TWI399918B - 訊號自動增益調整方法與應用該方法之裝置 - Google Patents

Description

訊號自動增益調整方法與應用該方法之裝置

本發明揭露一種訊號自動增益調整方法與應用該方法之裝置，特別的是應用在音訊接近爆音狀態時，能夠維持於一臨界值之下，避免習知的自動增益機制產生的不穩定情況。

自動增益控制(Automatic gain control,AGC)技術應用於很多的電子裝置上，尤其是用在具有音訊輸出的裝置上。在自動增益控制的機制下，會回饋電子裝置輸出訊號的平均值，用以調整輸入訊號的增益(gain)，能夠降低過大的音量，或是提昇過小的音量，使訊號強度分佈過廣的輸出音訊不至於在過大或過小音量間震盪而產生不舒服的聆聽經驗。

自動增益控制亦可應用於錄音的技術，透過上述自動調整訊號過大時的增益，能有更好得錄音品質。比如，錄音當中突有個很大而非預期的聲響，可能造成聆聽錄音的人極度的驚嚇，所以當下即刻調整增益的機制可以遏止這種狀況。

自動增益控制機制中設定有一預設增益值。播放聲音時，當聲音音量超過一門檻值時，會產生爆音，此時一般的自動增益控制機制會由閒置狀態啟動，進入一始動時間(Attack time)，隨時間遞減一增益值，於一特定時間之後，進入保持時間(Hold time)，這段時間並不調整增益值，維持一段時間後，再進入釋放時間(Release time)，以逐步遞增增益值至自動增益控制機制中的預設增益值。之後，自動增益控制機制又回到閒置狀態，增益可為正值或負值。

第一圖顯示為經過傳統自動增益控制處理的訊號。音訊原處於一穩定輸出的狀態，當聲音強度(如音量)大於最大臨界值(max threshold)時，即啟動自動增益控制機制，如上段所述，將進入始動時間，使增益遞減。之後進入保持時間，再於一特定時間後，進入釋放時間。但此圖顯示，當聲音強度於接近最大臨界值時，由於釋放時間內的增益將逐步加上一增益(enhance gain)，使得聲音強度又會超過最大臨界值。

如此一來，因為自動增益控制機制會由於超過最大臨界值會進入始動時間，聲音強度再減掉特定增益值，之後再進入保持時間與釋放時間，又加上增益。但是，在此機制下，可能因為聲音徘徊在最大臨界值，導致在短時間內多次進入減掉增益的始動時間與加上增益的釋放時間，產生如第一圖所示的鋸齒狀噪音或截平(Clip)波的產生，其中產生不少噪音，如圖中所指的噪音101。如果聲音強度一直在最大臨界值附近遊走，那麼鋸齒狀波形或截平波會周期性的產生，讓聽的人不舒服。

第二圖則顯示習知的自動增益控制機制在釋放時間時會產生噪音的波形示意圖。此圖顯示為放大第一圖的一部分，明顯可知，當保持時間維持一段時間後，即進入欲將增益加回原預設增益值的釋放時間，而可能因為音訊強度徘徊於最大臨界值附近，而很快即又產生爆音，再進入始動時間，以遞減增益，使之不超過最大臨界值。

提供一種訊號自動增益調整的機制，使有引用自動增益控制(AGC)的音訊裝置能有更好的播放與錄音品質，尤其當輸入的聲音強度在臨界值附近遊走時，不會產生因為其中釋放時間與始動時間之間在短時間之內切換產生的噪音，發明可應用於遊戲機、遊戲軟體、聲音播放/錄音裝置、類比數位轉換器(ADC/DAC)、麥克風等需要避免經音訊增益調整產生噪音的裝置上。

其中訊號自動增益調整方法之實施例包括先接收訊號，主要實施例可針對音訊，並進行取樣，在一般自動增益控制機制下，原始訊號會加上一固定增益值(正值或負值)，得出新訊號，之後隨時判斷新訊號的強度是否大於一最大臨界值，也就是可能會出現爆音的臨界值。

