CN107659279A - 一种音频自动增益控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种音频自动增益控制方法及装置，包括以下步骤：音频信号送入可编程增益放大器模块和ADC模块后输出待处理的音频数据后进入误差检测模块，计算当前帧音频数据幅度绝对值的最大值和目标幅度峰值的差值，产生误差信号值err后进入回环滤波模块处理后输出误差信号值errout，将errout进入增益控制模块处理，根据errout绝对值和预设的误差容限阈值errth进行比较处理，产生增益控制参数，反馈给可编程增益放大器，实现音频信号增益自动控制。在输入的幅值过大或过小的音频信号情况下通过自动控制其增益并将其调整到标准范围；当遇到较大峰值误差时，本发明通过回环滤波处理消除可能产生的阻尼震荡，解决音频信号发生波动问题。

Description

一种音频自动增益控制方法及装置
技术领域
本发明涉及音频数据处理技术，尤其涉及一种音频自动增益控制方法及装置。
背景技术
音频信号的处理与播放目前已经广泛应用在各种情景下。在音频信号处理过程中，由于音频源不同，所以导致存在不同音频信号强度不一样的现象，并伴随有噪声。现有的音频调节方法主要有两种，一种是用户通过手动调节输入音量的大小，进而改变最终输出的音量，但该方法操作比较繁琐，且用户体验效果差；另一种是音频自动增益调节方法，但此方法缺少回环滤波处理，不能确保整个自动增益控制系统在增益调整过程中能保持稳定，当遇到较大峰值误差时，可能会产生阻尼震荡而使系统发生起伏波动，从而使声音忽高忽低。
发明内容
针对现有技术的不足，提出一种音频自动增益控制方法及装置确保整个自动增益控制系统在增益调整过程中保持稳定，当遇到较大峰值误差时，不会产生阻尼震荡而使系统发生波动。
为实现上述目的，本发明提出一种音频自动增益控制方法，包括以下步骤：
音频信号经过可编程增益放大器模块和ADC模块后输出待处理的音频数据；
待处理的音频数据进入误差检测模块，计算当前帧音频数据幅度绝对值的最大值和目标幅度峰值的差值，产生误差信号值err；
误差信号值err进入回环滤波模块处理后输出误差信号值errout；
误差信号值errout进入增益控制模块处理，根据误差信号值errout绝对值和预设的误差容限阈值errth进行比较处理，输出增益控制参数，反馈给可编程增益放大器模块，实现音频信号增益自动控制。
为实现上述目的，本发明还提出一种音频自动增益控制装置，包括可编程增益放大器模块、ADC模块、误差检测模块、回环滤波模块、增益控制模块，其中，音频信号送入可编程增益放大器模块和ADC模块后输出待处理的音频数据，将待处理的音频数据进入误差检测模块，计算当前帧音频数据幅度绝对值的最大值和目标幅度峰值的差值，产生误差信号值err，误差信号值err进入回环滤波模块处理后输出误差信号值errout，将误差信号值errout进入增益控制模块处理，根据误差信号值errout绝对值和预设的误差容限阈值errth进行比较处理，产生增益控制参数，反馈给可编程增益放大器，实现音频信号增益自动控制。
作为一种优选方式，所述的误差检测模块包含以下步骤：
1)将串行输入的音频数据按规定的帧步长N个样点，N的取值范围为[128,4096],若取值太小，则不能正确地判断当前音频信号的幅值水平；若取值太大则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢，可根据实际情况谨慎选择；作为一帧，获取其幅度绝对值的最大值，记为Peak_val；
2)将Peak_val与设定的噪声阈值Nth进行比较，若Peak_val大于或等于噪声阈值，则计算当前帧的Peak_val与目标幅度峰值Target_val的差值，记为err；若Peak_val小于噪声阈值，则表示当前输入的音频信号为噪声，将当前帧的峰值误差err置为0，可编程增益放大器增益保持不变，不影响系统增益控制；此步骤的err计算公式：
3)设置一个计数器cnt，假设初始值置为cnt0，cnt0的取值范围为[-128,-4],若值太小，则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢；若值太大，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；可根据实际情况谨慎选择，将当前帧的峰值误差err与预设的误差容限阈值errth进行比较，若err大于errth，且cnt>cnt0,则计数器减1，但其最小值不小于-16；若err小于errth，且cnt<cnt1,则计数器加1，但其最大值不大于cnt1，其中，cnt1的取值范围为[4,128],若值太大，则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢；若值太小，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；可根据实际情况谨慎选择,cnt计算公式如下：
4)根据步骤3)计数器cnt取值，对峰值误差进行调整；若计数器值大于或等于0，则表示自动增益控制系统已处于稳定状态，将err置为0；否则，err保持不变。这样可以确保自动增益控制系统的茁壮性，避免其在稳定状态下受噪声干扰，做出错误的处理。此步骤的err计算公式：
