CN104518746A - 电子装置与增益控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电子装置与增益控制方法。增益控制方法包括下列步骤：接收声音信号；根据声音信号在过去期间的每一数值计算音量；根据此音量决定增益值；以及使用此增益值放大声音信号，然后存储声音信号。

Description

电子装置与增益控制方法

技术领域

本发明涉及一种处理声音信号的电子装置与方法，且特别涉及一种电子装置与增益(gain)控制方法。

背景技术

现在有很多消费电子装置具有播音与录音功能，上述的播音不免受到环境的影响，例如在安静的环境可能音量(sound level)会太大，在嘈杂的环境音量可能又太小。

上述的录音功能可能遭遇极小或极大的音量，例如一般人说话的音量很小，而演唱会的音量很大。目前的消费电子装置在录音时无论接收到的声音信号的音量大小，都会将声音信号放大到预设的目标电平(target level)，但真实的音量总是有大有小，不会维持在同一电平。这样的录音功能会丧失声音信号的动态范围(dynamic range)，降低记录下来的声音的真实性。

发明内容

本发明提供一种电子装置与增益控制方法，以解决播音的音量与环境音量不一致的问题，并保留记录下来的声音的动态范围。

本发明的电子装置包括麦克风、模拟数字转换器、以及处理器。麦克风接收声音信号。模拟数字转换器耦接麦克风，将声音信号自模拟信号转换为数字信号。处理器耦接模拟数字转换器，根据声音信号在过去期间的每一数值计算音量，根据此音量决定增益值，使用此增益值放大声音信号，然后存储声音信号。

本发明的增益控制方法包括下列步骤：接收声音信号；根据声音信号在过去期间的每一数值计算音量；根据此音量决定增益值；以及使用此增益值放大声音信号，然后存储声音信号。

基于上述，本发明的电子装置与其对应的增益控制方法可依据环境音量决定播音的增益值，以解决播音的音量与环境音量不一致的问题。另外，本发明的电子装置与其对应的增益控制方法可根据声音信号在过去期间的音量决定其增益值，以保留声音信号的动态范围。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的一种播音装置的示意图。

图2是依照本发明的一实施例的一种增益控制方法的流程图。

图3是依照本发明的一实施例的一种录音装置的示意图。

图4是依照本发明的一实施例的一种增益控制方法的流程图。

图5是已知的一种声音信号的示意图。

图6是依照本发明的一实施例的一种声音信号的示意图。

【符号说明】

100：播音装置

110：麦克风

120：模拟数字转换器

130：处理器

140：数字模拟转换器

150：扬声器

160：处理器

170：存储装置

210～280：方法步骤

300：录音装置

310：麦克风

320：模拟数字转换器

330：处理器

340：存储装置

405～470：方法步骤

具体实施方式

图1是依照本发明的一实施例的一种播音装置100的示意图。播音装置100可以是任何一种具有播音功能的电子装置。播音装置100包括麦克风110、模拟数字转换器120、处理器130、数字模拟转换器140、扬声器150、处理器160、以及存储装置170。模拟数字转换器120耦接麦克风110，数字模拟转换器140耦接扬声器150，处理器130耦接模拟数字转换器120和数字模拟转换器140，处理器160耦接处理器130和存储装置170。处理器130可以是一个数字信号处理器(DSP:digital signal processor)，而处理器160可以是播音装置100的应用程序处理器(application processor)。本实施例的存储装置170是内建于播音装置100的一个元件，不过在另一实施例中，存储装置170可以不属于播音装置100，而是外接于播音装置100。

图2是依照本发明的一实施例的一种增益控制方法的流程图，此方法可由播音装置100执行。在步骤210，麦克风110接收一个输入声音信号。此输入声音信号就是播音装置100的环境噪音。在步骤220，模拟数字转换器120将输入声音信号自模拟信号转换为数字信号。