若是新訊號的強度不大於最大臨界值，即繼續以在當下自動增益機制下的增益值輸出訊號，並繼續接收訊號；若是新訊號的強度大於最大臨界值，則啟動自動增益控制機制，進入一始動時間(Attach time)，並自動漸次降低增益，遞減新訊號的強度，直到小於或等於最大臨界值，再進入保持時間(Hold time)。本發明於此時進入保持時間後，一般增益值不變，但執行預加一預測增益值的步驟，藉此能夠預測經預加預測增益值的訊號強度是否大於一預設門檻值，若經預加預測增益值的訊號強度大於此預設門檻值，會繼續判斷是否大於最大臨界值，若仍大於最大臨界值，即進入始動時間，進行遞減增益值的工作；此時，經預加增益的訊號大於預設門檻值，但不大於最大臨界值，仍保持在保持時間內。

在保持時間內，若是經預加預測增益值的訊號強度不大於預設門檻值時，經保持增益一段時間後，執行自動增益控制程序，進入釋放時間(Release time)，以遞增增益值，直到經遞增的訊號強度不大於最大臨界值，且能恢復到原本的自動增益機制下的增益值，也就是訊號強度等於原始的訊號加上原本自動增益機制下的固定增益值(可為正值或負值)。在上述增益調整的時段，同時輸出經遞增或遞減的訊號，並繼續接收訊號之步驟。

自動增益控制機制主要特色是在訊號發展時，偵測到爆音時，能夠迅速進入一始動時間(Attack time)，逐漸減少增益，並於一定時間後，進入一保持時間(Hold time)，此時為固定增益的狀態，再於一段時間後，進入釋放時間(Release time)，期間是遞增增益的階段，使增益值能夠恢復到原有正常運作的值。

自動增益控制機制主要用途是能夠透過自動增益的調整來遏止聲音強度，如音量，在超過最大臨界值時產生的爆音現象，主要的方式是透過訊號偵測，當有取樣的訊號超過最大臨界值時，能夠馬上進入始動時間，自動調降增益，將超過最大臨界值的訊號拉回，以避免連續的爆音。

但是，若是音訊強度持續出現在接近最大臨界值的附近時，會因為自動增加增益的關係，常常出現爆音，雖有自動增益控制能夠即時進入始動時間，但是又可能因為下次進入釋放時間，因為遞增增益的關係，又再一次產生爆音，如此訊號在臨界值左右時，常會發生音訊上上下下自動調整的情況，而產生訊號不穩定，或是造成聆聽上不舒服的困擾。

請參考第三A圖顯示為在習知自動增益控制機制下的訊號波形圖，其中波形為持續輸出的訊號，縱軸上的最大臨界值標示為301與302，訊號超過最大臨界值就會產生爆音，最初顯示雖波形雖有起伏變化，但是保持時間並未有增益的調整，若進入釋放時間，會遞增增益值。當訊號慢慢增加而產生突波時，如圖中所框出的爆音303，即刻進入始動時間，降低增益，以銳利下降的波形反應。亦可參考第二圖。

而應用本發明自動增益控制機制下的訊號波形圖，則可參考第三B圖，主要是因為透過預先增加增益的方式預測下一個時間的訊號強度，藉此將訊號限制於特定門檻之下，除了免除爆音外，更能免除一段時間接近臨界值時，因為習知自動增益控制下可能產生連續增益調整而產生連續爆音刺耳的問題。

再參考第三C圖，第三C圖顯示進入始動時間、保持時間與釋放時間的增益變化示意圖。一般啟動自動增益控制機制前，系統處於閒置時間(idle)，此時增益值可能維持一定值，當有訊號超過最大臨界值時，即啟動此自動增益控制。

如圖所示之範例，閒置時間增益為+5，當啟動自動增益控制時，即進入一始動時間(Attack Time)，此時如圖中虛線表示的增益變化，增益將由原來的+5逐漸遞減0.5，成為+4.5、+4.0至設定之低點(gain=-2.0)，也就進入一保持時間(Hold Time)。

進入保持時間後，增益維持不變，此例為-2.0，於一段時間(可能僅為微秒(ms))後，進入釋放時間(Release Time)。在釋放時間中，增益將遞增，如此例遞增值為+0.5，增益將由-2.0、-1.5、-1.0改變至+5.0，為預設之高點，即進入閒置時間。

