TW202207215A - 雜訊重塑式數字自動增益控制系統、方法 - Google Patents

雜訊重塑式數字自動增益控制系統、方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種雜訊重塑式數字自動增益控制系統包括一麥克風、一音量範圍控制裝置、以及一數字自動增益裝置。該麥克風接收一聲音訊號並經由一類比-數位轉換器輸出一原音訊號。該音量範圍控制裝置輸出一包含預期音量範圍的控制訊號。該數字自動增益裝置的輸入端連接至該麥克風與該音量範圍控制裝置的輸出端。該數字自動增益裝置藉由該控制訊號與前一階由該數字自動增益裝置所輸出的一修正音訊訊號進行比較並輸出維持在預期音量的範圍內的這一階該修正音訊訊號。

Description

雜訊重塑式數字自動增益控制系統、方法
本發明提供一種自動增益控制系統，尤其是一種能使調整過程平滑且迅速的雜訊重塑式數字自動增益控制系統。
自動增益控制（Automatic Gain Control）在各種行業中運用廣泛，尤其是運用在實際使用的音頻會議系統中，由於性別或講話者的習慣，會導致音頻系統輸出端的音量幅度產生巨大的差別，例如當講話者距離麥克風較遠時，會輸出較小的音量；講話者距離麥克風較近時，會輸出較大的音量。由於這樣的情況會使在相同會議中的所有與會者出現突然大聲/小聲的情況，而造成與會者的困擾。
藉此，使用自動增益控制能自動給予增益補償，當講話者聲音過大的時候，會自動降低增益，使會議中的聲音都維持在一定的音量下；反之，當講話者聲音過小的時候，會自動提升增益，使會議中的聲音都維持在一定的音量下上，藉此使與會者能夠順暢地進行會議。
但自動增益控制調整時會由於調整速率產生不順暢的情況，因此會使會議中的與會者感到不適。
本發明的主要目的，在於提供一種雜訊重塑式數字自動增益控制系統包括一麥克風、一音量範圍控制裝置、以及一數字自動增益裝置。該麥克風接收一聲音訊號並經由一類比-數位轉換器輸出一原音訊號。該音量範圍控制裝置輸出一包含預期音量範圍的控制訊號。該數字自動增益裝置的輸入端連接至該麥克風與該音量範圍控制裝置的輸出端並輸出一修正音訊訊號，該數字自動增益裝置包括一比較決策模組、一設置於該比較決策模組輸出的雜訊重塑模組、一設置於該雜訊重塑模組輸出端的映射模組、以及一設置於該映射模組輸出的音量調整模組。該比較決策模組的輸入端連接至該音量範圍控制裝置與該音量調整模組的輸出端並根據該音量調整模組前一階輸出的該修正音訊訊號高於或低於該預期音量範圍以決策輸出一比較決策訊號，該雜訊重塑模組依據該比較決策訊號輸出對應音量放大的階梯上升波訊號或音量降低的階梯下降波訊號，該映射模組係依據該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號依序映射輸出複數個音量調整訊號，該音量調整模組的另一輸入端連接至該麥克風，該音量調整模組依據該音量調整訊號將該原音訊號的音量往該預期音量範圍進行修正並輸出這一階的該修正音訊訊號。
本發明的另一目的，在於提供一種雜訊重塑式數字自動增益控制方法包括：一音量範圍控制裝置輸出一包含預期音量範圍的控制訊號至一數字自動增益裝置。一聲音訊號經由一麥克風進行類比-數位轉換後輸出一原音訊號至該數字自動增益裝置。該數字自動增益裝置的一比較決策模組接收由該數字自動增益裝置的一音量調整模組所輸出的前一階的一修正音訊訊號高於或低於該預期音量範圍以決策輸出一比較決策訊號至該數字自動增益裝置的一雜訊重塑模組。該雜訊重塑模組接收該比較決策訊號輸出對應音量放大的階梯上升波訊號或音量降低的階梯下降波訊號至該數字自動增益裝置的一映射模組。該映射模組依據該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號依序映射輸出複數個音量調整訊號至該音量調整模組。該音量調整模組依據該音量調整訊號將該原音訊號的音量往該預期音量範圍進行修正並輸出這一階的該修正音訊訊號。
是以，本發明較先前技術能使調整過程較為平滑且迅速，避免因為調整音量所造成的不適感。
有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下。再者，本發明中之圖式，為說明方便，其比例未必照實際比例繪製，該等圖式及其比例並非用以限制本創作之範圍，在此先行敘明。
於本發明中所述的「裝置」、「器」、「模組」及其對應執行的功能，可以由單一晶片或複數個晶片的組合協同執行，該等晶片配置的數量非屬本發明所欲限定的範圍。此外，所述的晶片可以為但不限定於處理器（Processor）、中央處理器（Central Processing Unit, CPU）、微處理器（Microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor, DSP）、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits, ASIC） 、可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device, PLD）等裝置的組合，於本發明中不予以限制。前述的晶片可各別或共有記憶單元，該記憶單元用以協助進行資料的保存。所述的記憶單元於一可行的實施例中可以為（但不限定於）快取記憶體（Cache memory）、動態隨機存取記憶體（DRAM）、持續性記憶體（Persistent Memory）等可以做為儲存資料和取出資料用途之裝置或其組合，於本發明中不予以限制。
