CN201600893U - 一种调整输入信号动态范围的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种调整输入信号动态范围的装置，包括：用于计算输入信号包络的包络计算模块；连接包络计算模块，并计算所述包络计算模块输出信号增益的增益计算模块；连接所述增益计算模块，并对输入信号与增益计算模块的输出信号作乘法运算的输出信号计算模块。本实用新型涉及的一种调整输入信号动态范围的装置，采用包络计算模块实时计算信号的包络，可以实时反映出信号峰值的变化，这样将输入信号波形的包络值作为动态范围调整的依据可以减小现有技术中的滞后效应。

Description

一种调整输入信号动态范围的装置

技术领域

本实用新型涉及信号处理领域，用于动态调整输入信号动态范围，尤其适用于音频播放芯片领域，或其他需要调整输入信号动态范围的领域。

背景技术

在通信领域，面对面或是通过电话、广播等载体用音频信号进行信息交流是最常见的方式之一。音频信号在通信中的重要位置使得我们不得不要求高质量的音频质量。而音频信号的动态范围(Dynamic Range)成为制约音频信号质量的一个关键因素；动态范围是诸如功率、电流、电压或频率那样的参数规定的最大级别与该参数最小可检测的级别的比值。在音频信号处理领域中，术语动态范围是指通常被称为信号电平的功率级别的动态范围；一个信号系统的动态范围被定义成最大不失真电平和噪声电平的差。而在实际用途中，多用对数和比值来表示一个信号系统的动态范围。信号电平通常以分贝(dB)来计量，以及动态范围通常被表示为在最大信号电平与最小信号电平之间的差别，以dB计。动态范围大，说明该设备能有效处理的信号的强弱范围大；动态范围小，说明该设备本身噪声大或对细节表现差或不能承受强烈信号的冲击。

从音乐播放的角度来说，过大的动态范围会使音频功放过载，引起啸叫声；而过小的动态范围又会使听者产生听觉疲劳。此时适当调整音频信号的动态范围就是必须的。从单麦克风消噪的角度来说，若背景噪声比目标语音分贝值小，但差别不大时，若不对这种差别进行放大则无法成功实现降低背景噪声的目标。此时增大音频信号的动态范围就是必须的。因此，动态范围的调节是非常必要的。

以市场上的现有技术而言，绝大部分产品使用的动态范围控制(DRC，Dynamic Range Control)均运用输入信号的功率或平方根均值(RMS，Root MeanSquare)作为调整的依据，这种方法不能很好的实时反映信号峰值的变化，速度较慢，有一定的滞后性。虽然输入信号的功率实现简单，但是较输入信号的波形包络值相比有一定的滞后性。

实用新型内容

本实用新型解决的现有技术问题是音频信号使用的动态范围控制有一定的滞后性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

一种调整输入信号动态范围的装置，包括：用于计算输入信号包络的包络计算模块；连接包络计算模块，并计算所述包络计算模块输出信号增益的增益计算模块；连接所述增益计算模块，并对输入信号与增益计算模块的输出信号作乘法运算的输出信号计算模块。

本实用新型涉及的一种调整输入信号动态范围的装置，采用包络计算模块实时计算信号的包络，可以实时反映出信号峰值的变化，这样将输入信号波形的包络值作为动态范围调整的依据可以减小现有技术中的滞后效应。

附图说明

图1是本实用新型实施例的原理框图；

图2是本实用新型另一实施例的原理框图；

图3是本实用新型实施例中包络计算模块的原理图；

图4是本实用新型另一实施例中增益软调节模块的原理图；

图5是本实用新型实施例中输出信号计算模块的原理图；

图6是本实用新型实施例的输入信号波形图；

图7是图6的输入信号经过本实用新型实施例的输出波形图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1所示本实用新型实施例的原理框图；一种调整输入信号动态范围的装置，包括：用于计算输入信号x(n)包络的包络计算模块11，其中n代表某一时刻的数据，n-1代表n时刻的前一时刻的数据；连接包络计算模块，并计算所述包络计算模块输出信号xenv(n)增益的增益计算模块12；连接所述增益计算模块，并对输入信号x(n)与增益计算模块的输出信号ADJUST_soft(n)作乘法运算的输出信号计算模块13。