特別的是，本發明所提出的自動增益控制機制，是在保持時間中，透過預加一預測增益值判斷是否下一個時間可能會產生超過最大臨界值，也就是產生爆音的情況。經預測後，若是會產生爆音，則會強制進入始動時間，即如圖中虛線304顯示的執行方向，若是不會有爆音，則循著標準的自動增益控制的程序，進入釋放時間，如圖中虛線305所標示的執行方向。

本發明提供的訊號自動增益調整方法，主要是在自動增益控制演算之下，在保持時間加入預測訊號強度的機制，其中特徵包括建立一種回饋機制決定是否要從保持時間進入釋放時間，並利用可調的預測值，預測下一時間的音訊強度。若預測的音訊強度大於此預測值，隨即進入始動時間，下調增益值，避免聲音強度在接近最大臨界值時頻繁在保持時間、釋放時間與始動時間中循環，減少邊界值增益的調整，達到降低鋸齒狀噪音及截平(Clip)波的功能，如第四圖顯示的透過本發明訊號自動增益調整方法處理過得訊號圖。本發明可以讓輸入的聲音振幅在邊緣值附近遊走時，不會產生爆音。

上述可調的預測值(Pre_Threshold)，其一實施例可等於最大臨界值(Threshold)減去一預測增益值(pre_gain)，也就是：

Pre_Threshold=Threshold-pre_gain

請參考第五圖顯示本發明利用預加預測增益值的訊號自動增益調整方法之概念流程圖，而實際應用並不限制於音訊處理。

此流程主要顯示在本發明自動增益調整機制下進入始動時間、保持時間與釋放時間的判斷方式。步驟開始之前，將由一音訊裝置(包括音訊輸出裝置、錄音裝置)接收原始訊號，系統更引用一增益值，對訊號進行取樣(sampling)，由取樣的音訊執行本發明訊號自動增益調整方法，期間，同時調整增益與輸出經增益調整的訊號。

此機制接著如步驟S501所示，由程序進入保持時間後開始，此時系統的增益可為正值或負值，在本發明提供的機制下，先將取樣的訊號預加一預測增益值(步驟S503)，得出用於預測的新訊號，並判斷此新訊號強度是否大於所預先針對特定系統設定的預設門檻值(步驟S505)，此預設門檻值可為比最大臨界值(也就是接近爆音的上限值)為小的值，藉以規範增益的調整範圍。

若步驟S505的判斷為否，表示此時訊號經過預先加上預測增益值後仍不會大於預設門檻值，若是預加預測增益值後，音訊強度不會大於預設門檻值，表示此時輸出的音訊相對來講比較不會產生爆音，則執行步驟S513，進入一般自動增益控制流程。此時增益則根據一般訊號自動增益控制而調整，比如，由保持時間進入釋放時間，增益將以遞增方式調整，再經閒置時間後，又再一次進入步驟S501所示的保持時間中，再執行本發明所提出的自動增益調整程序。

經步驟S505判斷後，若為是，表示經預加增益後，訊號強度大於預設門檻值，則再判斷是否大於最大臨界值(步驟S507)，最大臨界值為系統產生不穩定訊號的臨界值，此時以最大臨界值判斷是否主動進入始動時間。若為否，表示此時訊號經預加增益放大後，雖已大於預設門檻值，但仍未大於最大臨界值，則持續保持在保持時間中(步驟S501)，持續以預加增益的方式判斷是否會有不穩定訊號。

若判斷為是，表示訊號經預加增益放大後，不僅大於預設門檻，更會大於最大臨界值，此時表示訊號在實際狀況(非預加訊號)下可能在經過增益調整後會超過最大臨界值，即自動進入始動時間(步驟S509)，就當下的增益值再遞減增益(步驟S511)。接下來再回到步驟S507，判斷訊號經遞減增益調整後，是否仍大於最大臨界值，直到小於或等於最大臨界值時，再由始動時間進入保持時間(步驟S501)。

特別的是，上述預測增益值與在始動時間內遞減的增益值(此可為一固定差值△)為依需求的可調整值，實施例可參考第六圖。

以下列舉一例，此例設定最大臨界值100(為音量單位，如dB)，進入保持時間時，也就是執行本發明自動增益調整的程序中，當下的增益值(gain)為-2(可為dB)，預測增益值為+3，預設門檻值則為95，進入保持時間的音量分別為100、90與95等三例：

