CN111711428A - 一种基于音频输出的agc控制电路及语音采集装置 - Google Patents

一种基于音频输出的agc控制电路及语音采集装置 Download PDF

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韩子铭
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Abstract

本发明实施例公开了一种基于音频输出的AGC控制电路及语音采集装置，所述AGC控制电路包括：带通滤波器、音频放大电路、包络检波电路、反相放大器电路、音频信号一级放大电路和音频信号二级放大电路等。本发明实施例可以摒弃了复杂的VAD算法和高成本DSP应用，用很低廉的硬件电路可以实现音频输出的AGC控制。

Description

一种基于音频输出的AGC控制电路及语音采集装置
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于音频输出的AGC控制电路及语音采集装置。
背景技术
自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。自动增益控制是限幅输出的一种，它利用线性放大和压缩放大的有效组合对语音信号的输出信号进行调整。当弱信号输入时，线性放大电路工作，保证输出信号的强度；当输入信号达到一定强度时，启动压缩放大电路，使输出幅度降低。也就是说，AGC功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度。AGC细分为输入自动增益控制AGCi和输出自动增益控制AGCo。
现有的技术，基本采用数字处理，即通过DSP调节语音幅度的数字增益，从而达到AGC目的，确保拾音器的动态范围。现有技术在实现功能方面是比较有效的，但是要实现该功能，要确保：DSP速度能匹配相应的AGC增益需求，以及采用比较复杂的语音VAD检测算法。而采用DSP实现AGC增益导致整个成本高，比如对于性价比较高的电梯对讲终端的设计有极大的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于音频输出的AGC控制电路及语音采集装置，其可以摒弃了复杂的VAD算法和高成本DSP应用，用很低廉的硬件电路可以实现音频输出的AGC控制。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于音频输出的AGC控制电路，所述AGC控制电路包括：带通滤波器、音频放大电路、包络检波电路、反相放大器电路、音频信号一级放大电路和音频信号二级放大电路，其中：
所述带通滤波器用于滤除音频信号中的低频和高频干扰信号；
所述音频放大电路连接带通滤波器的输出端，用于对带通滤波器的输出信号进行电压幅度放大；
所述包络检波电路连接音频放大电路的输出端，用于提取音频信号的幅度特性，并输出音频信号幅度的包络特性；
所述反相放大器电路连接包络检波电路的输出端，用于使得输出结果与包络检波电路所输出的音频信号幅度成反比例关系，并将所述输出结果输出至音频信号一级放大电路；
所述音频信号一级放大电路连接所述带通滤波器的输出端和所述反相放大器电路的输出端，用于基于反相放大器电路的输出结果和所述带通滤波器的输出信号进行AGC控制，并将AGC结果输出至音频信号二级放大电路；
所述音频信号二级放大电路基于所述AGC结果进行音频输出。
所述带通滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、运放器，其中：所述低通滤波器连接着所述高通滤波器，所述高通滤波器连接着所述运放器。
所述低通滤波器为一阶无源低通滤波器，所述高通滤波器为一阶无源高通滤波器。
所述音频放大电路包括第一三极管，所述音频放大电路基于第一三极管进行电压幅度放大。
所述包络检波电路为并联型二极管包络检波电路，或者为串联型二极管峰值包括检波器。
所述串联型二极管峰值包括检波器包括二极管和低通滤波器，所述二极管连接所述低通滤波器。
所述音频信号一级放大电路包括第二三极管，所述音频信号一级放大电路基于第二三极管进行AGC控制。
