CN102118135A - 信号自动增益调整方法与应用该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号自动增益调整方法与应用该方法的装置，主要用于信号于临界值附近调整增益时，能够防止连续增减增益产生的信号不稳定的问题，较佳实施例利用自动增益控制机制，于输出信号之前，在一保持时间先预先增加一预测增益值，用以预先判断信号强度是否会超过预设门槛值，能够在不超过此预设门槛值的状况下调整出适当的增益值，包括自动进入启动时间，以逐渐降低增益，或是执行一般增益调整的机制，进入释放时间，以逐渐提高增益。信号自动增益调整方法是通过预测增益值后，自动进行增益调整，使信号限制于一门槛之下，除了防止突波外，更能产生稳定的信号。

Description

信号自动增益调整方法与应用该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种信号自动增益调整方法与应用该方法的装置，尤其涉及应用在声音信号接近爆音状态时，能够维持于一临界值之下，避免现有的自动增益机制产生的不稳定情况。

背景技术

自动增益控制(Automatic gain control，AGC)技术应用于很多的电子装置上，尤其是用在具有音频输出的装置上。在自动增益控制的机制下，会回馈电子装置输出信号的平均值，用以调整输入信号的增益(gain)，能够降低过大的音量，或是提升过小的音量，使信号强度分布过广的输出音频不至于在过大或过小音量间震荡而产生不舒服的聆听感受。

自动增益控制也可应用于录音的技术，通过上述自动调整信号过大时的增益，能有更好得录音品质。比如，录音当中突有个很大而非预期的声响，可能造成聆听录音的人极度的惊吓，所以当下即刻调整增益的机制可以遏止这种状况。

自动增益控制机制中设定有一预设增益值。播放声音时，当声音音量超过一门槛值时，会产生爆音，此时一般的自动增益控制机制会由闲置状态启动，进入一启动时间(Attack time)，随时间递减一增益值，于一特定时间之后，进入保持时间(Hold time)，这段时间并不调整增益值，维持一段时间后，再进入释放时间(Release time)，以逐步递增增益值至自动增益控制机制中的预设增益值。之后，自动增益控制机制又回到闲置状态，增益可为正值或负值。

图1显示为经过传统自动增益控制处理的信号。声音信号原处于一稳定输出的状态，当声音强度(如音量)大于最大临界值(max threshold)时，即启动自动增益控制机制，如上段所述，将进入启动时间，使增益递减。之后进入保持时间，再于一特定时间后，进入释放时间。但此图显示，当声音强度于接近最大临界值时，由于释放时间内的增益将逐步加上一增益(enhance gain)，使得声音强度又会超过最大临界值。

如此一来，因为自动增益控制机制会由于超过最大临界值会进入启动时间，声音强度再减掉特定增益值，之后再进入保持时间与释放时间，又加上增益。但是，在此机制下，可能因为声音徘徊在最大临界值，导致在短时间内多次进入减掉增益的启动时间与加上增益的释放时间，产生如图1所示的锯齿状噪声或削(Clip)波的产生，其中产生不少噪声，如图中所指的噪声101。如果声音强度一直在最大临界值附近游走，那么锯齿状波形或削波会周期性的产生，让听的人不舒服。

图2则显示现有的自动增益控制机制在释放时间时会产生噪声的波形示意图。此图显示为放大图1的一部分，明显可知，当保持时间维持一段时间后，即进入欲将增益加回原预设增益值的释放时间，而可能因为声音信号强度徘徊于最大临界值附近，而很快即又产生爆音，再进入启动时间，以递减增益，使之不超过最大临界值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种信号自动增益调整的机制，使有引用自动增益控制(AGC)的音频装置能有更好的播放与录音品质，尤其当输入的声音强度在临界值附近游走时，不会产生因为其中释放时间与启动时间之间在短时间之内切换产生的噪声，本发明的信号自动增益调整的机制可应用于游戏机、游戏软件、声音播放/录音装置、模数转换器(ADC/DAC)、麦克风等需要避免经音频增益调整产生噪声的装置上。

