CN105490654B - 语音采集系统的自动增益控制器控制方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了语音采集系统的自动增益控制器控制方法及电路，语音信号由麦克风变为模拟电信号进入低噪声放大器，噪声放大器对语音信号进行处理后传输至可变增益放大器；自动增益控制器接收模数转换器的数字信号，经过设定逻辑运算后输出增益控制信号到可变增益放大器，自动增益控制器对经过模数转换器的数字信号进行包络跟踪和分析，通过参数的对比控制，在有语音到来时，在语音间隔处变更增益，并能在一定状态下锁定这段语音的增益；模数转换器的输出信号即为电路输出信号。数字逻辑简洁可靠，易于直接使用数字模块或硬件描述语言实现，方便集成到语音芯片系统中，节约成本。

Description

语音采集系统的自动增益控制器控制方法及电路

技术领域

本发明涉及音频通信领域，具体涉及一种语音采集系统的自动增益控制器控制方法及电路。

背景技术

在音频通讯系统中，为了在声音采集处的采集范围更远、语音更清晰、接收处音量更柔和适中，或由于不能确定声音采集处音量大小，在一般的语音、音乐等音频的录入时都会采用自动增益控制电路。在使用带有自动增益控制AGC的电路中，纯模拟的AGC控制电路设计比较复杂，能够处理的情况比较单一，不易于集成，因此转换为数字信号并通过数字信号算法处理成为较好的方法，可以在应对各种不同的语音情况时做出对应改变，且易于集成。

但是纯数字信号的处理算法极度依赖优秀的前端模拟电路和模数转换电路，而且，在音量跨度极大或音量很小时调节增益，很容易导致失真、分辨率不足等问题，调节效果不大。于是一种模拟和数字结合的AGC控制方法被提了出来。

在模拟信号经过可变增益放大器后，被模数转换电路转换为数字信号，然后在自动增益控制AGC的电路中，通过数字信号处理变为可变增益放大器的控制信号，调节信号的增益。这样所需的模数转换ADC电路不需要很高的分辨率即可达到较好的性能，而且整个电路的采集音量跨度可以很广。

然而现有的自动增益控制AGC控制逻辑在面对不同的声音环境时，采用的算法过于复杂，需求的计算能力较高，数字模块过于庞大，在集成的语音芯片内不利于降低成本。但是过于简洁的控制逻辑又会导致音量控制变动频繁，无法提供舒适的音量。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了语音采集系统的自动增益控制器控制方法及电路，平衡了复杂度和音量控制的舒适性，适用范围更为广泛。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

语音采集系统的自动增益控制器控制方法，包括：

语音信号由麦克风变为模拟电信号进入低噪声放大器，低噪声放大器对语音信号进行处理后传输至可变增益放大器；

自动增益控制器接收模数转换器的数字信号，经过设定逻辑运算后输出增益控制信号到可变增益放大器，自动增益控制器的逻辑运算为：对经过模数转换器的数字信号进行包络跟踪和分析，通过参数的对比控制，在有语音到来时，在语音间隔处变更增益，并能在一定状态下锁定这段语音的增益；

模数转换器的输出信号即为电路输出信号。

进一步的，自动增益控制器中对接收的语音信号首先在设定的每一个帧周期内，提取出包络信号。

进一步的，自动增益控制器对接收的数据进行逻辑运算时，首先对包络信号分别进行条件判断，在每一种条件下实现对可变增益放大器的增益的调整。

进一步的，如果数据包络超过模数转换器量程设定次数后，可变增益放大器减小增益，累计帧次数置零。

进一步的，包络信号与设定的上门限和下门限分别对比，如果在经过一个帧的周期后，包络信号超过所述上门限达到设定的上门限比率，可变增益放大器减小增益，累计帧次数置零。

进一步的，如果在经过一个帧的周期后，包络信号超过所述下门限没有达到设定的下门限比率，且累计的帧次数达到设定等待次数，可变增益放大器增加增益。

进一步的，如果在经过一个所述帧的周期后，数据包络没有超过模数转换器量程设定次数、包络信号超过所述上门限次数低于设定的上门限比率且同时包络信号超过所述下门限次数达到设定的下门限比率，则可变增益放大器增益不变，并减小记录的所述帧累计次数值。