以下針對本發明的其中一實施例進行說明，請參閱「圖1」，為本發明數字自動增益裝置，如圖所示：
請參酌「圖1」，本實施例揭示雜訊重塑式數字自動增益控制系統100，主要包括麥克風10、音量範圍控制裝置20、以及數字自動增益裝置30。
所述的麥克風10主要用於接收環境中的聲音訊號。麥克風10於其他實施例中例如可以為拾音器、或是其他可以用以接收環境音波的裝置，於本發明中不予以限制。於一實施例中，麥克風10包含類比-數位轉換器（Digital to analog converter, DAC）（圖未示），使麥克風所接收到的聲音訊號能經由類比-數位轉換器轉換成數位的原音訊號後輸出至數字自動增益裝置30。
所述的音量範圍控制裝置20用於輸出控制訊號，於一實施例中，音量範圍控制裝置20可以（但不限定）為控制器（controller）、數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）、函數訊號產生器（function generator）、任意波形產生器（Arbitrary waveform generators, AWG）、訊號產生器（Signal generator）等可產生訊號的裝置，於本發明中不予以限制。本發明所述的音量範圍控制裝置20根據出廠設定或使用者設定而儲存有一預期音量範圍，該音量範圍控制裝置20根據該預期音量範圍輸出一控制訊號（包含預期音量範圍）至數字自動增益裝置30。
所述的數字自動增益裝置30的輸入端連接至該麥克風10輸出端與該音量範圍控制裝置20的輸出端。請參酌「圖2」，該數字自動增益裝置30主要包括比較決策模組32、一設置於該比較決策模組32輸出的雜訊重塑模組34、一設置於該雜訊重塑模組34輸出端的映射模組36、以及一設置於該映射模組36輸出的音量調整模組38。
所述的比較決策模組32的輸入端連接至該音量範圍控制裝置20的輸出端與該音量調整模組38的輸出端並根據該音量調整模組38所輸出的前一階的該修正音訊訊號高於或低於該預期音量範圍以決策輸出一比較決策訊號。
所述的雜訊重塑模組34依據該比較決策訊號輸出對應音量放大的階梯上升波訊號或音量降低的階梯下降波訊號。請參酌「圖3」，該雜訊重塑模組34主要包括一輸入端連接至該比較決策模組32的延遲單元342、以及一輸入端連接至該延遲單元的多位階量化器344。其中，該延遲單元342包含一輸入端連接至該比較決策模組32輸出端的第一加法器3422、一輸入端連接至該第一加法器3422的輸出端與該多位階量化器344的輸出端的第二加法器3424、以及一輸入端連接至該第二加法器3424輸出端的延遲器3426，該延遲器3426的輸出端連接至該第一加法器3422的另一輸入端。該雜訊重塑模組34依據該比較決策訊號輸出對應音量放大的階梯上升波訊號或音量降低的階梯下降波訊號至映射模組36。
所述的第一加法器3422、第二加法器3424可以為但不限定於加法器（Adder）、半加器（Half Adder）、全加器（Full adder）、波紋進位加法器、超前進位加法器實現、或其它用於執行加法運算的數位電路、邏輯閘或其組合，於本發明中不予以限制。
所述的延遲器3426可以為但不限定於積分器（Integrator）、計數器（Counter）等可以做為訊號延遲或積分用途之電路或其組合，於本發明中不予以限制。
請復參閱「圖2」，所述的映射模組36的輸入端連接至雜訊重塑模組34的輸出端，所述的映射模組36可以為具有關聯陣列查找功能（查找表）的處理器或算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit, ALU），於本發明中不予以限制。映射模組36依據該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號依序映射輸出複數個音量調整訊號至音量調整模組38。
音量調整模組38的輸入端連接至映射模組36的輸出端、音量調整模組38的另一輸入端連接至麥克風10，音量調整模組38依據該音量調整訊號將該原音訊號的音量往該預期音量範圍進行修正並輸出這一階的該修正音訊訊號至一裝置DE（例如揚聲器、記憶單元或通訊模組等，端看實施的標的物為何，於本發明中不予以限制）。
以上針對本發明硬體架構的一具體實施例進行說明，有關於本發明的工作程式將於下面進行更進一步的說明，請參閱「圖4」，為本發明雙二階式聲音偵測方法的流程示意圖：
首先，本發明雜訊重塑式數字自動增益控制系統100於啟動時，音量範圍控制裝置20會根據用戶設定或出廠設定輸出一包含預期音量範圍的控制訊號至數字自動增益裝置30（步驟S201）。於一實施例中，控制訊號的預期音量範圍可以為一數值範圍或一定值，於本發明中不予以限制。
接續，麥克風10接收聲音訊號，並將該聲音訊號經由類比-數位轉換器輸出一原音訊號至數字自動增益裝置30（步驟S202）。於本發明雜訊重塑式數字自動增益控制系統100啟動時，由於尚無前一階的修正音訊訊號，因此將直接由數字自動增益裝置30將麥克風10所接收的原音訊號直接輸出，且無須經過步驟S203-S206的調整。所述的前一階的修正音訊訊號為下述步驟S203-205中用於修正這一階修正音訊訊號的前一次修正音訊訊號。