其中信号自动增益调整方法的实施例包括先接收信号，主要实施例可针对声音信号，并进行取样，在一般自动增益控制机制下，原始信号会加上一固定增益值(正值或负值)，得出新信号，之后随时判断新信号的强度是否大于一最大临界值，也就是可能会出现爆音的临界值。

若是新信号的强度不大于最大临界值，即继续以在当下自动增益机制下的增益值输出信号，并继续接收信号；若是新信号的强度大于最大临界值，则启动自动增益控制机制，进入一启动时间(Attach time)，并自动渐次降低增益，递减新信号的强度，直到小于或等于最大临界值，再进入保持时间(Hold time)。本发明于此时进入保持时间后，一般增益值不变，但执行预加一预测增益值的步骤，借此能够预测经预加预测增益值的信号强度是否大于一预设门槛值，若经预加预测增益值的信号强度大于此预设门槛值，会继续判断是否大于最大临界值，若仍大于最大临界值，即进入启动时间，进行递减增益值的工作；此时，经预加增益的信号大于预设门槛值，但不大于最大临界值，仍保持在保持时间内。

在保持时间内，若是经预加预测增益值的信号强度不大于预设门槛值时，经保持增益一段时间后，执行自动增益控制程序，进入释放时间(Releasetime)，以递增增益值，直到经递增的信号强度不大于最大临界值，且能恢复到原本的自动增益机制下的增益值，也就是信号强度等于原始的信号加上原本自动增益机制下的固定增益值(可为正值或负值)。在上述增益调整的时段，同时输出经递增或递减的信号，并继续接收信号的步骤。

本发明的有益效果在于，本发明信号自动增益调整方法为通过先增加增益的信号强度来预测下一时间的信号是否会产生有非预期的突波，进而执行增益调整，以避免不适当的信号输出，可以消除不舒服的爆音。

附图说明

图1显示为经过传统自动增益控制处理的信号图；

图2显示现有的自动增益控制机制在释放时间时会产生噪声的波形示意图；

图3A显示为在现有自动增益控制机制下的信号波形图；

图3B显示为在本发明自动增益控制机制下的信号波形图；

图3C显示进入启动时间、保持时间与释放时间的增益变化示意图；

图4为通过本发明信号自动增益调整方法处理过的信号图；

图5为本发明信号自动增益调整方法的概念流程图；

图6为本发明信号自动增益调整方法的实施例流程图。

其中，附图标记说明如下：

爆音101            最大临界值标示301，302

模数转换单元703    爆音303

执行方向304，305

具体实施方式

自动增益控制机制主要特色是在信号发展时，检测到爆音时，能够迅速进入一启动时间(Attack time)，逐渐减少增益，并于一定时间后，进入一保持时间(Hold time)，此时为固定增益的状态，再于一段时间后，进入释放时间(Release time)，期间是递增增益的阶段，使增益值能够恢复到原有正常运作的值。

自动增益控制机制主要用途是能够通过自动增益的调整来遏止声音强度，如音量，在超过最大临界值时产生的爆音现象，主要的方式是通过信号检测，当有取样的信号超过最大临界值时，能够马上进入启动时间，自动调降增益，将超过最大临界值的信号拉回，以避免连续的爆音。

但是，若是声音信号强度持续出现在接近最大临界值的附近时，会因为自动增加增益的关系，常常出现爆音，虽有自动增益控制能够实时进入启动时间，但是又可能因为下次进入释放时间，因为递增增益的关系，又再一次产生爆音，如此信号在临界值左右时，常会发生声音信号上上下下自动调整的情况，而产生信号不稳定，或是造成聆听上不舒服的困扰。

请参考图3A，其显示为在现有自动增益控制机制下的信号波形图，其中波形为持续输出的信号，纵轴上的最大临界值标示为301与302，信号超过最大临界值就会产生爆音，最初显示虽波形有起伏变化，但是保持时间并未有增益的调整，若进入释放时间，会递增增益值。当信号慢慢增加而产生突波时，如图中所框出的爆音303，即刻进入启动时间，降低增益，以锐利下降的波形反应。亦可参考图2。