播音装置100可通过扬声器150播放一个输出声音信号，处理器160可自存储装置170将上述的输出声音信号提供至处理器130。麦克风110除了接收环境噪音，也会接收到输出声音信号。因此，处理器130在步骤230消除输出声音信号在输入声音信号中的回音，然后在步骤240估算输入声音信号（即环境噪音）的音量。

在步骤250，处理器130根据输入声音信号的音量决定一个增益值。此增益值为输入声音信号的音量的递增函数。为了简化计算过程，可将此递增函数制作成查找表(look-up table)，处理器130可用此查找表决定上述的增益值。

在步骤260，处理器130使用上述的增益值放大上述的输出声音信号。在步骤270，数字模拟转换器140将输出声音信号自数字信号转换为模拟信号。然后在步骤280，扬声器150播放输出声音信号。由于输出声音信号的增益值和环境噪音的音量成正比，扬声器150的播放音量可以和环境噪音一致，不会太大或太小。

图3是依照本发明的一实施例的一种录音装置300的示意图。录音装置300可以是任何一种具有录音功能的电子装置。录音装置300包括麦克风310、模拟数字转换器320、处理器330、以及存储装置340。模拟数字转换器320耦接麦克风310，处理器330耦接模拟数字转换器320和存储装置340。本实施例的存储装置340是内建于录音装置300的一个元件，不过在另一实施例中，存储装置340可以不属于录音装置300，而是外接于录音装置300。

图4是依照本发明的一实施例的一种增益控制方法的流程图，此方法的步骤405可由麦克风310和模拟数字转换器320执行，其余步骤可由处理器330执行。

在步骤405，麦克风310接收声音信号，模拟数字转换器320将声音信号自模拟信号转换为数字信号。在步骤410，处理器330计算声音信号的音量L₁。处理器330可分析声音信号在一个过去期间P₁中的每一个数值，计算这些数值的绝对值的最大值（也就是声音信号的最大振幅）或这些数值的绝对值的均方根值(root mean square value)，以做为声音信号的音量L₁。

接下来，在步骤415，处理器330计算声音信号的另一个音量L₂。处理器330可根据音量L₁决定另一个过去期间P₂，P₂的时间长度与音量L₁成正比，因此当音量L₁高于一个阈值时，过去期间P₂的时间长度会大于过去期间P₁的时间长度。然后处理器330可分析声音信号在过去期间P₂中的每一个数值，计算这些数值的绝对值的最大值或这些数值的绝对值的均方根值，以做为声音信号的音量L₂。在步骤420，处理器330根据音量L₂决定一个增益值G_L，增益值G_L与音量L₂成反比。例如处理器330可根据音量L₂在一个查找表中找出对应的增益值G_L。

接下来，在步骤425，处理器330检查音量L₂是否大于一个预设的阈值。如果音量L₂大于此阈值，则处理器330在步骤430检查音量L₂大于此阈值的持续时间是否已到达预设的时间长度T₁。如果是，则处理器330在步骤435设立一个标志(flag)，然后在步骤440将声音信号的最终增益值G_O设定为等于增益值G_L与另一个增益值G_T其中的最小值。增益值G_T是一个预设常数。G_T是声音信号的音量较小时所对应的目标增益值，G_T通常大于G_L。如果步骤430的检查结果为否，则流程直接进入步骤440。

接下来，处理器330在步骤460使用最终增益值G_O放大声音信号，然后将声音信号存储在存储装置340。若经过增益值G_O放大后的声音信号的振幅超出预设上限，则处理器330可减少增益值G_O，以免声音信号的振幅超出预设上限。

如果步骤425的检查结果为否，则处理器330在步骤445检查是否步骤435的标志已经设立而且音量L₂小于或等于预设阈值的持续时间已到达另一个预设时间长度T₂。结合步骤430、435与445可知，步骤445检查的条件为是否音量L₂大于阈值的持续时间已达到时间长度T₁然后音量L₂小于或等于阈值的持续时间已达到时间长度T₂。如果上述条件成立，则在接下来的一段预设期间内，处理器330会在步骤450将增益值G_L逐渐增加到等于增益值G_T，而且在步骤455将最终增益值G_O设定为等于增益值G_L，然后流程进入步骤460。于是在此预设期间内，处理器330在步骤460使用的最终增益值G_O会从最初的G_L逐渐增加到等于G_T。

