CN114203195A - 噪声重塑式数字自动增益控制系统、方法 - Google Patents

噪声重塑式数字自动增益控制系统、方法 Download PDF

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CN114203195A CN202110892038.4A CN202110892038A CN114203195A CN 114203195 A CN114203195 A CN 114203195A CN 202110892038 A CN202110892038 A CN 202110892038A CN 114203195 A CN114203195 A CN 114203195A
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Abstract

本申请属于控制技术领域，提供一种噪声重塑式数字自动增益控制系统、方法，其中，噪声重塑式数字自动增益控制系统包括：麦克风、音量范围控制装置以及数字自动增益装置。所述麦克风接收声音信号并经由模拟‑数字转换器输出原始音频信号。所述音量范围控制装置输出包含预期音量范围的控制信号。所述数字自动增益装置的输入端连接至所述麦克风的输出端与所述音量范围控制装置的输出端。所述数字自动增益装置通过所述控制信号与前一阶由所述数字自动增益装置所输出的修正音频信号进行比较并输出维持在预期音量的范围内的这一阶所述修正音频信号。本申请能使音量调整过程较为平滑且迅速，避免因为调整音量所造成的不适感。

Description

噪声重塑式数字自动增益控制系统、方法
本申请要求发明名称为“雜訊重塑式數位自動增益控制系統、方法”，专利号为109127585的台湾地区专利的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请属于控制技术领域，提供一种噪声重塑式数字自动增益控制系统、方法，尤其是一种能使音量调整过程平滑且迅速的噪声重塑式数字自动增益控制系统和方法。
背景技术
自动增益控制(Automatic Gain Control)在各种行业中运用广泛，尤其是运用在实际使用的音频会议系统中，由于性别或讲话者的习惯，会导致音频系统输出端的音量幅度产生巨大的差别，例如，当讲话者距离麦克风较远时，会输出较小的音量；讲话者距离麦克风较近时，会输出较大的音量。由于这样的情况会使在相同会议中的所有与会者出现突然大声/小声的情况，而造成与会者的困扰。
由此，使用自动增益控制能自动给予增益补偿，当讲话者声音过大的时候，会自动降低增益，使会议中的声音都维持在一定的音量；反之，当讲话者声音过小的时候，会自动提升增益，使会议中的声音都维持在一定的音量，由此使与会者能够顺畅地进行会议。
但自动增益控制调整时会由于调整速率产生不顺畅的情况，因此会使会议中的与会者感到不适。
发明内容
本申请实施例提供一种噪声重塑式数字自动增益控制系统，包括麦克风、音量范围控制装置以及数字自动增益装置。所述麦克风接收声音信号并经由模拟-数字转换器输出原始音频信号。所述音量范围控制装置输出包含预期音量范围的控制信号。所述数字自动增益装置的输入端连接至所述麦克风与所述音量范围控制装置的输出端并输出修正音频信号，所述数字自动增益装置包括比较决策模块、设置于所述比较决策模块输出的噪声重塑模块、设置于所述噪声重塑模块输出端的映射模块以及设置于所述映射模块输出的音量调整模块。所述比较决策模块的输入端连接至所述音量范围控制装置与所述音量调整模块的输出端并根据所述音量调整模块前一阶输出的所述修正音频信号高于或低于所述预期音量范围以决策输出比较决策信号，所述噪声重塑模块依据所述比较决策信号输出对应音量放大的阶梯上升波信号或音量降低的阶梯下降波信号，所述映射模块依据所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号依序映射输出多个音量调整信号，所述音量调整模块的另一输入端连接至所述麦克风，所述音量调整模块依据所述音量调整信号将所述原始音频信号的音量往所述预期音量范围进行修正并输出这一阶的所述修正音频信号。
本申请的另一方面，提供一种噪声重塑式数字自动增益控制方法包括：音量范围控制装置输出包含预期音量范围的控制信号至数字自动增益装置。声音信号经由麦克风进行模拟-数字转换后输出原始音频信号至所述数字自动增益装置。所述数字自动增益装置的比较决策模块接收由所述数字自动增益装置的音量调整模块所输出的前一阶的修正音频信号高于或低于所述预期音量范围以决策输出比较决策信号至所述数字自动增益装置的噪声重塑模块。所述噪声重塑模块接收所述比较决策信号输出对应音量放大的阶梯上升波信号或音量降低的阶梯下降波信号至所述数字自动增益装置的映射模块。所述映射模块依据所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号依序映射输出多个音量调整信号至所述音量调整模块。所述音量调整模块依据所述音量调整信号将所述原始音频信号的音量往所述预期音量范围进行修正并输出这一阶的所述修正音频信号。