而应用本发明自动增益控制机制下的信号波形图，则可参考图3B，主要是因为通过预先增加增益的方式预测下一个时间的信号强度，借此将信号限制于特定门槛之下，除了免除爆音外，更能免除一段时间接近临界值时，因为现有自动增益控制下可能产生连续增益调整而产生连续爆音刺耳的问题。

再参考图3C，图3C显示进入启动时间、保持时间与释放时间的增益变化示意图。一般启动自动增益控制机制前，系统处于闲置时间(idle)，此时增益值可能维持一定值，当有信号超过最大临界值时，即启动此自动增益控制。

如图所示的范例，闲置时间增益为+5，当启动自动增益控制时，即进入一启动时间(Attack Time)，此时如图中虚线表示的增益变化，增益将由原来的+5逐渐递减0.5，成为+4.5、+4.0至设定的低点(gain＝-2.0)，也就进入一保持时间(Hold Time)。

进入保持时间后，增益维持不变，此例为-2.0，于一段时间(可能仅为微秒(ms))后，进入释放时间(Release Time)。在释放时间中，增益将递增，如此例递增值为+0.5，增益将由-2.0、-1.5、-1.0改变至+5.0，为预设的高点，即进入闲置时间。

特别的是，本发明所提出的自动增益控制机制，是在保持时间中，通过预加一预测增益值判断是否下一个时间可能会产生超过最大临界值，也就是产生爆音的情况。经预测后，若是会产生爆音，则会强制进入启动时间，即如图中虚线304显示的执行方向，若是不会有爆音，则循着标准的自动增益控制的程序，进入释放时间，如图中虚线305所标示的执行方向。

本发明提供的信号自动增益调整方法，主要是在自动增益控制算法之下，在保持时间加入预测信号强度的机制，其中特征包括建立一种回馈机制决定是否要从保持时间进入释放时间，并利用可调的预测值，预测下一时间的声音信号强度。若预测的声音信号强度大于此预测值，随即进入启动时间，下调增益值，避免声音强度在接近最大临界值时频繁在保持时间、释放时间与启动时间中循环，减少边界值增益的调整，达到降低锯齿状噪声及削(Clip)波的功能，如图4显示的通过本发明信号自动增益调整方法处理过得信号图。本发明可以让输入的声音振幅在边缘值附近游走时，不会产生爆音。

上述可调的预测值(Pre_Threshold)，其一实施例可等于最大临界值(Threshold)减去一预测增益值(pre_gain)，也就是：

Pre_Threshold＝Threshold-pre_gain

请参考图5显示本发明利用预加预测增益值的信号自动增益调整方法的概念流程图，而实际应用并不限制于声音信号处理。

此流程主要显示在本发明自动增益调整机制下进入启动时间、保持时间与释放时间的判断方式。步骤开始之前，将由一音频装置(包括音频输出装置、录音装置)接收原始信号，系统还引用一增益值，对信号进行取样(sampling)，由取样的声音信号执行本发明信号自动增益调整方法，期间，同时调整增益与输出经增益调整的信号。

此机制接着如步骤S501所示，由程序进入保持时间后开始，此时系统的增益可为正值或负值，在本发明提供的机制下，先将取样的信号预加一预测增益值(步骤S503)，得出用于预测的新信号，并判断此新信号强度是否大于所预先针对特定系统设定的预设门槛值(步骤S505)，此预设门槛值可为比最大临界值(也就是接近爆音的上限值)为小的值，借以规范增益的调整范围。