作为一种优选方式，所述的回环滤波模块是输入的err乘以一个可控的增益G1，与经增益G2控制的积分分量相加得到errout,其表达式如下所示：
其中，代表误差err的积分，G2为误差积分的增益，取值范围为G1为误差的直流增益，取值范围为[1,16],两个增益一起决定系统从开始控制增益到系统稳定的速度。
作为一种优选方式，所述的增益控制控制模块对回环滤波模块得到的峰值误差errout取绝对值，将errout绝对值与预设的误差容限阈值errth进行比较,其中，误差容限阈值决定系统反应灵敏度，即信号幅值在多大范围内变化，判定为信号正常，自动增益系统不进行处理，其取值范围为[128,4096]。若此值过大，则系统反应灵敏度低，自动增益控制实时性差；若此值过小，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；可根据实际情况谨慎选择。若errout绝对值大于或等于errth，则判断errout符号，若errout为正，则将可编程增益放大器的增益控制参数调低一级，若errout为负，则将可编程增益放大器的增益控制参数PGA_GAIN调高一级；若errout小于errth，则表示当前输入的音频信号在系统容忍的标准范围之内，不对可编程增益放大器增益进行调整。PGA_GAIN的计算公式：
本发明的有益效果：在输入的幅值过大或过小的音频信号情况下通过自动控制其增益，精准迅速的检测出输入信号音频信号幅值误差，并稳定地将其调整到标准范围，有效减小噪声对自动增益控制系统的影响概率，增益控制连续可调，有效提高信号测量精度。当遇到较大峰值误差时，本发明通过回环滤波处理消除可能产生的阻尼震荡，解决音频信号发生波动问题。
附图说明
图1是本发明音频自动增益控制装置结构示意图。
图2是本发明回环滤波处理流程图。
图3是本发明实施例音频信号处理过程示意图
具体实施方式
下面对本发明的实施例作进一步的说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
如图1和图3所示，一种音频自动增益控制方法实施步骤如下：
音频信号经过可编程增益放大器模块和ADC模块后输出待处理的音频数据；
待处理的音频数据进入误差检测模块，计算当前帧音频数据幅度绝对值的最大值和目标幅度峰值的差值，产生误差信号值err；
误差信号值err进入回环滤波模块处理后输出误差信号值errout；
误差信号值errout进入增益控制模块处理，根据误差信号值errout绝对值和预设的误差容限阈值errth进行比较处理，输出增益控制参数，反馈给可编程增益放大器模块，实现音频信号增益自动控制。
如图1和图3所示，一种音频自动增益控制装置，包括可编程增益放大器模块、ADC模块、误差检测模块、回环滤波模块、增益控制模块，其中，音频信号送入可编程增益放大器模块和ADC模块后输出待处理的音频数据，将待处理的音频数据进入误差检测模块，计算当前帧音频数据幅度绝对值的最大值和目标幅度峰值的差值，产生误差信号值err，误差信号值err进入回环滤波模块处理后输出误差信号值errout，将误差信号值errout进入增益控制模块处理，根据误差信号值errout绝对值和预设的误差容限阈值errth进行比较处理，产生增益控制参数，反馈给可编程增益放大器，实现音频信号增益自动控制。
本实施例可适用于音频信号进行自动增益的场景中，音频自动增益控制方法可以由音频自动增益控制装置来执行，音频自动增益控制装置的结构与方法中所述的结构相同；
音频自动增益控制方法具体包括以下步骤：
音频信号经过可编程增益放大器模块和ADC模块后输出待处理的音频数据；
待处理的音频数据进入误差检测模块处理，包含以下步骤：
1)音频信号的帧步长N的取值范围为[128,4096],若取值太小，则不能正确地判断当前音频信号的幅值水平；若取值太大则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢，可根据实际情况谨慎选择,本实施例N＝1024；作为一帧，通过比较两个样点取较大值，再将其与第三个样点比较取较大值，依次类推，获取其幅度绝对值的最大值，记为Peak_val；
2)将Peak_val与设定的噪声阈值Nth进行比较，若Peak_val大于或等于噪声阈值，则计算当前帧的Peak_val与目标峰值Target_val的差值，记为err；其中，目标峰值Target_val为一个预设值，一般取值与信号位宽有关，若信号位宽为N bit,则Target_val的取值为B*2N-1，其中B的取值范围为[0.65,0.9]。在本实施例中，B的取值为0.875，N的取值为16；若Peak_val小于噪声阈值，则表示当前输入的音频信号为噪声，将当前帧的峰值误差err置为0，可编程增益放大器增益保持不变，不影响系统增益控制；