如果步骤425的检查结果为否而且步骤445所检查的条件不成立，则处理器330在步骤465将最终增益值G_O设定为等于增益值G_T，在步骤470清除步骤435的标志，然后流程进入步骤460。这可保证音量较小的声音信号会有较大的增益。

图5是依照传统技术的一个声音信号在录音时放大后的波形示意图。图5的纵轴是声音信号的数值大小，横轴是时间，黑色部分是背景，白色部分是声音信号波形。如图5所示，大部分信号都被放大到一个固定的目标音量，但实际的原始音量不会如此一致，这就缩减了声音信号的动态范围。

图6是依照本发明的一实施例的一个声音信号在录音时放大后的波形示意图。图6的纵轴是声音信号的数值大小，横轴是时间，黑色部分是背景，白色部分是声音信号波形。如图4与图6所示，此声音信号的最终增益值G_O是依据声音信号的音量大小和音量变化所决定，可以保留声音信号的动态范围，使录音后的声音信号更接近录音前的原始信号。

本发明的另一实施例提供一种电子装置。此电子装置结合图1的播音装置100与图3的录音装置300。此电子装置可以先如同录音装置300记录并存储一个声音信号，然后如同播音装置100播放此声音信号。在此电子装置中，图1的麦克风110与图3的麦克风310可以合而为一，图1的模拟数字转换器120与图3的模拟数字转换器320可以合而为一，图1的处理器130与图3的处理器330也可以合而为一。

本发明的另一实施例提供一种增益控制方法。此增益控制方法结合图2与图4的增益控制方法。此增益控制方法可以先如同图4的增益控制方法记录并存储一个声音信号，然后如同图2的增益控制方法播放此声音信号。

综上所述，本发明可在播音时根据环境音量而动态调整声音信号的增益，使播放音量配合环境音量，而不会太小声或太大声。另外，本发明可在录音时根据声音信号在过去期间的音量大小与音量变化而动态调整声音信号的增益，以保留声音信号的动态范围与真实性。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (25)

1.一种电子装置，包括：

麦克风，接收第一声音信号；

模拟数字转换器，耦接该麦克风，将该第一声音信号自模拟信号转换为数字信号；以及

第一处理器，耦接该模拟数字转换器，根据该第一声音信号在第一过去期间的每一数值计算第一音量，根据该第一音量决定第一增益值，使用该第一增益值放大该第一声音信号，然后存储该第一声音信号。

2.如权利要求1所述的电子装置，其中该第一处理器根据该第一音量决定第二过去期间，根据该第一声音信号在该第二过去期间的每一数值计算第二音量，根据该第二音量决定第二增益值，并根据该第二增益值与第三增益值其中至少一个决定该第一增益值，其中该第三增益值为预设常数。

3.如权利要求2所述的电子装置，其中该第二过去期间的时间长度与该第一音量成正比。

4.如权利要求3所述的电子装置，其中当该第一音量高于阈值时，该第二过去期间的时间长度大于该第一过去期间的时间长度。

5.如权利要求2所述的电子装置，其中该第二增益值与该第二音量成反比。

6.如权利要求2所述的电子装置，其中若该第二音量大于阈值，则该第一增益值等于该第二增益值与该第三增益值其中的最小值。

7.如权利要求2所述的电子装置，其中若该第二音量符合预设条件，则该第一处理器在预设期间内将该第二增益值逐渐增加到等于该第三增益值，而且在该预设期间内该第一增益值等于该第二增益值，其中该预设条件为该第二音量大于阈值的持续时间已达到第一时间长度然后该第二音量小于或等于该阈值的持续时间已达到第二时间长度。