若步骤S505的判断为否，表示此时信号经过预先加上预测增益值后仍不会大于预设门槛值，若是预加预测增益值后，声音信号强度不会大于预设门槛值，表示此时输出的声音信号相对来讲比较不会产生爆音，则执行步骤S513，进入一般自动增益控制流程。此时增益则根据一般信号自动增益控制而调整，比如，由保持时间进入释放时间，增益将以递增方式调整，再经闲置时间后，又再一次进入步骤S501所示的保持时间中，再执行本发明所提出的自动增益调整程序。

经步骤S505判断后，若为是，表示经预加增益后，信号强度大于预设门槛值，则再判断是否大于最大临界值(步骤S507)，最大临界值为系统产生不稳定信号的临界值，此时以最大临界值判断是否主动进入启动时间。若为否，表示此时信号经预加增益放大后，虽已大于预设门槛值，但仍未大于最大临界值，则持续保持在保持时间中(步骤S501)，持续以预加增益的方式判断是否会有不稳定信号。

若判断为是，表示信号经预加增益放大后，不仅大于预设门槛，更会大于最大临界值，此时表示信号在实际状况(非预加信号)下可能在经过增益调整后会超过最大临界值，即自动进入启动时间(步骤S509)，就当下的增益值再递减增益(步骤S511)。接下来再回到步骤S507，判断信号经递减增益调整后，是否仍大于最大临界值，直到小于或等于最大临界值时，再由启动时间进入保持时间(步骤S501)。

特别的是，上述预测增益值与在启动时间内递减的增益值(此可为一固定差值Δ)为依需求的可调整值，实施例可参考图6。

以下列举一例，此例设定最大临界值100(为音量单位，如dB)，进入保持时间时，也就是执行本发明自动增益调整的程序中，当下的增益值(gain)为-2(可为dB)，预测增益值为+3，预设门槛值则为95，进入保持时间的音量分别为100、90与95等三例，如表1所示：

表1

输入值(进入保持时间)	100	90	95
				预加+3	103	93	98
是否大于等于预设门槛值95	是	否	是
				是否大于等于最大临界值100	是	N/A	否
进入状态	启动时间	一般自动增益控制程序(释放时间)	保持时间
				增益调整	当下为-2之后会续减	当下为-2之后会续增	-2
输出	98(100-2)	88(90-2)	93(95-2)

根据表1显示，若输入系统的信号值为100，经预加+3的预测增益值后，同时大于预设门槛值95与最大临界值100，则主动进入启动时间，此时输出信号将以原有系统增益值-2来进行调整，之后再经启动时间内增益调整；若输入信号为90，经预加+3后，尚未大于预设门槛值95与最大临界值100，则以一般自动增益控制程序来处理；若输入信号为95，经预加+3后，虽大于预设门槛值95，但尚未大于最大临界值100，此时仍维持在保持时间内，持续预测信号强度、判断进入释放时间与启动时间的时机。

图6为本发明信号自动增益调整方法的实施例流程图，其中描述执行自动增益控制机制时增益值与信号强度在本发明方法流程中的变化。

步骤一开始，如步骤S601，自动增益控制机制为闲置状态，也就是所接收的原始信号的强度没有到最大临界值的状态，此期间，一般自动增益调整机制在原始信号输出时固定调整一固定增益值(可为正值或负值)，得出一经调整的新信号(步骤S603)，在自动增益控制机制为闲置状态，音讯或其他信号为持续输出的一般状态。此时间，随时判断此新信号的强度是否大于会产生爆音的最大临界值？(步骤S605)，也就是判断是否产生特别的突波，如爆音，若是产生爆音，立即启动自动增益控制机制，并如步骤S607所述，进入启动时间，信号递减第一增益值(步骤S609)，期间，信号持续以经调整后的增益输出；而若新信号的强度不大于最大临界值，即继续接收信号的步骤(步骤S601)。

在本发明中，为了防止信号在启动本发明自动增益控制机制之前输出可能产生的爆音，特别于强度大于最大临界值时，以一限制器(limiter)限制输出信号，以免超过该最大临界值。