基于上述方案，本申请较现有技术能使音量调整过程较为平滑且迅速，避免因为调整音量所造成的不适感。
附图说明
图1为本申请噪声重塑式数字自动增益控制系统的模块示意图。
图2为本申请数字自动增益装置的模块示意图。
图3为本申请噪声重塑模块的模块示意图。
图4为本申请噪声重塑式数字自动增益控制方法的实现流程示意图。
100：噪声重塑式数字自动增益控制系统；10：麦克风；20：音量范围控制装置；30：数字自动增益装置；32：比较决策模块；34：噪声重塑模块；342：延迟单元；3422：第一加法器；3424：第二加法器；3426：延迟器；344：多位阶量化器；36：映像模块；38：音量调整模块；DE：装置。
具体实施方式
有关本申请的详细说明及技术内容，现就配合图式说明如下。再者，本申请中的图式，为说明方便，其比例未必照实际比例绘制，所述等图式及其比例并非用以限制本申请的范围，在此先行说明。
在本申请中，所述的装置、器及其对应执行的功能，可以由单一芯片或多个芯片的组合协同执行，这些芯片配置的数量非属本申请所欲限定的范围。此外，所述的芯片可以为但不限定于处理器(Processor)、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、特殊应用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可程序化逻辑设备(Programmable Logic Device，PLD)等装置的组合，在本申请中不予以限制。前述的芯片可共有记忆单元，所述记忆单元用以协助进行数据的保存。所述记忆单元在一可行的实施例中可以为(但不限定于)高速缓存(Cache memory)、动态随机存取内存(DRAM)、持续性内存(Persistent Memory)等可以作为储存数据和取出数据用途的装置或其组合，在本申请中不予以限制。
以下针对本申请的其中一个实施例进行说明，请参阅图1，为本申请提供的噪声重塑式数字自动增益系统，如图所示：
请参阅图1，本实施例提供一种噪声重塑式数字自动增益控制系统100，主要包括麦克风10、音量范围控制装置20以及数字自动增益装置30。
所述麦克风10主要用于接收环境中的声音信号。麦克风10在其他实施例中可以为拾音器或是其他可以用以接收环境音波的装置，在本申请中不予以限制。在一实施例中，麦克风10包含模拟-数字转换器(Digital to analog converter， DAC)(图中未示出)，使麦克风所接收到的声音信号能经由模拟-数字转换器转换成数字的原始音频信号后输出至数字自动增益装置30。
所述音量范围控制装置20用于输出控制信号，在一实施例中，音量范围控制装置20可以(但不限定)为控制器(controller)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、函数信号产生器(function generator)、任意波形产生器 (Arbitrary waveformgenerators，AWG)、信号产生器(Signal generator)等可产生信号的装置，在本申请中不予以限制。本申请所述的音量范围控制装置20 根据出厂设定或使用者设定而储存有预期音量范围，所述音量范围控制装置20 根据所述预期音量范围输出控制信号(包含预期音量范围)至数字自动增益装置30。
所述数字自动增益装置30的输入端连接至所述麦克风10输出端与所述音量范围控制装置20的输出端。请参阅图2，所述数字自动增益装置30主要包括比较决策模块32、设置于所述比较决策模块32输出端的噪声重塑模块34、设置于所述噪声重塑模块34输出端的映射模块36以及设置于所述映射模块36 输出端的音量调整模块38。
所述比较决策模块32的输入端连接至所述音量范围控制装置20的输出端与所述音量调整模块38的输出端，并根据所述音量调整模块38所输出的前一阶的修正音频信号高于或低于预期音量范围以决策输出比较决策信号。
所述噪声重塑模块34依据所述比较决策信号输出对应音量放大的阶梯上升波信号或音量降低的阶梯下降波信号。请参阅图3，所述噪声重塑模块34主要包括输入端连接至所述比较决策模块32的延迟单元342以及输入端连接至所述延迟单元的多位阶量化器344。其中，所述延迟单元342包含输入端连接至所述比较决策模块32输出端的第一加法器3422、输入端连接至所述第一加法器3422的输出端与所述多位阶量化器344的输出端的第二加法器3424以及输入端连接至所述第二加法器3424输出端的延迟器3426，所述延迟器3426的输出端连接至所述第一加法器3422的另一输入端。所述噪声重塑模块34依据所述比较决策信号输出对应音量放大的阶梯上升波信号或音量降低的阶梯下降波信号至映射模块36。