本实用新型涉及的一种调整输入信号动态范围的装置，采用包络计算模块实时计算信号的包络，可以实时反映出信号峰值的变化，这样将输入信号波形的包络值作为动态范围调整的依据可以减小现有技术中的滞后效应。

图2是本实用新型另一实施例的原理框图；在图1的基础上，图1中的增益计算模块12进一步包括分段计算所述包络计算模块输出信号xenv(n)增益的可调增益控制模块1211，对可调增益控制模块1211的输出信号ADJUST(n)进行计算，得到其增益调节时间的增益软调节模块122。

图3是本实用新型实施例中包络计算模块的原理图；包络计算模块11包括绝对值模块A1，比较判断模块A2，包络参数计算模块A3，第一包络计算模块A4，第二包络计算模块A5，包络选择模块A6，延迟单元A7；所述绝对值模块A1将输入信号x(n)取绝对值后输出，所述绝对值模块A1的输出端连接比较判断模块A2的第一输入端、第一包络计算模块A4第一输入端和第二包络计算模块A5的第一输入端；所述包络参数计算模块A3的三个输入端连接外部三个参数端口，包络参数计算模块A3的第一输出端和第二输出端连接第一包络计算模块A4的第二输入端和第三输入端，包络参数计算模块A3的第三输出端和第四输出端连接第二包络计算模块A5的第二输入端和第三输入端；第一包络计算模块A4的输出端连接包络选择模块A6的第一输入端；第二包络计算模块A5的输出端连接包络选择模块A6的第二输入端；包络选择模块A6的第三输入端连接比较判断模块A2的输出端，包络选择模块A6的输出端连接延迟单元A7的输入端，延迟单元A7的输出端连接比较判断模块A2的第二输入端、第一包络计算模块A4的第四输入端、第二包络计算模块A5的第四输入端；延迟单元A7的输出信号xenv(n-1)作为一反馈信号输入给比较判断模块A2、第一包络计算模块A4、第二包络计算模块A5。

在包络计算模块11中包括了绝对值模块A1，这样先通过对原有信号去绝对值运算，再进一步计算出信号的包络值，这样的绝对值运算可以更加精确地得到信号的包络值。

包络计算模块11的工作原理如下：

输入信号x(n)首先进入如图3所示的绝对值模块A1，得到信号x(n)的绝对值|x(n)|；绝对值|x(n)|再经过比较判断模块A2与包络延迟信号xenv(n-1)做比较，若|x(n)|＞＝xenv(n-1)，A2输出使能信号ENB＝1，否则ENB＝0。包络参数计算模块模块A3有三个外部参数，分别是采样频率Fs，输入信号x(n)的包络xenv(n)的上升时间ATT和下降时间DET，输出信号为包络参数计算模块A3的第一输出端信号Gin、参数计算模块A3的第二输出端信号Gin1、参数计算模块A3的第三输出端信号Gde、参数计算模块A3的第四输出端信号Gde1。其中