在启动时间，如步骤S607，信号自动增益调整方法仍持续判断经递减的信号是否大于最大临界值？(步骤S611)，若仍大于最大临界值，则继续执行步骤S609递减第一增益值的步骤，直到经调整的信号不大于该最大临界值。同样，期间信号仍持续以调整后的增益输出。若是小于或是等于此最大临界值，则如步骤S613，进入保持时间，此时即执行本发明的信号自动增益调整方法，进入本发明的自动增益控制机制，保持时间会维持一段增益值不变的状态，而于保持时间中，本发明即利用预加一预测增益值进行预测的动作(步骤S615)，预加预测增益值后的信号强度将回馈，用以判断适当的增益值。

如以播放音频为例，取样时延迟一个样本(Sample)，预加预测增益值，以预测下一时间的信号是否大于预设门槛值(步骤S617)，此预设门槛值用以限制输出信号的上限，实施例可为比最大临界值小一点的值。若经预加增益的信号仍大于此预设门槛值，则回到步骤S611，判断信号是否大于最大临界值，此时，经预加预测增益值的信号若同样大于最大临界值，则执行步骤S609，进入启动时间内，将非经预加增益的原信号持续递减第一增益值(此与预测增益值不同意义)，借此第一增益值调整增益，直到不大于该最大临界值，再进入保持时间；在步骤S617中，若是在保持时间中，经预加预测增益值的信号已经不大于预设门槛值，表示可进入释放时间，也就是回到一般自动增益控制的机制中(步骤S619)，以递增第二增益值调整增益(步骤S621)。在释放时间中，增益值将递增，信号同时持续以调整后的增益输出。

接着如步骤S623，在释放时间中仍持续判断经递增增益值的信号强度是否大于最大临界值，若大于最大临界值，表示已经会产生爆音，此时，则回到步骤S609，进入启动时间，以递减第一增益值调整增益；若是在释放时间经递增增益的信号强度不大于最大临界值(否)，并随时判断信号强度是否等于原来强度加上固定增益值(步骤S625)，此步骤主要是因为于释放时间时，增益值将递增，并且能恢复到原始应该有固定增益值，如步骤S603所描述，经上述递增与递减的反复判断，与预设门槛值的限制，能够使输出的音频不再产生连续的爆音，尤其是信号徘徊在最大临界值的情况下。

最后，若为经释放时间递增增益值后，可以使得信号强度等于原来强度加上固定增益值，则回到步骤S601开始的步骤中，否则，应持续处于释放时间递增第二增益值的情况(步骤S621)、判断是否大于预设门槛值(步骤S623)、或利用启动时间调整增益的情况中。

值得一提的是，上述实施例中的信号，可为由音频装置所接收的声音信号，其中声音信号在自动增益控制的机制下将引用一可为正值或负值的增益值，而用于预测强度的预测增益值、用于启动时间的第一增益值、用于释放时间的第二增益值，并用于规范上限的预设门槛值皆可依需求调整，而且第一增益值与第二增益值也可为相同的值。特别的是，预设门槛值可设为比接近爆音的最大临界值小一点的值，以此为上限的判断可将信号限制于一安全范围内，通过本发明的预测机制，更能排除瞬间超过临界值的爆音。

上述发明步骤也可应用于录音的技术，通过自动调整信号过大时的增益，能有更好得录音品质。比如，录音当中突然有个很大而非预期的声响，可能造成聆听录音的人极度的惊吓，所以当下即刻调整增益的机制可以遏止这种状况。

综上所述，本发明信号自动增益调整方法为通过先增加增益的信号强度来预测下一时间的信号是否会产生有非预期的突波，进而执行增益调整，以避免不适当的信号输出，可以消除不舒服的爆音。

惟以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即局限本发明的专利范围，故举凡运用本发明说明书及图示内容所为的等效结构变化，均同理包含于本发明的范围内，合予陈明。

Claims (20)