进一步的，使能增益半锁定控制信号时，在开机或在休眠、人工控制增益情况结束后，自动增益控制器按设定的逻辑运算的方式工作，可变增益放大器增益会减小，直到休眠、人工控制增益或关机。

进一步的，使能增益锁定控制信号时，在开机或在休眠、人工控制增益情况结束后，自动增益控制器按设定的逻辑运算的方式工作，当可变增益放大器减小增益后，进入等候锁定阶段，当再次出现减小所述可变增益放大器增益后，锁定所述可变增益放大器增益，直到休眠、人工控制增益或关机。

语音采集系统的自动增益控制器控制电路，包括：

语音采集装置，用于采集语音信号并传输至低噪声放大器；

低噪声放大器，对接收的语音信号进一步的处理并传输至可变增益放大器；

可变增益放大器，用于对处理后的语音信号进行相应的增益处理后传输至模数转换器；

模数转换器，对信号进行转换为数字信号并传输出去；

自动增益控制器，接收所述模数转换器的数字信号，经过逻辑运算，输出增益控制信号到所述可变增益放大器；

自动增益控制器经过其中的增益控制逻辑的跟踪分析，调整可变增益放大器增益，所述增益控制逻辑具有包络检测功能。

上述语音采集系统的自动增益控制器控制电路，可以集成在语音采集系统中。

本发明的有益效果：

1.采用双门限设置，增加语音输出的稳定性。

2.通过设置参数，可以基本满足各种不同环境下的音频采集，而不是更换数字信号处理的算法，减少系统所需计算力。

3.数字逻辑简洁可靠，易于直接使用数字模块或硬件描述语言实现，方便集成到语音芯片系统中，节约成本。

附图说明

图1是本发明所述的一种语音采集系统的AGC控制方法所用电路；

图2是本发明所述的一种语音采集系统的AGC控制方法流程框图；

图3是本发明所述的一种语音采集系统的AGC控制方法结合实际声音的操作图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

实施例1

如图1所示，本发明主要电路由顺序串联连接的麦克风MIC，低噪声放大器LNA，可变增益放大器VGA，自动增益控制器AGC，模数转换器ADC等，所述自动增益控制器AGC为数字电路。自动增益控制器AGC接收所述模数转换器ADC的数字信号，经过逻辑运算，输出增益控制信号到所述可变增益放大器VGA，语音信号由所述麦克风MIC变为模拟电信号进入电路，所述模数转换器ADC的信号即为电路输出信号。

下面提供在如图1所示的电路结构下，自动增益控制器AGC的工作逻辑。系统开机，接收设定信息后，结合s、a、b、c、d操作设定出如图2的流程框图：

s.所述语音信号在设定的每一个帧frame周期内，被提取出包络data；

a.如果包络data超过所述模数转换器ADC量程一定次数后，所述可变增益放大器VGA减小增益，所述帧累计次数hold_time置零；

b.所述包络data与设定的上门限upper_th和下门限lower_th对比，如果在经过一个所述帧的周期后，包络data超过所述上门限upper_th达到设定的上门限比率upper_ratio，所述可变增益放大器VGA减小增益，所述帧累计次数hold_time置零；

c.如果在经过一个所述帧的周期后，包络超过所述下门限lower_th没有达到设定的下门限比率lower_ratio，且记录的所述帧累计次数hold_time达到设定等待次数AGC_HLD，所述可变增益放大器VGA增加增益；

d.如果在经过一个所述帧的周期后，没有上述a、b、c三种情况，所述可变增益放大器VGA增益不变，并减小记录的所述帧累计次数hold_time值。

自动增益控制器AGC还带有在语音信号稳定后的增益半锁定、增益锁定、人工控制增益。

当使能增益半锁定控制信号后，在系统开机或在休眠、人工控制增益等情况结束后，所述自动增益控制器AGC按s、a、b、c、d描述的方式工作，当由于a、b原因所述可变增益放大器VGA减小增益后，不会再按c情况将可变增益放大器VGA增大，只会在a、c、d情况间循环。即所述可变增益放大器VGA增益只会减小，不再增大，直到系统休眠、人工控制增益或关机。