Gin＝exp(-1/Fs/ATT)；

Gin1＝1-Gin，Gde＝exp(-1/Fs/DET)；

Gde1＝1-Gde。

信号Gin和信号Gin1输入到第一包络计算模块A4，Gde和Gde1输入到第二包络计算模块A5；在第一包络计算模块A4中信号Gin、信号Gin1、输入信号绝对值|x(n)|和包络延时信号xenv(n-1)计算得到包络xenv1(n)，在第二包络计算模块A5中信号Gde、信号Gde1、输入信号绝对值|x(n)|和包络延时信号xenv(n-1)计算得到包络xenv2(n)。其中

xenv1(n)＝Gin*xenv(n-1)+Gin1*|x(n)|；

xenv2(n)＝Gde*xenv(n-1)+Gde1*|x(n)|。

比较判断模块A2的输出使能信号ENB，包络xenv1(n)和包络xenv2(n)被送到包络选择模块A6，得到包络信号xenv(n)：

当ENB＝1时，xenv(n)＝xenv1(n)；

当ENB＝0时，xenv(n)＝xenv2(n)。

由此得到输入信号x(n)的包络信号xenv(n)。

可调增益控制模块121的工作原理如下：

包络信号xenv(n)进入可调增益控制模块121生成控制增益ADJUST(n)。将增益划分为几个阶段，假设由小到大依次表示为：Thre_noise，Thre，T_M，这几个参数可认为是相应的门限；其中：

T_M＝(1-n1)*Thre+n1*Max_out；1/n1为增益的斜率，Max_out为增益输出最大值。

首先将xenv(n)单位V转换成单位dBV，用xenv_dB(n)表示，得到：

xenv_dB(n)＝20*log10(xenv(n))；

利用以下公式分段计算ADJUST(n)：

当xnev_dB(n)＞＝T_M时，ADJUST(n)＝Max_out-xenv_dB(n)；

当Thre＜＝xenv_dB(n)＜＝T_M时，ADJUST(n)＝(1-1/n1)*(Thre-xenv_dB(n))；

当Thre_noise＜＝xenv_dB(n)＜＝Thre时，ADJUST(n)＝0；

当xenv_dB(n)＜Thre_noise时，ADJUST(n)＝-40；

由此得到可调增益控制模块121的输出信号控制增益ADJUST(n)。

图4是本实用新型另一实施例中增益软调节模块的原理图；增益软调节模块122包括第一软调节模块C1、第二软调节模块C2、选择模块C3；所述第一软调节模块C1的输入端与第二软调节模块C2的输入端、选择模块C3的第一输入端连接，第一软调节模块C1的输出端连接选择模块C3的第二输入端，第二软调节模块C2的输出端连接选择模块C3的第三输入端。

可调增益控制模块121的输出信号控制增益ADJUST(n)经过增益软调节模块122生成软调节增益ADJUST_soft(n)；第一软调节模块C1内部设置有三个参数，分别为增益的上升时间Tr、采样频率Fs、1-Tr；第二软调节模块C2内部设置有三个参数，分别为增益的下降时间Ta、采样频率Fs、1-Ta。工作原理如下：

控制增益ADJUST(n)、上升时间Tr、采样频率Fs、1-Tr四个信号经过第一软调节模块C1得到上升的调节增益ADJUST_Rel(n)；控制增益ADJUST(n)、下降时间Ta、采样频率Fs、1-Ta四个信号经过第二软调节模块C2得到下降的调节增益ADJUST_Att(n)。

在第一软调节模块C1中有：

alpha_Rel＝1-exp(-1/Fs/Tr)；

ADJUST_Rel(n)＝ADJUST(n)*(1-alpha_Rel)+ADJUST_Rel(n-1)*alpha_Rel。其中ADJUST_Rel(n-1)为n时刻的上一时刻n-1的上升调节增益。

在第二软调节模块C2中有：

alpha_Att＝1-exp(-1/Fs/Ta)；

ADJUST_Att(n)＝ADJUST(n)*(1-alpha_Att)+ADJUST_Att(n-1)*alpha_Att。其中ADJUST_Att(n-1)为n时刻的上一时刻n-1的下降调节增益。

从而得到上升的调节增益ADJUST_Rel(n)和下降的调节增益ADJUST_Att(n)。上升的调节增益ADJUST_Rel(n)、下降的调节增益ADJUST_Att(n)、控制增益ADJUST(n)作为选择模块C3的输入信号，其中控制增益ADJUST(n)作为控制信号：