根據上表顯示，若輸入系統的訊號值為100，經預加+3的預測增益值後，同時大於預設門檻值95與最大臨界值100，則主動進入始動時間，此時輸出訊號將以原有系統增益值-2來進行調整，之後再經始動時間內增益調整；若輸入訊號為90，經預加+3後，尚未大於預設門檻值95與最大臨界值100，則以一般自動增益控制程序來處理；若輸入訊號為95，經預加+3後，雖大於預設門檻值95，但尚未大於最大臨界值100，此時仍維持在保持時間內，持續預測訊號強度、判斷進入釋放時間與始動時間的時機。

第六圖係為本發明訊號自動增益調整方法之實施例流程圖，其中描述執行自動增益控制機制時增益值與訊號強度在本發明方法流程中的變化。

步驟一開始，如步驟S601，自動增益控制機制為閒置狀態，也就是所接收的原始訊號的強度沒有到最大臨界值的狀態，此期間，一般自動增益調整機制在原始訊號輸出時固定調整一固定增益值(可為正值或負值)，得出一經調整的新訊號(步驟S603)，在自動增益控制機制為閒置狀態，音訊或其他訊號為持續輸出的一般狀態。此時間，隨時判斷此新訊號的強度是否大於會產生爆音的最大臨界值？(步驟S605)，也就是判斷是否產生特別的突波，如爆音，若是產生爆音，立即啟動自動增益控制機制，並如步驟S607所述，進入始動時間，訊號遞減第一增益值(步驟S609)，期間，訊號持續以經調整後的增益輸出；而若新訊號的強度不大於最大臨界值，即繼續接收訊號之步驟(步驟S601)。

在本發明中，為了防止訊號在啟動本發明自動增益控制機制之前輸出可能產生的爆音，特別於強度大於最大臨界值時，以一限制器(limiter)限制輸出訊號，以免超過該最大臨界值。

在始動時間，如步驟S607，訊號自動增益調整方法仍持續判斷經遞減的訊號是否大於最大臨界值？(步驟S611)，若仍大於最大臨界值，則繼續執行步驟S609遞減第一增益值的步驟，直到經調整的訊號不大於該最大臨界值。同樣，期間訊號仍持續以調整後的增益輸出。若是小於或是等於此最大臨界值，則如步驟S613，進入保持時間，此時即執行本發明方法，進入本發明的自動增益控制機制，保持時間會維持一段增益值不變的狀態，而於保持時間中，本發明即利用預加一預測增益值進行預測的動作(步驟S615)，預加預測增益值後的訊號強度將回饋，用以判斷適當的增益值。

如以播放音訊為例，取樣時延遲一個樣本(Sample)，預加預測增益值，以預測下一時間的訊號是否大於預設門檻值(步驟S617)，此預設門檻值用以限制輸出訊號的上限，實施例可為比最大臨界值小一點的值。若經預加增益的訊號仍大於此預設門檻值，則回到步驟S611，判斷訊號是否大於最大臨界值，此時，經預加預測增益值的訊號若同樣大於最大臨界值，則執行步驟S609，進入始動時間內，將非經預加增益的原訊號持續遞減第一增益值(此與預測增益值不同意義)，藉此第一增益值調整增益，直到不大於該最大臨界值，再進入保持時間；在步驟S617中，若是在保持時間中，經預加預測增益值的訊號已經不大於預設門檻值，表示可進入釋放時間，也就是回到一般自動增益控制的機制中(步驟S619)，藉遞增第二增益值調整增益(步驟S621)。在釋放時間中，增益值將遞增，訊號同時持續以調整後的增益輸出。

接著如步驟S623，在釋放時間中仍持續判斷經遞增增益值的訊號強度是否大於最大臨界值，若大於最大臨界值，表示已經會產生爆音，此時，則回到步驟S609，進入始動時間，藉遞減第一增益值調整增益；若是在釋放時間經遞增增益的訊號強度不大於最大臨界值(否)，並隨時判斷訊號強度是否等於原來強度加上固定增益值(步驟S625)，此步驟主要是因為於釋放時間時，增益值將遞增，並且能恢復到原始應該有固定增益值，如步驟S603所描述，經上述遞增與遞減的反覆判斷，與預設門檻值的限制，能夠使輸出的音訊不再產生連續的爆音，尤其是訊號徘徊在最大臨界值的情況下。