數字自動增益裝置30中的比較決策模組32接收音量範圍控制裝置20的控制訊號、與音量調整模組38輸出的前一階的修正音訊訊號，依據前一階的修正音訊訊號高於或低於該預期音量範圍以決策輸出比較決策訊號至數字自動增益裝置30的雜訊重塑模組34（步驟S203）。於一實施例，該比較決策模組32接收到調整後的該修正音訊訊號高於該預期音量時，輸出需要音量降低的比較決策訊號；反之，該比較決策模組32接收到調整後的該修正音訊訊號低於該預期音量時，輸出需要音量放大的比較決策訊號。於本實施例中，音量放大的比較決策訊號具體可以為上升段訊號，所述的上升段訊號於一實施例中可以為由0(最小)至1(最大) 之間的上升區間；音量降低的比較決策訊號具體可以為下降段訊號，所述的下降段訊號於一實施例中可以為由1(最大)至0(最小)之間的下降區間。於其他實施例中，上升段訊號與下降段訊號的峰值與波型可根據實際內容調整，於本發明中不予以限制。
雜訊重塑模組34的延遲單元342將接收到的比較決策訊號延遲並輸出至多位階量化器344，由該多位階量化器344輸出對應比較決策訊號的階梯下降波訊號或階梯上升波訊號至映射模組36（步驟S204）。於一實施例中，雜訊重塑模組34接收到音量降低的比較決策訊號時，雜訊重塑模組輸出該階梯下降波訊號；反之，雜訊重塑模組34接收到音量放大的比較決策訊號時，雜訊重塑模組輸出該階梯上升波訊號。於本實施例中，雜訊整型模組34係依據下面的關係式輸出階梯下降波訊號或階梯上升波訊號：
Figure 02_image001
；
Figure 02_image003
； 其中，
Figure 02_image005
為第
Figure 02_image007
階段輸入至延遲單元342的比較決策訊號，
Figure 02_image009
為第
Figure 02_image007
階段輸出的該上升階梯波訊號或該下降階梯波訊號，
Figure 02_image011
為第
Figure 02_image013
階段輸出的該上升階梯波訊號或該下降階梯波訊號，
Figure 02_image015
為第
Figure 02_image007
階段時延遲單元342輸出至多位階量化器344的輸出訊號，
Figure 02_image017
為第
Figure 02_image013
階段時該延遲單元342輸出至多位階量化器344的輸出訊號，
Figure 02_image019
為該多位階量化器344預設的位階數值，floor()為一floor函數。其中，
Figure 02_image019
為一正整數。
映射模組36接收階梯下降波訊號或階梯上升波訊號後，映射模組36依序映射出複數個音量調整訊號至音量調整模組38（步驟S205）。於一實施例中，映射模組36係依據下面的關係式映射輸出該音量調整訊號：
Figure 02_image021
；
Figure 02_image023
； 其中，
Figure 02_image025
為第
Figure 02_image007
階段輸入至映射模組36的階梯下降波訊號或階梯上升波訊號，
Figure 02_image027
為第
Figure 02_image007
階段映射輸出的音量調整訊號，Z為正整數，
Figure 02_image029
為預設的音量增益單元(dB)。
最後，音量調整模組38依據音量調整訊號將該原音訊號的音量往預期音量範圍進行修正，音量調整模組38輸出這一階的修正音訊訊號（步驟S206）。於一實施例中，該音量調整模組38係依據下面的關係式輸出該修正音訊訊號：
Figure 02_image031
； 其中，
Figure 02_image033
為該映射模組第
Figure 02_image007
階段輸入至該音量調整模組38的該音量調整訊號，
Figure 02_image035
為第
Figure 02_image007
階段輸入至該音量調整模組38的原音訊號，
Figure 02_image037
為該音量調整模組38於第
Figure 02_image007
階段輸出的該修正音訊訊號。所述的修正音訊訊號將輸入至一揚聲器、記憶單元或通訊模組等，本發明輸出的修正音訊訊號所應用的領域非屬本發明所欲限制的範圍，於此敘明。
綜上所述，比起習知技術，本發明較先前技術能使調整過程較為平滑且迅速，避免因為調整音量所造成的不適感。
以上已將本發明做一詳細說明，惟，以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。
100:雜訊重塑式數字自動增益控制系統 10:麥克風 20:音量範圍控制裝置 30:數字自動增益裝置 32:比較決策模組 34:雜訊重塑模組 342:延遲單元 3422:第一加法器 3424:第二加法器 3426:延遲器 344:多位階量化器 36:映射模組 38:音量調整模組 DE:裝置 S201-206:步驟
圖1，為本發明雜訊重塑式數字自動增益控制系統的方塊示意圖。
圖2，為本發明數字自動增益裝置的方塊示意圖。
圖3，為本發明雜訊重塑模組的方塊示意圖。
圖4，為本發明雜訊重塑式數字自動增益控制方法的流程示意圖。
100:雜訊重塑式數字自動增益控制系統
10:麥克風
20:音量範圍控制裝置
30:數字自動增益裝置

Claims (12)