当ADJUST(n)＞＝0时，ADJUST_soft(n)＝ADJUST_Rel；

当ADJUST(n)＜0时，ADJUST_soft(n)＝ADJUST_Rel。

由此得到软调节增益ADJUST_soft(n)。

图5是本实用新型实施例中输出信号计算模块的原理图；输出信号计算模块13包括dBV/V转换模块131和乘法器132；dBV/V转换模块131的输入端连接增益软调节模块122中选择模块C3的输出端，dBV/V转换模块131的输出端连接乘法器132的第二输入端，乘法器132的第一输入端连接输入信号x(n)。

dBV/V转换模块131的输入信号为软调节增益ADJUST_soft(n)，经过转换得到dBV/V转换模块131的输出Gain(n)，由单位dBV转换成单位V，Gain(n)＝10ADJUST_soft(n)/20；整个装置的输入信号x(n)和dBV/V转换模块131的输出Gain(n)作为乘法器132的输入，在乘法器132内部作乘法处理，由此得到最终的输出信号y(n)。

图6是本实用新型实施例的输入信号波形图；图7是图6的输入信号经过本实用新型实施例的输出波形图。由两图可以看出经过本实用新型装置后得到的输出信号，幅度在门限之外的部分在Ta时间内降到门限之内；同理，幅度小的部分在Tr时间内得到放大，其过程都是平滑过度的，不会产生毛刺。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种调整输入信号动态范围的装置，其特征在于，包括：

用于计算输入信号包络的包络计算模块；

连接包络计算模块，并计算所述包络计算模块输出信号增益的增益计算模块；

连接所述增益计算模块，并对输入信号与增益计算模块的输出信号作乘法运算的输出信号计算模块。

2.根据权利要求1所述的调整输入信号动态范围的装置，其特征在于：所述增益计算模块进一步包括分段计算所述包络计算模块输出信号增益的可调增益控制模块，对可调增益控制模块的输出信号进行计算，得到其增益调节时间的增益软调节模块。

3.根据权利要求2所述的调整输入信号动态范围的装置，其特征在于：所述增益软调节模块包括第一软调节模块、第二软调节模块、选择模块；所述第一软调节模块的输入端与第二软调节模块的输入端、选择模块的第一输入端连接，第一软调节模块的输出端连接选择模块的第二输入端，第二软调节模块的输出端连接选择模块的第三输入端。

4.根据权利要求1所述的调整输入信号动态范围的装置，其特征在于：所述包络计算模块包括绝对值模块，比较判断模块，包络参数计算模块，第一包络计算模块，第二包络计算模块，包络选择模块，延迟单元；所述绝对值模块将输入信号取绝对值后输出，所述绝对值模块的输出端连接比较判断模块的第一输入端、第一包络计算模块第一输入端和第二包络计算模块的第一输入端；所述包络参数计算模块的三个输入端连接外部三个参数端口，包络参数计算模块的第一输出端和第二输出端连接第一包络计算模块的第二输入端和第三输入端，包络参数计算模块的第三输出端和第四输出端连接第二包络计算模块的第二输入端和第三输入端；第一包络计算模块的输出端连接包络选择模块的第一输入端；第二包络计算模块的输出端连接包络选择模块的第二输入端；包络选择模块的第三输入端连接比较判断模块的输出端，包络选择模块的输出端连接延迟单元的输入端，延迟单元的输出端连接比较判断模块的第二输入端、第一包络计算模块的第四输入端、第二包络计算模块的第四输入端。

5.根据权利要求1所述的调整输入信号动态范围的装置，其特征在于：所述输出信号计算模块包括dBV/V转换模块和乘法器；dBV/V转换模块的输入端连接增益软调节模块中选择模块的输出端，dBV/V转换模块的输出端连接乘法器的第二输入端，乘法器的第一输入端连接输入信号。

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