所述第二三极管为NPN三极管，所述NPN三极管采用共射级接法，所述NPN三极管的基极连接所述带通滤波器的输出端和所述反相放大器电路的输出端；或者所述第二三极管为PNP三极管或者MOS管。
所述音频信号二级放大电路为反相放大器。
相应的，本发明还提出了一种语音采集装置，所述电梯对讲系统采用以上所述的基于音频输出的AGC控制电路。
在本发明实施例中AGC控制电路，全部采用模拟电路方案，其通过利用廉价、技术成熟的三极管以及运放电路等，实现AGC的目的，拾音器的输入增益可根据基于AGC控制电路的语音强度实现自动调节，确保音频信号高保真，并且具有高动态范围，电路还可实现带通滤波，其综合成本较低，性能良好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的基于音频输出的AGC控制电路结构原理图；
图2是本发明实施例中的基于音频输出的AGC控制电路的电路原理图；
图3是本发明实施例中的三极管输出特性示意图；
图4是本发明实施例中的三极管输入特性示意图；
图5是本发明实施例中的输入vs三极管增益关系示意图；
图6是本发明实施例中的输入vs输出关系示意图；
图7是本发明实施例中的滤波特性示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例中的基于音频输出的AGC控制电路结构原理图，所述AGC控制电路包括：带通滤波器、音频放大电路、包络检波电路、反相放大器电路、音频信号一级放大电路和音频信号二级放大电路，其中：所述带通滤波器的信号输出端连接有所述音频放大电路和所述音频信号一级放大电路；所述音频放大电路的信号输入端连接所述带通滤波器，所述音频放大电路的信号输出端连接所述包络检波电路；所述包络检波电路的信号输入端连接所述音频放大电路，所述包络检波电路的信号输出端连接所述反相放大器电路；所述反相放大器电路的信号输入端连接所述音频放大电路，所述反相放大器电路的信号输出端连接所述音频信号一级放大电路；所述音频信号一级放大电路的信号输入端连接所述带通滤波器和所述反相放大器电路，所述音频信号一级放大电路的信号输出端连接所述音频信号二级放大电路。
具体的，这里的带通滤波器用于滤除音频信号中的低频和高频干扰信号；
所述音频放大电路连接带通滤波器的输出端，用于对带通滤波器的输出信号进行电压幅度放大；
所述包络检波电路连接音频放大电路的输出端，用于提取音频信号的幅度特性，并输出音频信号幅度的包络特性；
所述反相放大器电路连接包络检波电路的输出端，用于使得输出结果与包络检波电路所输出的音频信号幅度成反比例关系，并将所述输出结果输出至音频信号一级放大电路；
所述音频信号一级放大电路连接所述带通滤波器的输出端和所述反相放大器电路的输出端，用于基于反相放大器电路的输出结果和所述带通滤波器的输出信号进行AGC控制，并将AGC结果输出至音频信号二级放大电路；
所述音频信号二级放大电路基于所述AGC结果进行音频输出。
基于图1所示的基于音频输出的AGC控制电路应用于语音采集装置或者电梯对讲系统时，语音采集装置或者电梯对讲系统中的拾音器所拾到的音频信号会经过带通滤波器，带通滤波器的功能和作用是滤除低频和高频干扰信号，然后将其所输出信号分为两路进行输出。带通滤波器的一路输出信号经过音频放大电路、包络检波电路、反相放大器电路等的模拟处理后，给音频信号一级放大电路提供偏置电压，其原理如下，音频信号输入至音频放大电路进行音频信号的电压幅度放大，包络检波电路输出的波形为音频信号的包络信号，与音频信号的幅度成正比例关系，包络检波电路将音频信号幅度的包络特性输出至反相放大器电路，反相放大器电路所输出与音频信号幅度成反比例关系的音频信号至音频信号一级放大电路；带通滤波器的另一路音频信号仅作为音频信号一级放大电路的输入，音频信号一级放大电路偏置电压由反相放大器电路所输出的信号控制，如果音频信号幅度增加，其偏置电压降低，音频信号一级放大电路的增益降低，通过该方法实现AGC控制，最终音频信号通过音频信号二级放大电路输出。
具体的，图2示出了本发明实施例中的基于音频输出的AGC控制电路的电路原理图，所述AGC控制电路包括：带通滤波器、音频放大电路、包络检波电路、反相放大器电路、音频信号一级放大电路和音频信号二级放大电路等等。