  1. 一種雜訊重塑式數字自動增益控制系統，包括： 一麥克風，接收一聲音訊號並經由一類比-數位轉換器輸出一原音訊號； 一音量範圍控制裝置，輸出一包含預期音量範圍的控制訊號；以及 一數字自動增益裝置，輸入端連接至該麥克風與該音量範圍控制裝置的輸出端並輸出一修正音訊訊號，該數字自動增益裝置包括一比較決策模組、一設置於該比較決策模組輸出的雜訊重塑模組、一設置於該雜訊重塑模組輸出端的映射模組、以及一設置於該映射模組輸出端的音量調整模組，該比較決策模組的輸入端連接至該音量範圍控制裝置與該音量調整模組的輸出端並根據該音量調整模組前一階輸出的該修正音訊訊號高於或低於該預期音量範圍以決策輸出一比較決策訊號，該雜訊重塑模組依據該比較決策訊號輸出對應音量放大的階梯上升波訊號或音量降低的階梯下降波訊號，該映射模組係依據該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號依序映射輸出複數個音量調整訊號，該音量調整模組的另一輸入端連接至該麥克風，該音量調整模組依據該音量調整訊號將該原音訊號的音量往該預期音量範圍進行修正並輸出這一階的該修正音訊訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制系統，其中，該比較決策模組接收到調整後的該修正音訊訊號高於該預期音量時，該雜訊重塑模組輸出該階梯下降波訊號；該比較決策模組接收到調整後的該修正音訊訊號低於該預期音量時，該雜訊重塑模組輸出該階梯上升波訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制系統，其中，該雜訊重塑模組包括一輸入端連接至該比較決策模組的延遲單元、以及一輸入端連接至該延遲單元的多位階量化器，其中，該延遲單元包含一輸入端連接至該比較決策模組的第一加法器、一輸入端連接至該第一加法器與該多位階量化器的第二加法器、以及一輸入端連接至該第二加法器的延遲器，該延遲器的輸出端連接至該第一加法器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制系統，其中，該雜訊重塑模組係依據下面的關係式輸出該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號：
    Figure 03_image001
    ；
    Figure 03_image003
    ； 其中，
    Figure 03_image005
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸入至該延遲單元的該比較決策訊號，
    Figure 03_image009
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸出的該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號，
    Figure 03_image011
    為第
    Figure 03_image013
    階段輸出的該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號，
    Figure 03_image015
    為第
    Figure 03_image007
    階段時該延遲單元輸出至該多位階量化器的延遲訊號，
    Figure 03_image017
    為第
    Figure 03_image013
    階段時該延遲單元輸出至該多位階量化器的延遲訊號，
    Figure 03_image019
    為該多位階量化器預設的位階數值，floor()為一floor函數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制系統，其中，該映射模組係依據下面的關係式映射輸出該音量調整訊號：
    Figure 03_image021
    ；
    Figure 03_image023
    ； 其中，
    Figure 03_image039
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸入至該映射模組的該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號，
    Figure 03_image027
    為第
    Figure 03_image007
    階段映射輸出的該音量調整訊號，Z為正整數，
    Figure 03_image029
    為預設的音量增益單元(dB)。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制系統，其中，該音量調整模組係依據下面的關係式輸出該修正音訊訊號：
    Figure 03_image041
    ； 其中，
    Figure 03_image033
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸入至該音量調整模組的該音量調整訊號，
    Figure 03_image035
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸入至該音量調整模組的該原始音訊訊號，
    Figure 03_image037
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸出的調整後的該修正音訊訊號。
