的衰减速度衰减到目标音量。
该方法包含有对输入信号为极小信号时的音量控制方法，具体为：当检测到输入音频信号的峰值小于用户设定的某个阈值时，根据用户的设置可分3种处理方法：(1)保持原值输出；(2)衰减到-96dB(静音)输出；(3)增强到目标音量输出。
该方法可对单一通道的音频信号进行自动调节，也可同时对双通道甚至多通道的音频信号进行自动调节。
为了实现上述目的，本发明还提出了一种音量自动控制的电路，包含有依次连接的峰值检测模块、线性到对数转换模块、增益产生模块、增益控制模块、数据输出模块以及对输入数据进行延迟的延迟模块；以及接到线性到对数转换模块的只读存储器模块和接到增益控制模块的时钟计数器模块。
用户音频数据经过模拟到数字转换后输入至所述的音量自动控制电路，所述的音量自动控制电路自动监控输入信号的最大幅值，然后与用户设置的音量幅值进行比较，根据比较的结果自动连续调整控制增益来达到用户设定的音量幅值。具体包括：用户音频数据经过模拟到数字转换后输入至所述峰值检测模块，并将检测到的线性域峰值信号通过所述线性到对数转换模块转换到对数域，然后将该对数域输入到所述增益产生模块，与用户设定的目标音量值进行比较并计算出增益差值，将对数域增益差值在所述增益控制模块中转换至线性域，最后与经过延迟的音频数据在所述数据输出模块进行乘、加运输后输出。在上述音量自动调整之前，用户可以根据自己的需求设置峰值检测的时间间隔、目标音量的幅值大小、增益调整的范围以及音量增强和衰减的速度等一系列参数。
该电路所有的模块都由数字电路实现。
如上所述，本发明具有如下效果：
本发明的自动音量控制方法及电路，可以有效地控制或限制音频信号的输出幅度，从而可以避免和防止突然其来的陡然激增的音响，为用户提供一种舒适的听觉感受。并且全数字的实现方法更简洁有效，降低了设计的布图面积和设计成本。
为进一步说明本发明的上述目的、方法与效果，以下将结合附图及优选实例对本发明进行详细的描述。
附图说明
图1为运用本发明的典型音频模数转换器产品结构示意图；
图2为自动音量控制电路的模块结构图；
图3为自动音量控制方法示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施案例是将自动音量调节方法及电路运用在一模数转换器(ADC)芯片上，附图1给出了一典型的运用本发明提供的音量自动调节方法与电路的音频模数转换器产品结构示意图，所述的音频模数转换器在一硅管芯片100上，主要由以下模块组成：前置PGA/多位∑-Δ调制器1、2(分别接模拟输入AOUTL、AOUTR管脚)，梳状/抽取滤波器3、4，自动音量控制电路5，音频串行口6(接输入管脚BCLK、LRCK和输出管脚SDATA)，时钟管理器/采样率检测器7(接主时钟管脚MCLK)，芯片状态机CSM8，串行控制端口9(接SCLK、SDIN、CSB管脚)以及参考电压电流产生器10。其中：
前置PGA/多位∑-Δ调制器1、2和梳状/抽取滤波器3、4：把输入模拟音频信号转化成数字音频信号，并把低分辨率(典型值是1位到6位)、高采样频率(典型值是输入频率的32到128倍)的数字音频信号转化为高分辨率(典型值是16位到24位)、低采样频率(典型值是8KHz到200KHz)的数字音频信号。
自动音量控制电路5：接收转化后的数字音频信号并把音量自动调整到用户设定的音量幅值输出。
音频串行口6：从自动音量控制电路接收并行数据，并根据串行控制端口9设置的工作模式转化成串行数据从管脚SDATA输出。
时钟管理器/采样率检测器7：自动检测和提供用户时钟模式的各种时钟信号。
芯片状态机CSM8：控制着芯片正常和省电两种模式转换的开关程序。
串行控制端口9：从SCLK、SDIN、CSB管脚设置各种工作模式。
参考电压电流产生器10：产生硅管芯片的参考电压与电流。
附图2为所述的音量自动控制电路5的模块结构图，包括以下模块部分：峰值检测模块11、线性到对数转换模块12、增益产生模块13、增益控制模块14、数据输出模块15、对输入数据进行延迟的延迟模块16、接到线性到对数转换模块的只读存储器模块17以及接到增益控制模块的时钟计数器模块18。
通过该音量自动控制电路5进行音量自动控制的方法，包含下述步骤：