这里的带通滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、运放器，其中：所述低通滤波器连接着所述高通滤波器，所述高通滤波器连接着所述运放器。所述低通滤波器为一阶无源低通滤波器，所述高通滤波器为一阶无源高通滤波器。
本发明实施例中的带通滤波器由一个一阶无源低通滤波器、一个一阶无源高通滤波器、一个运放组成，其频率响应可以写为：
Figure BDA0002535667140000051
其中，ω为输入角频率，ω0为带通滤波器的中心频率，A0为带通滤波器的增益，A(jω)为带通滤波器的频率响应函数，j代表虚部，Q为品质因数。
音频放大电路针对带通滤波器的输出信号进行电压幅度放大，放大后作为包络检波电路的输入。所述音频放大电路包括第一三极管，所述音频放大电路基于第一三极管进行电压幅度放大。
所述包络检波电路可以为并联型二极管包络检波电路，或者也可以为串联型二极管峰值包括检波器。
本发明实施例中的包络检波电路采用串联型二极管峰值包括检波器，串联型二极管峰值包括检波器包括二极管和低通滤波器，所述二极管连接所述低通滤波器。包络检波也叫幅度检波，主要是提取音频信号(语音信号)的幅度特性，输出音频信号(语音信号)幅度的包络特性。包络检波电路由二极管和低通滤波器相串接构成，包络检波电路在有输入信号时，通过二极管的电流在低通滤波器电路产生平均电压，该电压又反作用于二极管上(称平均电压负反馈效应)，影响通过二极管的电流，从而实现了线性检波。
所述反相放大器电路连接包络检波电路的输出端，用于使得输出结果与包络检波电路所输出的音频信号幅度成反比例关系，并将所述输出结果输出至音频信号一级放大电路。反相放大器电路的输出电压与包络检波电路的输出成反比例关系，然后给音频信号一级放大器的基极提供偏置，其偏置电压可以写为；
Figure BDA0002535667140000061
其中Vcc为反向运放的供电电压，K0为常系数，Vin为拾音器的输入，A(jω)为带通滤波器的频率响应函数。
所述音频信号一级放大电路连接所述带通滤波器的输出端和所述反相放大器电路的输出端，用于基于反相放大器电路的输出结果和所述带通滤波器的输出信号进行AGC控制，并将AGC结果输出至音频信号二级放大电路。这里音频信号一级放大电路包括第二三极管，所述音频信号一级放大电路基于第二三极管进行AGC控制。
该第二三极管为NPN三极管，所述NPN三极管采用共射级接法，所述NPN三极管的基极连接所述带通滤波器的输出端和所述反相放大器电路的输出端；或者所述第二三极管为PNP三极管或者MOS管。所述音频信号二级放大电路为反相放大器。
相应的，本发明还提出了一种语音采集装置，所述语音采集装置采用以上所述的基于音频输出的AGC控制电路。
这里音频信号一级放大电路放大采用NPN三极管为例进行说明，该NPN三极管并采用共射极接法。如图3示出了三极管输出特性示意图，三极管一共有三种工作状态，分别截止区、放大区和饱和区。在放大区，基极电流Ib与集电极电流Ic为线性关系，并且此时Vbe＝0.7V(以硅管为例)。
在三极管的截止区和放大区还有一个临界状态，这个临界状态下，Vbe<0.7V，同时Vbe大于BE极的门槛电压，这个区域为三极管BE极的导通区，图4示出了三极管输入特性示意图，此时基极电流Ib很小，CE极呈现较大阻抗，因此集电极电流Ic也非常微弱，而三极管随着Vbe的增大，Ib也增大，三极管的电流增益
Figure BDA0002535667140000071
也随着Ib增大而增大，最终慢慢进入放大区，此时三极管增益为一个恒定值β，β值是由每个三极管的特性决定的，三极管出厂后，在一定条件下是一个恒定值。
由于三极管存在上述的截止区-放大区的临界状态，因此可以通过基极电压来控制三极管在此临界状态下的放大倍数K1。本发明实施例中，反相放大器电路输出的Vbias为共射级放大电路(音频信号一级放大电路)的基极提供电压偏置，随着Vin的增加，Vbias会减小，因此K1也会减小，图5示出了输入vs三极管增益关系示意图，为采用2N5551的实测数据。从图5中可以看出，随着输入信号幅度的增加，三极管增益慢慢降低，最终出现负增益，此时三极管处于衰减状态，因此本发明中的第一级音频放大的三极管可实现AGC功能。再通过二级音频放大，提供整个电路的增益，使输出幅度在特定的区间。