  7. 一種雜訊重塑式數字自動增益控制方法，包括： 一音量範圍控制裝置輸出一包含預期音量範圍的控制訊號至一數字自動增益裝置； 一聲音訊號經由一麥克風進行類比-數位轉換後輸出一原音訊號至該數字自動增益裝置； 該數字自動增益裝置的一比較決策模組接收由該數字自動增益裝置的一音量調整模組所輸出的前一階的一修正音訊訊號高於或低於該預期音量範圍以決策輸出一比較決策訊號至該數字自動增益裝置的一雜訊重塑模組； 該雜訊重塑模組接收該比較決策訊號輸出對應音量放大的階梯上升波訊號或音量降低的階梯下降波訊號至該數字自動增益裝置的一映射模組； 該映射模組依據該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號依序映射輸出複數個音量調整訊號至該音量調整模組；以及 該音量調整模組依據該音量調整訊號將該原音訊號的音量往該預期音量範圍進行修正並輸出這一階的該修正音訊訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制方法，其中，該比較決策模組接收到調整後的該修正音訊訊號高於該預期音量時，該雜訊重塑模組輸出該階梯下降波訊號；該比較決策模組接收到調整後的該修正音訊訊號低於該預期音量時，該雜訊重塑模組輸出該階梯上升波訊號。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制方法，其中，該雜訊重塑模組包括一輸入端連接至該比較決策模組的延遲單元、以及一輸入端連接至該延遲單元的多位階量化器，其中，該延遲單元包含一輸入端連接至該比較決策模組的第一加法器、一輸入端連接至該第一加法器與該多位階量化器的第二加法器、以及一輸入端連接至該第二加法器的延遲器，該延遲器的輸出端連接至該第一加法器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制方法，其中，該雜訊重塑模組係依據下面的關係式輸出該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號：
    Figure 03_image001
    ；
    Figure 03_image003
    ； 其中，
    Figure 03_image005
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸入至該延遲單元的該比較決策訊號，
    Figure 03_image009
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸出的該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號，
    Figure 03_image011
    為第
    Figure 03_image013
    階段輸出的該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號，
    Figure 03_image015
    為第
    Figure 03_image007
    階段時該延遲單元輸出至該多位階量化器的延遲訊號，
    Figure 03_image017
    為第
    Figure 03_image013
    階段時該延遲單元輸出至該多位階量化器的延遲訊號，
    Figure 03_image019
    為該多位階量化器預設的位階數值，floor()為一floor函數。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制方法，其中，該映射模組係依據下面的關係式映射輸出該音量調整訊號：
    Figure 03_image021
    ；
    Figure 03_image023
    ； 其中，
    Figure 03_image039
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸入至該映射模組的該階梯上升波訊號或該階梯下降波訊號，
    Figure 03_image027
    為第
    Figure 03_image007
    階段映射輸出的該音量調整訊號，Z為正整數，
    Figure 03_image029
    為預設的音量增益單元(dB)。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的雜訊重塑式數字自動增益控制方法，其中，該音量調整模組係依據下面的關係式輸出該修正音訊訊號：
    Figure 03_image041
    ； 其中，
    Figure 03_image033
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸入至該音量調整模組的該音量調整訊號，
    Figure 03_image035
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸入至該音量調整模組的該原始音訊訊號，
    Figure 03_image037
    為第
    Figure 03_image007
    階段輸出的調整後的該修正音訊訊號。
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