步骤101：用户根据需求设置音量控制的参数，打开自动音量控制单元。
步骤102：将经过模拟到数字转换的用户音频数据输入峰值检测模块11按一定的时间间隔实时检测峰值。
步骤103：将检测到的峰值通过查表的方式进行线性域到对数域的转换12。
步骤104：将转换后的对数域峰值与用户设置的对数域目标音量通过增益产生模块13进行比较并计算出增益差值输出到增益控制模块14。
步骤105：增益控制模块14将增益差值解析成一组线性系数：即进行对数域到线性域的转换。
步骤106：将线性系数与延迟后的输入数据做乘、加运算后输出到输出模块15。
下面展开说明：
上述步骤101中，用户在使用音量自动控制功能之前可以通过硅管芯片上的串行控制端口9选择设置峰值检测的时间间隔，目标音量的大小、增益调整的范围以及音量增强和衰减的速度等一系列参数，也可以直接运用缺省设置，然后打开音量自动控制单元。
上述步骤102中，进行峰值检测前，先对输入音频数据进行取绝对值的运算，然后将输入音频数据按照用户设置的时间间隔进行划分，比如N个采样数据为一段(N为48～496)，称为一个检测窗，峰值检测以检测窗为单位进行，一个检测窗检测出一个峰值。
上述步骤103中，只读存储器17(参见附图2)中预先存储了与对数域音量(0dB～-96dB)相对应的线性域的值，然后用检测到的线性域峰值寻址该只读存储器，与线性域峰值相对应的只读存储器的地址经过解码后得到对数域音量值。
上述步骤104中，转换后的峰值与用户设置的目标音量比较的结果可以分为三种情况，下面结合图示3具体说明。
第一种情况：转化后的峰值大于目标音量的情况，此时计算出的增益差值为负值，表明输入的音频信号需经过衰减才能达到目标音量，参见附图3，衰减以一定的步长进行(如1/4dB，1/2dB，1dB等等)，每衰减一个步长的音量所需的时间即为衰减时间(attack time)，该时间可由用户通过串行控制端口进行设置。当增益差值由负值缓变到零时，输入音频信号随之缓变到目标音量输出。
第二种情况：转化后的峰值小于目标音量的情况，此时计算出的增益差值为正值，表明输入的音频信号需经过增强才能达到目标音量，参见说明书附图3，增强也以一定的步长进行(1/4dB，1/2dB，1dB等等)，每增强一个步长的音量所需的时间即为增强时间(decaytime)，该时间可由用户通过串行控制端口进行设置。当增益差值由正值缓变到零时，输入音频信号随之缓变到目标音量输出。
第三种情况：转化后的峰值等于目标音量的情况，此时计算出的增益差值为零，表明输入的音频信号的音量与目标音量相同，不需要进行处理直接输出即可。
上述第一种情况中，假如输入音频信号的音量极大，甚至超出了某个特定的阈值，所述的自动音量控制方法先将输入音频信号以一个固定的最大的衰减速度衰减到所述的特定阈值，然后再按用户设置的衰减速度衰减到目标音量。
上述第二种情况中，假如输入音频信号的音量极小，甚至低于用户设置的阈值，比如某段音乐很安静或者完全由一些低噪声组成的情况下，正常的增强的功能可能会导致噪声放大(noise pumping)，本发明的音量自动控制方法可按用户的设置分三种情况处理：(1)保持原值输出；(2)衰减到-96dB(静音)输出；(3)增强到目标音量输出。
上述第二种情况中，当检测到音频信号的峰值小于用户设置的目标音量的值时，音频信号在增强之前，可以设置一个保持时间(hold time)，所述的保持时间是一个变量，可由用户通过串行控制端口进行设置，本案例的缺省保持时间为0。
上述步骤105、106中，先将增益差值解析成一组线性系数，然后在输出模块中将线性系数与输入音频数据进行乘加运算后输出最终经过调整的音频数据。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
Claims (13)
1、一种数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于用户音频数据经过模数转换后输入至一音量自动控制电路，所述的音量自动控制电路自动监控输入信号的最大幅值然后与用户设置的音量幅值进行比较，根据比较的结果自动连续调整控制增益来达到用户设定的音量幅值；具体包含下述步骤：
步骤1：用户根据需求设置音量控制的参数，打开自动音量控制单元；