8.如权利要求7所述的电子装置，其中若该第二音量小于或等于该阈值而且该第二音量不符合该预设条件，则该第一增益值等于该第三增益值。

9.如权利要求1所述的电子装置，其中若经过该第一增益值放大后的该第一声音信号的振幅超出预设上限，则该第一处理器减少该第一增益值，以免该振幅超出该预设上限。

10.如权利要求1所述的电子装置，其中在该第一处理器存储该第一声音信号之后，该麦克风还接收第二声音信号，该模拟数字转换器将该第二声音信号自模拟信号转换为数字信号，该第一处理器估算该第二声音信号的第三音量，根据该第三音量决定第四增益值，并使用该第四增益值放大该第一声音信号，而且该电子装置还包括：

数字模拟转换器，耦接该第一处理器，将该第一声音信号自数字信号转换为模拟信号；以及

扬声器，耦接该数字模拟转换器，播放该第一声音信号。

11.如权利要求10所述的电子装置，其中该第一处理器先消除该第一声音信号在该第二声音信号中的回音，然后估算该第三音量。

12.如权利要求10所述的电子装置，其中该第四增益值为该第三音量的递增函数。

13.如权利要求10所述的电子装置，其中该第一处理器将该第一声音信号存储至存储装置，而且该电子装置还包括：

第二处理器，耦接该第一处理器，自该存储装置将该第一声音信号提供至该第一处理器。

14.一种增益控制方法，包括：

接收第一声音信号；

根据该第一声音信号在第一过去期间的每一数值计算第一音量；

根据该第一音量决定第一增益值；以及

使用该第一增益值放大该第一声音信号，然后存储该第一声音信号。

15.如权利要求14所述的增益控制方法，其中根据该第一音量决定该第一增益值的步骤包括：

根据该第一音量决定第二过去期间；

根据该第一声音信号在该第二过去期间的每一数值计算第二音量；

根据该第二音量决定第二增益值；以及

根据该第二增益值与第三增益值其中至少一个决定该第一增益值，其中该第三增益值为预设常数。

16.如权利要求15所述的增益控制方法，其中该第二过去期间的时间长度与该第一音量成正比。

17.如权利要求16所述的增益控制方法，其中当该第一音量高于阈值时，该第二过去期间的时间长度大于该第一过去期间的时间长度。

18.如权利要求15所述的增益控制方法，其中该第二增益值与该第二音量成反比。

19.如权利要求15所述的增益控制方法，其中若该第二音量大于阈值，则该第一增益值等于该第二增益值与该第三增益值其中的最小值。

20.如权利要求15所述的增益控制方法，其中若该第二音量符合预设条件，则该增益控制方法还包括：

在预设期间内将该第二增益值逐渐增加到等于该第三增益值，而且在该预设期间内该第一增益值等于该第二增益值，其中该预设条件为该第二音量大于阈值的持续时间已达到第一时间长度然后该第二音量小于或等于该阈值的持续时间已达到第二时间长度。

21.如权利要求20所述的增益控制方法，其中若该第二音量小于或等于该阈值而且该第二音量不符合该预设条件，则该第一增益值等于该第三增益值。

22.如权利要求14所述的增益控制方法，还包括：

若经过该第一增益值放大后的该第一声音信号的振幅超出预设上限，则减少该第一增益值，以免该振幅超出该预设上限。

23.如权利要求14所述的增益控制方法，在存储该第一声音信号之后还包括：

接收第二声音信号；

估算该第二声音信号的第三音量；

根据该第三音量决定第四增益值；

使用该第四增益值放大该第一声音信号；以及

播放该第一声音信号。

24.如权利要求23所述的增益控制方法，还包括：

先消除该第一声音信号在该第二声音信号中的回音，然后估算该第三音量。

25.如权利要求23所述的增益控制方法，其中该第四增益值为该第三音量的递增函数。