CN108231088B - 一种应用于语音数字信号的快速自动增益控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种新型的快速自动增益控制方法和装置，包括：获取输入语音信号；计算得到累计的统计最高值；计算PCM期望调节因子；计算快速AGC增益；对输入信号进行AGC计算，并输出处理后的语音信号。本发明的方法摈弃了以数据帧为单位的线性缓变处理，以PCM采样为单位统计和处理，提高了处理响应速度，特别适合短语短句的AGC调整。
Description
技术领域
本发明涉及语音信号处理领域，更准确地说涉及自动增益控制处理，提升语音信号质量的解决方案。
技术背景
语音信号在空气中传播的时候，其声波是球型发散的，而且声波能量随着传播距离的增加而呈指数衰减。当使用麦克风来进行拾音时，声源距离增加时，麦克风所采集到的信号幅度(或能量)会衰减的非常严重。因此通常会在麦克风采集信号之后，使用自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)处理来对弱信号进行增强。
自动增益控制处理通常可以使用硬件电路处理的方式或者是软件处理的方式。硬件电路处理针对的是模拟信号，软件处理针对的是数字信号。本发明所关注的是针对语音数字信号的AGC处理。
传统自动增益控制方法主要应用于通话场景中，通常会使用两种先验检测：基于周期信号能量均方根(RMS，Root Mean Square)的统计和基于语音活动检测(VAD，VoiceActivity Detection)的统计。为了保证统计的代表价值并且避免突发异常信号对于统计的不当干扰，RMS的统计需要一定的样本积累，通常会以数十毫秒乃至百余毫秒为帧周期，统计帧周期之内的语音采样的能量值，再取平均。然后对比此帧的RMS平均值和预设能量上限阈值，调整此帧增益。为了避免能量突变，会对连续若干帧的能量增益调整缓慢线性上升，或者使用递归平滑滤波器(线性滤波器)来进行调整。经过一段时间的缓冲变化，最终升到上限阈值。基于VAD的统计也是以帧为单位进行的，检测到语音活跃的帧则调整增益，语音不活跃的帧则不调整。同样为了避免能量突变，对于语音活跃的帧的能量调整也是线性缓变的。
以上传统做法的好处在于使得语音信号的能量调整不会造成能量突变，通话感觉音量平滑顺畅。而缺陷在于所有处理都是基于数据帧的，而且帧的长度不能过短，再加之线性滤波器的处理需要收敛时间，因此传统做法的生效响应速度较慢。
发明内容
本发明的目的在于本发明提出一种新型的快速自动增益控制方法和装置，摈弃以数据帧为单位的线性缓变处理，以PCM采样为单位统计和处理，提高处理响应速度，特别适合短语短句的AGC调整。
对于非通话应用的语音信号处理，例如语音唤醒时，唤醒词语本身就比较短，当需要进行远距离唤醒操作时，由于传输距离远而能量大幅削弱，如果AGC增强处理缓慢的话，就有可能会丢失关键语音音节。而唤醒引擎对于唤醒词的音节完整性是要求较高的，因此以传统做法来处理会使得增强效果不佳，影响唤醒操作。而本发明的方法正好弥补了这种缺陷。具体地，本发明提供的一种应用于语音数字信号的快速自动增益控制方法包括：
a.获取输入语音信号；
b.计算得到累计的统计最高值；
c.计算PCM期望调节因子；
d.计算快速AGC增益；
e.对输入信号进行AGC计算，并输出处理后的语音信号。
其中，所述步骤b中的统计最高值随输入信号的能量变大而增大。
优选地，所述步骤c中的PCM期望调节因子为PCM期望调节值除以累积统计最大值的结果。
优选地，所述步骤d中的AGC增益为迭代累积计算方式。
优选地，所述迭代计算的系数为快速AGC增益调节参数，其值为小于1的正数。
相应地，一种应用于语音数字信号的快速自动增益控制装置，包括：
信号输入单元，用于获取语音数字信号采样；
累积统计单元，用于计算得到累积的统计最高值；
AGC增益计算单元，用于计算出快速AGC增益；
信号处理单元，利用AGC增益单元获得的值处理采样得到的数字信号，得到输出信号。
其中，所述累积统计单元根据输入信号的能量大小调整统计最高值。
优选地，所述AGC增益单元包含PCM期望调节因子的计算，为PCM期望调节值除以累积统计最大值的结果。
优选地，所述AGC增益单元包含快速AGC增益的计算，采用迭代累积计算方式。
优选地，所述AGC迭代累积计算的系数为快速AGC增益调节参数，其值为小于1的正数。
根据本发明提供的快速自动增益控制方法和装置，在保证处理后信号不产生频谱失真的前提下，缩减了处理生效时间，对信号形成可见而安全的增益。而且本发明的方法对信号处理运算更简单、复杂度更低，从而降低了整个语音处理系统的复杂度和实现成本，降低了对设备处理能力的依赖。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明本发明一个实施例提供的快速自动增益控制装置在一个电子设备中的示例位置系统逻辑框图；