所述第一加法器3422、第二加法器3424可以为但不限定于加法器(Adder)、半加器(Half Adder)、全加器(Full adder)、波纹进位加法器、超前进位加法器实现或其它用于执行加法运算的数字电路、逻辑闸或其组合，在本申请中不予以限制。
所述延迟器3426可以为但不限定于积分器(Integrator)、计数器(Counter) 等可以作为信号延迟或积分用途的电路或其组合，在本申请中不予以限制。
请复参阅图2，所述映射模块36的输入端连接至噪声重塑模块34的输出端，所述映射模块36可以为具有关联数组查找功能(查找表)的处理器或算术逻辑单元(ArithmeticLogic Unit，ALU)，在本申请中不予以限制。映射模块 36依据所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号依序映射输出多个音量调整信号至音量调整模块38。
音量调整模块38的输入端连接至映射模块36的输出端、音量调整模块38 的另一输入端连接至麦克风10，音量调整模块38依据所述音量调整信号将所述原始音频信号的音量往所述预期音量范围进行修正并输出这一阶的所述修正音频信号至装置DE(例如扬声器、记忆单元或通讯模块等装置，该装置可以的类型可以依据实际应用场景确定，本申请对此不做限制)。
以上针对本申请硬件架构的具体实施例进行说明，有关于本申请的工作流程将在下面进行更进一步的说明，请参阅图4，为本申请噪声重塑式数字自动增益控制方法的流程示意图：
首先，本申请噪声重塑式数字自动增益控制系统100在启动时，音量范围控制装置20会根据用户设定或出厂设定输出包含预期音量范围的控制信号至数字自动增益装置30(步骤S201)。在一实施例中，控制信号的预期音量范围可以为一个数值范围或一个定值，在本申请中不予以限制。
接续，麦克风10接收声音信号，并将所述声音信号经由模拟-数字转换器输出原始音频信号至数字自动增益装置30(步骤S202)。在本申请噪声重塑式数字自动增益控制系统100启动时，由于尚无前一阶的修正音频信号，因此直接由数字自动增益装置30将麦克风10所接收的原始音频信号直接输出，且无须经过步骤S203-S206的调整。所述前一阶的修正音频信号为下述步骤 S203-205中用于修正这一阶修正音频信号的前一次修正音频信号。
数字自动增益装置30中的比较决策模块32接收音量范围控制装置20的控制信号与音量调整模块38输出的前一阶的修正音频信号，依据前一阶的修正音频信号高于或低于所述预期音量范围决策输出比较决策信号至数字自动增益装置30的噪声重塑模块34(步骤S203)。在一实施例，所述比较决策模块32 接收到调整后的所述修正音频信号高于所述预期音量时，输出需要音量降低的比较决策信号；反之，所述比较决策模块32接收到调整后的所述修正音频信号低于所述预期音量时，输出需要音量放大的比较决策信号。在本实施例中，音量放大的比较决策信号具体可以为上升段信号，所述的上升段信号在一实施例中可以为由0(最小)至1(最大)之间的上升区间；音量降低的比较决策信号具体可以为下降段信号，所述的下降段信号在一实施例中可以为由1(最大)至0(最小) 之间的下降区间。在其他实施例中，上升段信号与下降段信号的峰值与波型可根据实际内容调整，在本申请中不予以限制。
噪声重塑模块34的延迟单元342将接收到的比较决策信号延迟并输出至多位阶量化器344，由所述多位阶量化器344输出对应比较决策信号的阶梯下降波信号或阶梯上升波信号至映射模块36(步骤S204)。在一实施例中，噪声重塑模块34接收到音量降低的比较决策信号时，噪声重塑模块输出所述阶梯下降波信号；反之，噪声重塑模块34接收到音量放大的比较决策信号时，噪声重塑模块输出所述阶梯上升波信号。在本实施例中，噪声整型模块34依据下面的关系式输出阶梯下降波信号或阶梯上升波信号：
A[N]＝X[N]+Y[N-1]-A[N-1]；
Figure BDA0003196260340000071
其中，X[N]为第N阶段输入至延迟单元342的比较决策信号，Y[N]为第N 阶段输出的所述上升阶梯波信号或所述下降阶梯波信号，Y[N-1]为第N-1阶段输出的所述上升阶梯波信号或所述下降阶梯波信号，A[N]为第N阶段时延迟单元342输出至多位阶量化器344的输出信号，A[N-1]为第N-1阶段时所述延迟单元342输出至多位阶量化器344的输出信号，M为所述多位阶量化器344预设的位阶数值，floor()为floor函数。其中，M为正整数。