3)设置一个计数器cnt，假设初始值置为cnt0，cnt0的取值范围为[-128,-4],若值太小，则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢；若值太大，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；可根据实际情况谨慎选择，在此实施例中cnt0＝-16，将当前帧的峰值误差err与预设的误差容限阈值errth进行比较，若err大于errth，且cnt>cnt0,则计数器减1，但其最小值不小于-16；若err小于errth，且cnt<cnt1,则计数器加1，但其最大值不大于cnt1，其中，cnt1的取值范围为[4,128],若值太大，则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢；若值太小，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；可根据实际情况谨慎选择，在此实施例中cnt1＝15,cnt计算公式如下：
4)根据步骤3计数器cnt取值，对峰值误差进行调整；若计数器值大于或等于0，则表示自动增益控制系统已处于稳定状态，将err置为0；否则，err保持不变。这样可以确保自动增益控制系统的茁壮性，避免其在稳定状态下受噪声干扰，做出错误的处理。err计算公式：
如图2所示，误差信号值err进入所述的回环滤波模块，输入的err乘以一个可控的增益G1，与经增益G2控制的积分分量相加得到errout,其表达式如下所示：
其中，代表误差err的积分，G2为误差积分的增益，取值范围为G1为误差的直流增益，取值范围为[1,16]，在此实施例中取值为G1＝1,或G1＝16,G2＝1；两个增益一起决定系统从开始控制增益到系统稳定的速度。
误差信号值errout进入所述的增益控制模块处理，对回环滤波模块得到的峰值误差errout取绝对值，将errout绝对值与预设的误差容限阈值errth进行比较,其中，误差容限阈值决定系统反应灵敏度，即信号幅值在多大范围内变化，判定为信号正常，自动增益系统不进行处理，其取值范围为[128,4096]。若此值过大，则系统反应灵敏度低，自动增益控制实时性差；若此值过小，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；可根据实际情况谨慎选择，在本实施例中errth＝2047。若errout绝对值大于或等于errth，则判断errout符号，若errout为正，则将可编程增益放大器的增益控制参数调低一级，若errout为负，则将可编程增益放大器的增益控制参数PGA_GAIN调高一级；若errout小于errth，则表示当前输入的音频信号在系统容忍的标准范围之内，不对可编程增益放大器增益进行调整。PGA_GAIN的计算公式：
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种音频自动增益控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：
音频信号经过可编程增益放大器模块和ADC模块后输出待处理的音频数据；
待处理的音频数据进入误差检测模块，计算当前帧音频数据幅度绝对值的最大值和目标幅度峰值的差值，产生误差信号值err；
误差信号值err进入回环滤波模块处理后输出误差信号值errout；
误差信号值errout进入增益控制模块处理，根据误差信号值errout绝对值和预设的误差容限阈值errth进行比较处理，输出增益控制参数，反馈给可编程增益放大器模块，实现音频信号增益自动控制。
2.根据权利要求1所述的音频自动增益控制方法，其特征在于，所述误差检测模块包含以下步骤：
1)将串行输入的音频数据按规定的帧步长N个样点作为一帧，获取其幅度绝对值的最大值，记为Peak_val，其中，N取值范围为[128,4096]；
2)将Peak_val与设定的噪声阈值Nth进行比较，若Peak_val大于或等于噪声阈值，则计算当前帧的Peak_val与目标幅度峰值Target_val的差值，记为err；若Peak_val小于噪声阈值，则表示当前输入的音频信号为噪声，将当前帧的峰值误差err置为0，可编程增益放大器增益保持不变，不影响系统增益控制；本步骤的err计算公式：
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3)设置一个计数器cnt，假设初始值置为cnt0，其中，cnt0的取值范围为[-128,-4],若值太小，则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢；若值太大，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；将当前帧的峰值误差err与预设的误差容限阈值errth进行比较，若err大于errth，且cnt>cnt0,则计数器减1，但其最小值不小于-16；若err小于errth，且cnt<cnt1,则计数器加1，但其最大值不大于cnt1，其中，cnt1的取值范围为[4,128],若值太大，则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢；若值太小，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；cnt计算公式如下：
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4)根据步骤3)计数器cnt取值，对峰值误差err进行调整；若计数器值大于或等于0，则表示自动增益控制系统已处于稳定状态，将err置为0；否则，err保持不变；这样可以确保自动增益控制系统的茁壮性，避免其在稳定状态下受噪声干扰，做出错误的处理；本步骤的err计算公式：