当使能增益锁定控制信号后，在系统开机或在休眠、人工控制增益等情况结束后，所述自动增益控制器AGC按按s、a、b、c、d描述的方式工作，当由于a、b原因所述可变增益放大器VGA减小增益后，进入等候锁定阶段，当再次出现由于b原因减小所述可变增益放大器VGA增益后，锁定所述可变增益放大器VGA增益，直到系统休眠、人工控制增益或关机。

不同的语音环境可以设定不同的帧frame周期、上门限upper_th和下门限lower_th、上门限比率upper_ratio、下门限比率lower_ratio、等待次数AGC_HLD等。

结合附图2，一种语音采集系统的AGC控制方法进行详细的说明如下：

步骤一：开机，接收外部设定数据，初始化frame、upper_th、lower_th、upper_ratio、lower_ratio、AGC_HLD等寄存器；

步骤二：自动增益控制器在增益最大时通过模数转换器的信号数字信号大小来判断外部是否有语音信号，若果增益非最大，则转入步骤三，如果没有语音信号，则系统休眠定期检测信号，如果有语音信号，转入步骤三：

步骤三：判断是否满足条件a，即判断包络信号是否超过模数转换器量程设定次数，如果超过模数转换器量程设定次数，则自动增益控制器控制输出减小一级增益，并帧次数置零，否则，判断计时是否达到一个帧的时间，如果是，则转入步骤四，否则，返回步骤二；

步骤四：判断是否满足条件b，即将包络信号与设定的上门限和下门限对比，如果在经过一个所述帧的周期后，包络信号超过所述上门限达到设定的上门限比率，可变增益放大器减小增益，帧次数置零，否则，转入步骤五；

步骤五：继续判断是否满足条件c，即如果在经过一个所述帧的周期后，包络超过所述下门限没有达到设定的下门限比率，且记录的所述帧累计次数达到设定等待次数，所述可变增益放大器增加增益，并返回步骤二，否则，转入步骤六；

步骤六：当不满足条件c，进入情况d：可变增益放大器增益不变，并减小记录的所述累计帧次数值；

步骤七：在步骤三及步骤四中，自动增益控制器控制输出减小一级增益，并且累计帧次数置零后判断是否开启半锁定，如果是，则重复步骤三至步骤四，如果否，则判断是否开启锁定，重复步骤三至步骤六；

步骤八：开启半锁定，当由于a、b原因所述可变增益放大器VGA减小增益后，不会再按c情况将可变增益放大器VGA增大，只会在a、c、d情况间循环。即所述可变增益放大器VGA增益只会减小，不再增大，直到系统休眠、人工控制增益或关机；

步骤九：开启锁定后，当由于a、b原因所述可变增益放大器VGA减小增益后，进入等候锁定阶段，当再次出现由于b原因减小所述可变增益放大器VGA增益后，锁定所述可变增益放大器VGA增益，直到系统休眠、人工控制增益或关机。