映射模块36接收阶梯下降波信号或阶梯上升波信号后，映射模块36依序映射出多个音量调整信号至音量调整模块38(步骤S205)。在一实施例中，映射模块36依据下面的关系式映射输出所述音量调整信号：
若Y[N]≤2(Z-1)，则
Figure BDA0003196260340000073
若Y[N]>2(Z-1)，则
Figure BDA0003196260340000072
其中，Y[N]为第N阶段输入至映射模块36的阶梯下降波信号或阶梯上升波信号，D[N]为第N阶段映射输出的音量调整信号，Z为正整数，α为默认的音量增益单元(dB)。
最后，音量调整模块38依据音量调整信号将所述原始音频信号的音量往预期音量范围进行修正，音量调整模块38输出这一阶的修正音频信号(步骤S206)。在一实施例中，所述音量调整模块38依据下面的关系式输出所述修正音频信号：
Figure BDA0003196260340000081
其中，D[N]为所述映射模块第N阶段输入至所述音量调整模块38的所述音量调整信号，M[N]为所述麦克风第N阶段输入至所述音量调整模块38的原始音频信号，V[N]为所述音量调整模块38在第N阶段输出的所述修正音频信号。所述的修正音频信号将输入至扬声器、记忆单元或通讯模块等，本申请输出的修正音频信号所应用的领域非属本申请所欲限制的范围，在此叙明。
综上所述，比起公知技术，本申请较现有技术能使音量调整过程较为平滑且迅速，避免因为调整音量所造成的不适感。
以上已将本申请做详细说明，但是，以上所述的内容，仅为本申请的较佳实施例而已，当不能以此限定本申请实施的范围，即凡依本申请专利范围所作的均等变化与修饰，都应仍属于本申请的专利涵盖范围内。

Claims (12)

1.一种噪声重塑式数字自动增益控制系统，其特征在于，包括：
麦克风，接收声音信号并经由模拟-数字转换器输出原始音频信号；
音量范围控制装置，输出包含预期音量范围的控制信号；以及
数字自动增益装置，输入端连接至所述麦克风与所述音量范围控制装置的输出端并输出修正音频信号，所述数字自动增益装置包括比较决策模块、设置于所述比较决策模块输出的噪声重塑模块、设置于所述噪声重塑模块输出端的映射模块以及设置于所述映射模块输出端的音量调整模块，所述比较决策模块的输入端连接至所述音量范围控制装置与所述音量调整模块的输出端并根据所述音量调整模块前一阶输出的所述修正音频信号高于或低于所述预期音量范围以决策输出比较决策信号，所述噪声重塑模块依据所述比较决策信号输出对应音量放大的阶梯上升波信号或音量降低的阶梯下降波信号，所述映射模块依据所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号依序映射输出多个音量调整信号，所述音量调整模块的另一输入端连接至所述麦克风，所述音量调整模块依据所述音量调整信号将所述原始音频信号的音量往所述预期音量范围进行修正并输出这一阶的所述修正音频信号。
2.如权利要求1所述的噪声重塑式数字自动增益控制系统，其特征在于，所述比较决策模块接收到调整后的所述修正音频信号高于所述预期音量时，所述噪声重塑模块输出所述阶梯下降波信号；所述比较决策模块接收到调整后的所述修正音频信号低于所述预期音量时，所述噪声重塑模块输出所述阶梯上升波信号。
3.如权利要求1所述的噪声重塑式数字自动增益控制系统，其特征在于，所述噪声重塑模块包括输入端连接至所述比较决策模块的延迟单元以及输入端连接至所述延迟单元的多位阶量化器，其中，所述延迟单元包含输入端连接至所述比较决策模块的第一加法器、输入端连接至所述第一加法器与所述多位阶量化器的第二加法器以及输入端连接至所述第二加法器的延迟器，所述延迟器的输出端连接至所述第一加法器。
4.如权利要求3所述的噪声重塑式数字自动增益控制系统，其特征在于，
所述噪声重塑模块依据下面的关系式输出所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号：
A[N]＝X[N]+Y[N-1]-A[N-1]；
Figure FDA0003196260330000021
其中，X[N]为第N阶段输入至所述延迟单元的所述比较决策信号，Y[N]为第N阶段输出的所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号，Y[N-1]为第N-1阶段输出的所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号，A[N]为第N阶段时所述延迟单元输出至所述多位阶量化器的延迟信号，A[N-1]为第N-1阶段时所述延迟单元输出至所述多位阶量化器的延迟信号，M为所述多位阶量化器预设的位阶数值，floor()为floor函数。
5.如权利要求1所述的噪声重塑式数字自动增益控制系统，其特征在于，
所述映射模块依据下面的关系式映射输出所述音量调整信号：