步骤2：将经过模拟到数字转换的用户音频数据输入峰值检测模块实时检测峰值；
步骤3：将检测到的峰值进行线性域到对数域的转换；
步骤4：将转换后的对数域峰值与用户设置的对数域目标音量进行比较并计算出增益差值；
步骤5：将增益差值解析成一组线性系数，即进行对数域到线性域的转换；
步骤6：将线性系数与延迟后的输入数据做乘、加运算后输出。
2、如权利要求1所述的数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于，所述的步骤2是对音频数据的峰值进行检测。
3、如权利要求1所述的数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于，所述的步骤2中的峰值检测可以按照一定的时间间隔进行，该时间间隔可由用户进行设置。
4、如权利要求1所述的数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于，所述的步骤3，将检测到的峰值进行线性域到对数域的转换的步骤为：将检测到的峰值通过查表的方法转换到对数域。
5、如权利要求1所述的数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于，当检测到音频信号的峰值小于用户设置的目标音量的值时，音频信号按照一定的速度增强，直到达到目标音量，所述的音频信号增强的速度可以是一个变量，可由用户进行设置。
6、如权利要求1所述的数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于，当检测到音频信号的峰值大于用户设置的目标音量的值时，音频信号按照一定的速度衰减，直到达到目标音量，所述的音频信号衰减的速度可以是一个变量，可由用户进行设置。
7、如权利要求1所述的数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于，当检测到音频信号的峰值小于用户设置的目标音量的值时，音频信号在增强之前，可以设置一个保持(延迟变化)时间，所述的保持时间可以是一个变量，可由用户进行设置。
8、如权利要求1所述的数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于，该音量控制方法还包含有对输入信号为极大信号时的音量控制方法，具体为：当检测到输入音频信号的峰值大于某个特定的值时，音量自动控制电路将以一个固定的最高的衰减速度将音量衰减到该特定的值后再以用户设置的衰减速度衰减到目标音量。
9、如权利要求1所述的数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于，其还包含有对输入信号为极小信号时的音量控制方法，具体为：当检测到输入音频信号的峰值小于用户设定的某个阈值时，根据用户的设置可分3种处理方法：(1)保持原值输出；(2)衰减到-96dB(静音)输出；(3)增强到目标音量输出。
10、如权利要求1所述的数字音频领域中的音量自动控制方法，其特征在于，该方法可对单一通道的音频信号进行自动调节，也可同时对双通道甚至多通道的音频信号进行自动调节。
11、一种数字音频领域中的音量自动控制电路，其特征在于包含有依次连接的峰值检测模块、线性到对数转换模块、增益产生模块、增益控制模块、数据输出模块以及对输入数据进行延迟的延迟模块；以及接到线性到对数转换模块的只读存储器模块和接到增益控制模块的时钟计数器模块。
12、如权利要求11所述的数字音频领域中的音量自动控制电路，其特征在于，用户音频数据经过模拟到数字转换后输入至所述峰值检测模块，并将检测到的线性域峰值信号通过所述线性到对数转换模块转换到对数域，然后将该对数域输入到所述增益产生模块，与用户设定的目标音量值进行比较并计算出增益差值，将对数域增益差值在所述增益控制模块中转换至线性域，最后与经过延迟的音频数据在所述数据输出模块进行运输后输出。
13、如权利要求11所述的数字音频领域中的音量自动控制电路，其特征在于，该电路所有的模块都由数字电路实现。
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