<mrow> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>&gt;</mo> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>s</mi> <mi>e</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
3.根据权利要求1所述的音频自动增益控制方法，其特征在于，所述回环滤波模块是输入的err乘以一个可控的增益G1，与经增益G2控制的积分分量相加得到errout,其表达式如下所示：
<mrow> <msub> <mi>err</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>G</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>*</mo> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>G</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>*</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </munderover> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> </mrow>
其中，代表误差err的积分，G2为误差积分的增益，取值范围为G1为误差的直流增益，取值范围为[1,16]，两个增益一起决定系统从开始控制增益到系统稳定的速度。
4.根据权利要求1所述的音频自动增益控制方法，其特征在于，所述增益控制模块对回环滤波模块得到的误差信号值errout取绝对值，将errout绝对值与预设的误差容限阈值errth进行比较；若errout绝对值大于或等于errth，则判断的errout符号，若errout为正，则将可编程增益放大器的增益控制参数调低一级，若errout为负，则将可编程增益放大器的增益控制参数PGA_GAIN调高一级；若errout绝对值小于errth，则表示当前输入的音频信号在系统容忍的标准范围之内，不对可编程增益放大器增益进行调整；PGA_GAIN的计算公式：
<mrow> <mi>P</mi> <mi>G</mi> <mi>A</mi> <mo>_</mo> <mi>G</mi> <mi>A</mi> <mi>I</mi> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mfenced open = "" close = "}"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>P</mi> <mi>G</mi> <mi>A</mi> <mo>_</mo> <mi>G</mi> <mi>A</mi> <mi>I</mi> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>err</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>&gt;</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>P</mi> <mi>G</mi> <mi>A</mi> <mo>_</mo> <mi>G</mi> <mi>A</mi> <mi>I</mi> <mi>N</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>err</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>&lt;</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>err</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>&gt;</mo> <mo>=</mo> <msub> <mi>err</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>P</mi> <mi>G</mi> <mi>A</mi> <mo>_</mo> <mi>G</mi> <mi>A</mi> <mi>I</mi> <mi>N</mi> <mo>}</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>s</mi> <mi>e</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
5.一种音频自动增益控制装置，其特征在于,包括可编程增益放大器模块、ADC模块、误差检测模块、回环滤波模块和增益控制模块；