图2是本发明一个实施例提供的快速自动增益控制方法的处理流程图；
图3是本发明一个应用示例，在设置预期AGC后信号幅值为12000时，本发明的快速自动增益控制装置处理之后的语音信号和原始语音信号的对比图；
图4是本发明一个应用示例，在设置预期AGC后信号幅值为12000时，本发明的快速自动增益控制装置处理之后的语音信号和原始语音信号的频率响应曲线对比图；
图5是本发明一个应用示例，在设置预期AGC后信号幅值为20000时，本发明的快速自动增益控制装置处理之后的语音信号和原始语音信号的对比图；
图6是本发明一个应用示例，在设置预期AGC后信号幅值为20000时，本发明的快速自动增益控制装置处理之后的语音信号和原始语音信号的频率响应曲线对比图；
图7是使用传统的自动增益控制做法来处理的一段语音信号和原始语音信号的对比图；
图8是本发明一个实施例提供的使用快速自动增益控制方法处理的一段语音信号和原始语音信号的对比图；
图9是本发明一个实施例提供的快速自动增益控制装置的结构图；
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1显示了本发明的快速自动增益控制装置在一个电子设备中的示例位置系统逻辑框图。来自外部的语音声波101被电子设备的麦克风110所捕获，转换为102的模拟电信号。在经过120模数转换器之后，转换为103数字语音信号。传送给130快速自动增益控制装置处理，处理之后的数字信号104再传送给该电子设备的其它语音处理装置使用。
以下具体阐述本发明的快速自动增益控制方法的处理过程。
对于输入的每一个语音数字信号采样，通过计算得到累积的统计最高值。设实时输入语音信号为I(n)，统计最高值为PCMMax(n)，累积统计因子为MAXFactor(此因子的值为正小数)。PCMMax(n)的计算过程由下述公式描述。
由上式可看出，累积统计最大值PCMMax(n)的初始值可以设为收到的第一个PCM采样值。当输入信号小于统计最大值时，不更新统计最大值；当输入信号大于统计最大值时，则据公式更新统计最大值。由此公式可以看出，所谓统计最大值并不是实际意义上的比较出来的最大值，而是会随着输入信号的能量大小变化而浮动的，也能够比较清晰准确的体现出信号的实际动态变化。累积统计因子MAXFactor的取值代表着计算当前累积统计最大值时，偏向实时数据还是偏向累积统计数据的权重。例如当MAXFactor取值大于0.5时，那么当前累积统计最大值会受到历史累计统计最大值的影响较大，且取值越大，受影响越大。反之当MAXFactor取值小于0.5时，那么当前累积统计最大值会受到实时接收数据的影响较大，且取值越小，受影响越大。当MAXFactor等于0.5时，则会平均的受到历史累计统计最大值和实时接收数据的影响。以上描述的参数MAXFactor的物理含义以及取值理论依据参考，具体的取值还是要依据实际语音处理系统的需要和具体效果来进行调试选取。
通常期望快速AGC将语音信号调节到某一PCM幅值附近，设此值为PCMExpect，此值越高，通常也代表着AGC的调节等级越高。经过AGC处理之后，会将大于此值的信号负增益调节到此值附近，也会将小于此值的信号正增益调节到此值附近。
在处理每一个收到的PCM采样数据信号I(n)时，用期望调节值PCMExpect除以当前累积统计最大值PCMMax(n)，即可以得到当前PCM的期望调节因子EXPECTFactor(n)，由下述公式计算。
EXPECTFactor(n)＝PCMExpect/PCMMax(n)
当累积统计最大值小于期望调节值时，此因子是大于1的；当累积统计最大值大于期望调节值时，此因子是小于1的小数。
通过PCM期望调节因子可以计算出快速AGC增益，设为AgcGainFast(n)。出于平滑连续处理信号的考虑，这个增益值也是迭代累积计算的，基于下述公式。
AgcGainFast(n)
＝AgcGainFast(n-1)*αGain+(1.0-αGain)*EXPECTFactor(n)
上式中αGain为快速AGC增益调节参数，此参数为小于1的正小数。当此值越大时，AGC变化的越慢；当此值越小时，AGC变化的越快。因此可以根据输入信号的幅值和期望值PCMExpect的差异来设置不同的αGain。例如，设置了PCMExpect为20000，当输入信号处于[500,1000]之间时，和期望值差别较大，希望能够快速变化到期望值，那么可以设置αGain为较小的值；当输入信号处于[15000,20000]之间时，和期望值差别较小，为了平滑信号减少震荡是的变化减慢，那么可以设置αGain为较大的值。
将输入PCM信号I(n)乘以上文所计算出的AgcGainFast(n)，即得出了快速AGC处理之后的PCM信号AgcOut(n)。为了控制AGC处理之后的信号的动态范围、失真度以及避免削峰和溢出等信号异常，需要在快速自动增益控制处理之后再添加诸如动态范围控制和限幅器等处理模块，如图1中的140、150。由于本发明主要关注的是自动增益控制处理部分，因此对其它模块不做详细阐述。