实施例2

根据本发明优选的，提供设置参数的调节作用和一种适用于语音对话和有背景音乐语音等常见情景下的参数设置值，还提供该设置下的增益调节描述。

frame，检测周期，值越小遇到声音突变时增益调节的越快。

AGC_HLD，增益增大等待长度，调节说话间隔时的放大情况，值越大需要的说话间隔越长才能放大。

upper_th，上门限，减小增益的门限，值越低越容易减小增益。

upper_ratio，一个帧frame内允许超过上门限的百分比，值越小越容易减小增益。

lower_th，下门限，增大增益的门限，值越高越容易增大增益。

lower_ratio，一个帧frame内允许超过下门限的百分比，值越高越容易增大增益。

如图3所示，为一段正半纵轴的语音信号，负半纵轴语音信号与正半纵轴基本对称，因此无需考虑，示例语音接收芯片的可变增益放大器VGA调节范围为6dB-36dB，步长6dB，该系统没有使用所述s中包络，而是采用更为简便的方法，取一个frame中的最大值，即便如此，依然能有较好的音量调节效果。增益的其他控制逻辑同a、b、c、d。设置upper_th为75％的模数转换器ADC量程，upper_ratio为1％，设置lower_th为25％的模数转换器ADC量程，lower_ratio为2％，AGC_HLD为8，Frame为4096个点。此段音频信号开始时增益在6dB，在一个frame中，语音信号低于lower_th超过98％，并累计达到8个frame时，即满足所述c条件，可变增益放大器VGA的增益增加一级，达到12dB。之后再次满足c条件，增益再次增加一级达到18dB，这两段增益增加所需的时间较长，此后语音信号出现极高值，一个frame中超过upper_th达到1％，迅速减小增益为12dB，此时系统达到较佳的增益，如果使能增益半锁定或增益锁定，此时系统会锁定增益，如果没有，则在音量较大或较小时会继续调节。之后的语音信号即使有几小段对话间隔造成的低音量，增益由于AGC_HLD的作用仍然保持在12dB。整段对话中，增益慢速增加，快速减小，之后稳定，保持了对话音量较好的舒适性与稳定性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.语音采集系统的自动增益控制器控制方法，其特征是，包括：

麦克风，低噪声放大器，可变增益放大器，自动增益控制器，模数转换器顺序连接，语音信号由麦克风变为模拟电信号进入低噪声放大器，低噪声放大器对语音信号进行处理后传输至可变增益放大器，可变增益放大器对处理后的语音信号进行相应的增益处理后传输至模数转换器，自动增益控制器接收模数转换器的数字信号，自动增益控制器对经过模数转换器的数字信号进行包络跟踪和分析，通过参数的对比控制，在有语音到来时以及在语音间隔处变更增益，并能在一定状态下锁定该增益，经过设定的逻辑运算后输出增益控制信号到可变增益放大器，模数转换器将增益处理过的语音信号转换为数字信号并传输出去，模数转换器的输出信号即为电路输出信号；

自动增益控制器对接收的语音信号进行设定的逻辑运算时，首先在设定的每一个帧周期内，提取出包络信号，并对提取出的包络信号分别进行条件判断，在每一种条件下实现对可变增益放大器的增益的调整；

如果包络信号超过模数转换器量程设定次数后，可变增益放大器减小增益，累计帧次数置零；

如果包络信号没有超过模数转换器量程设定次数，则将包络信号与设定的上门限和下门限分别对比，如果在经过一个帧的周期后，包络信号超过所述上门限次数达到设定的上门限比率，可变增益放大器减小增益，累计帧次数置零；

如果在经过一个帧的周期后，包络信号超过所述下门限次数没有达到设定的下门限比率，且累计帧次数达到设定等待次数，可变增益放大器增加增益；

如果在经过一个帧的周期后，包络信号超过所述上门限次数低于设定的上门限比率且同时包络信号超过所述下门限次数达到设定的下门限比率，则可变增益放大器增益不变，并减小所述累计帧次数；

使能增益半锁定控制信号时，在休眠、人工控制增益或关机情况结束后，自动增益控制器按设定的逻辑运算的方式工作，可变增益放大器增益会减小，直到休眠、人工控制增益或关机；

使能增益锁定控制信号时，在休眠、人工控制增益或关机情况结束后，自动增益控制器按设定的逻辑运算的方式工作，当可变增益放大器减小增益后，进入等候锁定阶段，当再次出现减小所述可变增益放大器增益后，锁定所述可变增益放大器增益，直到休眠、人工控制增益或关机。

2.基于权利要求1所述的语音采集系统的自动增益控制器控制方法的电路，其特征是，包括：

麦克风，用于采集语音信号并传输至低噪声放大器；

低噪声放大器，对接收的语音信号进一步的处理并传输至可变增益放大器；

可变增益放大器，用于对处理后的语音信号进行相应的增益处理后传输至模数转换器；

自动增益控制器，接收所述模数转换器的数字信号，经过逻辑运算，输出增益控制信号到所述可变增益放大器；

自动增益控制器经过其中的增益控制逻辑的跟踪分析，调整可变增益放大器增益，所述增益控制逻辑具有包络检测功能。