若Y[N]≤2(Z-1)，则
Figure FDA0003196260330000022
若Y[N]>2(Z-1)，则
Figure FDA0003196260330000023
其中，Y[N]为第N阶段输入至所述映射模块的所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号，D[N]为第N阶段映射输出的所述音量调整信号，Z为正整数，α为默认的音量增益单元。
6.如权利要求5所述的噪声重塑式数字自动增益控制系统，其特征在于，
所述音量调整模块依据下面的关系式输出所述修正音频信号：
Figure FDA0003196260330000024
其中，D[N]为第N阶段输入至所述音量调整模块的所述音量调整信号，M[N]为第N阶段输入至所述音量调整模块的所述原始音频信号，V[N]为所述音量调整模块第N阶段输出的调整后的所述修正音频信号。
7.一种噪声重塑式数字自动增益控制方法，其特征在于，包括：
音量范围控制装置输出包含预期音量范围的控制信号至数字自动增益装置；
声音信号经由麦克风进行模拟-数字转换后输出原始音频信号至所述数字自动增益装置；
所述数字自动增益装置的比较决策模块接收由所述数字自动增益装置的音量调整模块所输出的前一阶的修正音频信号高于或低于所述预期音量范围以决策输出比较决策信号至所述数字自动增益装置的噪声重塑模块；
所述噪声重塑模块接收所述比较决策信号输出对应音量放大的阶梯上升波信号或音量降低的阶梯下降波信号至所述数字自动增益装置的映射模块；
所述映射模块依据所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号依序映射输出多个音量调整信号至所述音量调整模块；以及
所述音量调整模块依据所述音量调整信号将所述原始音频信号的音量往所述预期音量范围进行修正并输出这一阶的所述修正音频信号。
8.如权利要求7所述的噪声重塑式数字自动增益控制方法，其特征在于，
所述比较决策模块接收到调整后的所述修正音频信号高于所述预期音量时，所述噪声重塑模块输出所述阶梯下降波信号；所述比较决策模块接收到调整后的所述修正音频信号低于所述预期音量时，所述噪声重塑模块输出所述阶梯上升波信号。
9.如权利要求8所述的噪声重塑式数字自动增益控制方法，其特征在于，
所述噪声重塑模块包括输入端连接至所述比较决策模块的延迟单元以及输入端连接至所述延迟单元的多位阶量化器，其中，所述延迟单元包含输入端连接至所述比较决策模块的第一加法器、输入端连接至所述第一加法器与所述多位阶量化器的第二加法器以及输入端连接至所述第二加法器的延迟器，所述延迟器的输出端连接至所述第一加法器。
10.如权利要求9所述的噪声重塑式数字自动增益控制方法，其特征在于，
所述噪声重塑模块依据下面的关系式输出所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号：
A[N]＝X[N]+Y[N-1]-A[N-1]；
Figure FDA0003196260330000041
其中，X[N]为第N阶段输入至所述延迟单元的所述比较决策信号，Y[N]为第N阶段输出的所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号，Y[N-1]为第N-1阶段输出的所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号，A[N]为第N阶段时所述延迟单元输出至所述多位阶量化器的延迟信号，A[N-1]为第N-1阶段时所述延迟单元输出至所述多位阶量化器的延迟信号，M为所述多位阶量化器预设的位阶数值，floor()为floor函数。
11.如权利要求7所述的噪声重塑式数字自动增益控制方法，其特征在于，
所述映射模块依据下面的关系式映射输出所述音量调整信号：
若Y[N]≤2(Z-1)，则
Figure FDA0003196260330000042
若Y[N]>2(Z-1)，则
Figure FDA0003196260330000043
其中，Y[N]为第N阶段输入至所述映射模块的所述阶梯上升波信号或所述阶梯下降波信号，D[N]为第N阶段映射输出的所述音量调整信号，Z为正整数，α为默认的音量增益单元(dB)。
12.如权利要求11所述的噪声重塑式数字自动增益控制方法，其特征在于，
所述音量调整模块依据下面的关系式输出所述修正音频信号：
Figure FDA0003196260330000044
其中，D[N]为第N阶段输入至所述音量调整模块的所述音量调整信号，M[N]为第N阶段输入至所述音量调整模块的所述原始音频信号，V[N]为第N阶段输出的调整后的所述修正音频信号。
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