音频信号送入可编程增益放大器模块和ADC模块后输出待处理的音频数据，将待处理的音频数据进入误差检测模块，计算当前帧音频数据幅度绝对值的最大值和目标幅度峰值的差值，产生误差信号值err，误差信号值err进入回环滤波模块处理后输出误差信号值errout，将误差信号值errout进入增益控制模块处理，根据误差信号值errout绝对值和预设的误差容限阈值errth进行比较处理，产生增益控制参数，反馈给可编程增益放大器，实现音频信号增益自动控制。
6.根据权利要求5所述的音频自动增益控制装置，其特征在于，所述误差检测模块包含以下步骤：
1)将串行输入的音频数据按规定的帧步长N个样点作为一帧，获取其幅度绝对值的最大值，记为Peak_val，其中，N取值范围为[128,4096]；
2)将Peak_val与设定的噪声阈值Nth进行比较，若Peak_val大于或等于噪声阈值，则计算当前帧的Peak_val与目标幅度峰值Target_val的差值，记为err；若Peak_val小于噪声阈值，则表示当前输入的音频信号为噪声，将当前帧的峰值误差err置为0，可编程增益放大器增益保持不变，不影响系统增益控制；本步骤的err计算公式：
<mrow> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>P</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>k</mi> <mo>_</mo> <mi>v</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> <mo>-</mo> <mi>T</mi> <mi>arg</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>v</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>P</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>k</mi> <mo>_</mo> <mi>v</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> <mo>&gt;</mo> <mo>=</mo> <mi>N</mi> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>s</mi> <mi>e</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
3)设置一个计数器cnt，假设初始值置为cnt0，其中，cnt0的取值范围为[-128,-4],若值太小，则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢；若值太大，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；将当前帧的峰值误差err与预设的误差容限阈值errth进行比较，若err大于errth，且cnt>cnt0,则计数器减1，但其最小值不小于-16；若err小于errth，且cnt<cnt1,则计数器加1，但其最大值不大于cnt1，其中，cnt1的取值范围为[4,128],若值太大，则系统对信号幅值增益突变的反馈能力较慢；若值太小，则系统容易将噪声判断为输入信号突变，影响系统的稳定性；cnt计算公式如下：
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4)根据步骤3)计数器cnt取值，对峰值误差err进行调整；若计数器值大于或等于0，则表示自动增益控制系统已处于稳定状态，将err置为0；否则，err保持不变；这样可以确保自动增益控制系统的茁壮性，避免其在稳定状态下受噪声干扰，做出错误的处理；本步骤的err计算公式：
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7.根据权利要求5所述的音频自动增益控制装置，其特征在于，所述回环滤波模块是输入的err乘以一个可控的增益G1，与经增益G2控制的积分分量相加得到errout,其表达式如下所示：
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其中，代表误差err的积分，G2为误差积分的增益，取值范围为G1为误差的直流增益，取值范围为[1,16]，两个增益一起决定系统从开始控制增益到系统稳定的速度。
8.根据权利要求5所述的音频自动增益控制装置，其特征在于，所述增益控制模块对回环滤波模块得到的误差信号值errout取绝对值，将errout绝对值与预设的误差容限阈值errth进行比较；若errout绝对值大于或等于errth，则判断的errout符号，若errout为正，则将可编程增益放大器的增益控制参数调低一级，若errout为负，则将可编程增益放大器的增益控制参数PGA_GAIN调高一级；若errout绝对值小于errth，则表示当前输入的音频信号在系统容忍的标准范围之内，不对可编程增益放大器增益进行调整；PGA_GAIN的计算公式：
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