为了验证效果整体，从整个AGC电路的输入端输入1kHz的音频信号，幅度从0.5～14V，然后测试Vout幅度，如图6所示的输入vs输出关系示意图，从图6中可以看出，输入音频信号幅度增大28倍，但是输出只变化了2倍，输出刚开始跟随着上升，然后慢慢下降，最后输出幅度趋于平缓，最大输出与最小输出这可以看出输入输出不是线性关系。随着输入幅度增大，输入并不会一直增大，这就解决了拾音器近距离拾音会截止失真的问题，实现语音幅度高动态范围的目标。
为了探寻输出与频率的响应关系，规定输入音频信号幅度为2V，并且改变其频率，可以测试频率响应，如图7所示的滤波特性示意图，可以看出该AGC电路具有带通滤波功能。
基于本发明实施例中AGC控制电路，全部采用模拟电路方案，其通过利用廉价、技术成熟的三极管以及运放电路等，实现AGC的目的，拾音器的输入增益可根据基于AGC控制电路的语音强度实现自动调节，确保音频信号高保真，并且具有高动态范围，电路还可实现带通滤波，其综合成本较低，性能良好。
以上对本发明实施例所提供的基于音频输出的AGC控制电路及电梯对讲系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于音频输出的AGC控制电路，其特征在于，所述AGC控制电路包括：带通滤波器、音频放大电路、包络检波电路、反相放大器电路、音频信号一级放大电路和音频信号二级放大电路，其中：
所述带通滤波器用于滤除音频信号中的低频和高频干扰信号；
所述音频放大电路连接带通滤波器的输出端，用于对带通滤波器的输出信号进行电压幅度放大；
所述包络检波电路连接音频放大电路的输出端，用于提取音频信号的幅度特性，并输出音频信号幅度的包络特性；
所述反相放大器电路连接包络检波电路的输出端，用于使得输出结果与包络检波电路所输出的音频信号幅度成反比例关系，并将所述输出结果输出至音频信号一级放大电路；
所述音频信号一级放大电路连接所述带通滤波器的输出端和所述反相放大器电路的输出端，用于基于反相放大器电路的输出结果和所述带通滤波器的输出信号进行AGC控制，并将AGC结果输出至音频信号二级放大电路；
所述音频信号二级放大电路基于所述AGC结果进行音频输出。
2.如权利要求1所述的基于音频输出的AGC控制电路，其特征在于，所述带通滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、运放器，其中：所述低通滤波器连接着所述高通滤波器，所述高通滤波器连接着所述运放器。
3.如权利要求2所述的基于音频输出的AGC控制电路，其特征在于，所述低通滤波器为一阶无源低通滤波器，所述高通滤波器为一阶无源高通滤波器。
4.如权利要求1所述的基于音频输出的AGC控制电路，其特征在于，所述音频放大电路包括第一三极管，所述音频放大电路基于第一三极管进行电压幅度放大。
5.如权利要求1所述的基于音频输出的AGC控制电路，其特征在于，所述包络检波电路为并联型二极管包络检波电路，或者为串联型二极管峰值包括检波器。
6.如权利要求5所述的基于音频输出的AGC控制电路，其特征在于，所述串联型二极管峰值包括检波器包括二极管和低通滤波器，所述二极管连接所述低通滤波器。
7.如权利要求1所述的基于音频输出的AGC控制电路，其特征在于，所述音频信号一级放大电路包括第二三极管，所述音频信号一级放大电路基于第二三极管进行AGC控制。
8.如权利要求7所述的基于音频输出的AGC控制电路，其特征在于，所述第二三极管为NPN三极管，所述NPN三极管采用共射级接法，所述NPN三极管的基极连接所述带通滤波器的输出端和所述反相放大器电路的输出端；或者所述第二三极管为PNP三极管或者MOS管。
9.如权利要求1至8任一项所述的基于音频输出的AGC控制电路，其特征在于，所述音频信号二级放大电路为反相放大器。
10.一种语音采集装置，其特征在于，所述语音采集装置采用如权利要求1至9任一项所述的基于音频输出的AGC控制电路。
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