图2为以上处理操作的流程图。
以下是以实际对一段原始语音数字信号进行快速自动增益控制处理为例，来说明本发明的工作效果。
本发明所采用的验证示例使用16bit采样位宽的语音数字信号，信号幅值范围为[-32768，32767]。图3中的301为原始语音信号，302为将PCM期望调节值设为12000，快速自动增益控制处理之后的语音信号。301和302的图的横纵坐标值以及单位都是完全一致的，可以直接进行对比。从301和302的对比看出，经过快速AGC处理之后，信号的幅值(能量)明显进行了放大，而且主要信号都放大到幅值绝对值12000左右的水平，符合预设期望。图4是针对信号301、302的频率响应扫描分析。由图4可以看出，302的频响曲线和301的相比，在全频带信号上只是线性的进行了放大，放大幅度约为12dB，而且没有任何频谱畸变或失真。
图5中的501为原始语音信号，502为将PCM期望调节值设为20000，快速自动增益控制处理之后的语音信号。同理可以从501和502的对比看出，经过AGC处理之后，信号的幅值(能量)明显进行了放大，而且主要能量都放大到幅值绝对值20000左右的水平，符合预设期望。图6是针对信号501、502的频率响应扫描分析，502在全频带信号上只是线性的进行了放大，放大幅度约为15dB，而且没有任何频谱畸变或失真。
下面通过示例对比来说明本发明对于传统自动增益控制方法的生效响应速度的改善。
图7是使用传统的自动增益控制做法来处理一段语音信号后的效果。图中701是原始语音信号，702是使用传统自动增益控制做法处理之后的语音信号。可以从图中看到，处理之后的信号要达到设置的预期PCM幅值12000时，生效响应时间约为200毫秒左右。
图8是使用本发明的快速自动增益控制方法来处理一段语音信号后的效果。图中801是原始语音信号，802是使用本发明的快速自动增益控制方法处理之后的语音信号。可以从图中看到，处理之后的信号要达到设置的预期PCM幅值12000时，生效响应时间约为20毫秒左右，明显加快了处理生效响应时间。
通过以上实施例的说明，可以看出本发明的快速自动增益控制方法，在保证处理后信号不产生频谱失真的前提下，缩减了处理生效时间，对信号形成了可见而安全的增益，处理效果是明显而有效的。而且本发明的方法对信号处理运算更简单、复杂度更低，从而降低了整个语音处理系统的复杂度和实现成本，降低了对设备处理能力的依赖。
本发明可以使用在任何音频采样率的系统中。任何语音信号的处理都是本发明的应用范围。
本发明可以使用硬件，软件或它们的组合来实现，也可以用一个计算机系统或其它处理器系统来实现。计算机和其它处理器系统有多种形式，包括无线移动手机，平板电脑，笔记本电脑，台式电脑，智能音箱、智能监控设备、可视对讲设备、机器人或其它任何形式的智能硬件电子设备。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，测量方法的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
Claims (6)
1.一种应用于语音数字信号的快速自动增益控制方法，包括：
a.获取输入语音信号；
b.通过所述输入语音信号计算得到累计的统计最高值；
c.计算PCM期望调节因子，所述PCM期望调节因子为PCM期望调节值除以累积统计最大值的结果；
d.通过所述PCM期望调节因子计算快速AGC增益，所述AGC增益为迭代累积计算方式；
e.对输入信号进行AGC计算，并输出处理后的语音信号。
2.根据权利要求1所述的自动增益控制方法，其特征在于，所述步骤b中的统计最高值随输入信号的能量变大而增大。
3.根据权利要求1所述的自动增益控制方法，其特征在于，所述迭代计算的系数为快速AGC增益调节参数，其值为小于1的正数。
4.一种应用于语音数字信号的快速自动增益控制装置，包括：
信号输入单元，用于获取语音数字信号采样；
累积统计单元，用于通过所述输入语音信号计算得到累积的统计最高值；
AGC增益计算单元，用于计算出快速AGC增益；所述AGC增益单元包含PCM期望调节因子的计算和快速AGC增益的计算，其中，所述PCM期望调节因子的计算为PCM期望调节值除以累积统计最大值的结果，所述快速AGC增益的计算为通过所述PCM期望调节因子计算快速AGC增益，所述AGC增益为迭代累积计算方式；
信号处理单元，利用AGC增益单元获得的值处理采样得到的数字信号，得到输出信号。
5.根据权利要求4所述的自动增益控制装置，其特征在于，所述累积统计单元根据输入信号的能量大小调整统计最高值。
6.根据权利要求4所述的自动增益控制装置，其特征在于，所述AGC迭代累积计算的系数为快速AGC增益调节参数，其值为小于1的正数。
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