1.一种信号自动增益调整方法，其特征在于所述的方法包括步骤：

接收一原始信号，并引用一增益值；

取样该信号；

预加一预测增益值，得出一用于预测的新信号；

判断经预加该预测增益值的该用于预测的新信号的强度是否大于一预设门槛值；

若该用于预测的新信号的强度不大于该预设门槛值，则输出该原始信号经一自动增益控制调整后的信号；

若该用于预测的新信号的强度大于该预设门槛值，再判断该新信号是否大于一最大临界值；

若该用于预测的新信号不大于该最大临界值，则输出该原始信号经该自动增益控制调整后的信号；以及

若该用于预测的新信号大于该最大临界值，则递减该增益值，并输出该原始信号经增益调整的信号。

2.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的信号为一音频装置接收的声音信号。

3.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预测增益值、该增益值与该预设门槛值为依需求的可调整值。

4.如权利要求3所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预设门槛值为比该最大临界值小的值。

5.如权利要求4所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的最大临界值为一接近爆音的上限值。

6.如权利要求3所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的增益值为一正值或一负值。

7.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预加一预测增益值的步骤为执行该信号自动增益调整方法进入一保持时间。

8.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若该用于预测的新信号的强度不大于该预设门槛值，该信号自动增益调整方法进入一释放时间。

9.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若该用于预测的新信号大于该预设门槛值与该最大临界值，该信号自动增益调整方法进入一启动时间。

10.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若该用于预测的新信号大于该预设门槛值，但不大于该最大临界值，该信号自动增益调整方法进入一保持时间。

11.一种信号自动增益调整方法，其特征在于所述的方法包括步骤：

接收一原始信号；

取样该原始信号；

该原始信号经一自动增益控制机制，引用一固定增益值调整该信号，得出一新信号；

该原始信号经增加该固定增益值调整后，判断该新信号的强度是否大于一最大临界值；

若该新信号的强度不大于该最大临界值，则继续接收与输出信号的步骤；

若该新信号的强度大于该最大临界值，则进入一启动时间，并将该新信号的强度递减一第一增益值，并输出经增益调整的信号；

判断该经递减该第一增益值的新信号的强度是否大于该最大临界值；

若是在该启动时间内的信号大于该最大临界值，则继续递减该第一增益值，并输出经增益调整的信号，直到经调整的信号不大于该最大临界值；

若是在该启动时间内的信号不大于该最大临界值，进入一保持时间；

进入该保持时间后，经增益调整的信号预加一预测增益值；

判断经预加该预测增益值的信号强度是否大于一预设门槛值；

若该经预加该预测增益值的信号强度大于该预设门槛值，则继续判断经预加增益值的信号强度是否大于该最大临界值，并以该第一增益值调整增益，直到不大于该最大临界值；

若该经预加该预测增益值的信号强度不大于该预设门槛值，则经保持一段时间后，进入一释放时间，以递增一第二增益值调整增益，并输出经增益递增的信号；

该信号经递增该第二增益值后，判断是否大于该最大临界值；

若大于该最大临界值，则进入该启动时间，并以递减该第一增益值调整增益，并输出经增益递减的信号；以及

若小于或等于该最大临界值，且其强度等于该原始信号加上该固定增益值，则输出经递增增益调整的信号，与继续接收信号。

12.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的固定增益为一正值或一负值。

13.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若经该固定增益值调整的新信号的强度不大于该最大临界值，则该自动增益控制机制处于一闲置状态。

14.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，当该经该固定增益调整的信号强度大于该最大临界值时，将以一限制器限制该输出信号，以免超过该最大临界值。

15.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若经增益调整的信号强度并不等于该原始的信号加上该固定增益值的强度，则仍继续于该释放时间递增该第二增益值的步骤。

16.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，于进入该保持时间后，即保持当下已经递减的增益值，并不变动。

17.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预设门槛值为比该最大临界值小的值，使输出信号能限制在一范围内。

18.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的信号为一音频装置接收的声音信号。

19.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预测增益值、该第一增益值、该第二增益值与该预设门槛值为依需求的可调整值。

20.一种应用权利要求11所述的信号自动增益调整方法的装置。

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