最後，若為經釋放時間遞增增益值後，可以使得訊號強度等於原來強度加上固定增益值，則回到步驟S601開始之步驟中，否則，應持續處於釋放時間遞增第二增益值的情況(步驟S621)、判斷是否大於預設門檻值(步驟S623)、或利用始動時間調整增益的情況中。

值得一提的是，上述實施例中的訊號，可為由音訊裝置所接收之音訊，其中音訊在自動增益控制的機制下將引用一可為正值或負值的增益值，而用於預測強度的預測增益值、用於始動時間的第一增益值、用於釋放時間的第二增益值，並用於規範上限的預設門檻值皆可依需求調整，而且第一增益值與第二增益值亦可為相同的值。特別的是，預設門檻值可設為比接近爆音的最大臨界值小一點的值，以此為上限的判斷可將訊號限制於一安全範圍內，透過本發明的預測機制，更能排除瞬間超過臨界值的爆音。

上述發明步驟亦可應用於錄音的技術，透過自動調整訊號過大時的增益，能有更好得錄音品質。比如，錄音當中突有個很大而非預期的聲響，可能造成聆聽錄音的人極度的驚嚇，所以當下即刻調整增益的機制可以遏止這種狀況。

綜上所述，本發明訊號自動增益調整方法為透過先增加增益的訊號強度來預測下一時間的訊號是否會產生有非預期的突波，進而執行增益調整，以避免不適當的訊號輸出，可以消除不舒服的爆音。

惟以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效結構變化，均同理包含於本發明之範圍內，合予陳明。

101‧‧‧爆音

301,302‧‧‧最大臨界值標示

703‧‧‧類比數位轉換單元

303‧‧‧爆音

304,305‧‧‧執行方向

第一圖係顯示為經過傳統自動增益控制處理的訊號圖；

第二圖顯示習知的自動增益控制機制在釋放時間時會產生噪音的波形示意圖；

第三A圖顯示為在習知自動增益控制機制下的訊號波形圖；

第三B圖顯示為在本發明自動增益控制機制下的訊號波形圖；

第三C圖顯示進入始動時間、保持時間與釋放時間的增益變化示意圖；

第四圖係為透過本發明訊號自動增益調整方法處理過的訊號圖；

第五圖係為本發明訊號自動增益調整方法之概念流程圖；

第六圖係為本發明訊號自動增益調整方法之實施例流程圖。

(本圖為方法流程，無元件符號)

Claims (20)

1. 一種訊號自動增益調整方法，包括有：接收一原始訊號，並引用一增益值；取樣該原始訊號；預加一預測增益值，得出一用於預測的新訊號；判斷經預加該預測增益值之該用於預測的新訊號的強度是否大於一預設門檻值；若該用於預測的新訊號的強度不大於該預設門檻值，即輸出該原始訊號經一自動增益控制調整後的訊號；若該用於預測的新訊號的強度大於該預設門檻值，再判斷該用於預測的新訊號是否大於一最大臨界值；若該用於預測的新訊號不大於該最大臨界值，即輸出該原始訊號經該自動增益控制調整後的訊號；以及若該用於預測的新訊號大於該最大臨界值，則遞減該增益值，並輸出該原始訊號經增益調整的訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之訊號自動增益調整方法，其中該原始訊號係為一音訊裝置接收之音訊。
3. 如申請專利範圍第1項所述之訊號自動增益調整方法，其中該預測增益值、該增益值與該預設門檻值為依需求的可調整值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之訊號自動增益調整方法，其中該預設門檻值係為比該最大臨界值為小的值。
5. 如申請專利範圍第4項所述之訊號自動增益調整方法，其中該最大臨界值係為一接近爆音的上限值。
6. 如申請專利範圍第3項所述之訊號自動增益調整方法，其中該增益值為一正值或一負值。
7. 如申請專利範圍第1項所述之訊號自動增益調整方法，其中該預加預測增益值之步驟係執行該訊號自動增益調整方法進入一保持時間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之訊號自動增益調整方法，其中若該用於預測的新訊號的強度不大於該預設門檻值，該訊號自動增益調整方法進入一釋放時間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之訊號自動增益調整方法，其中若該用於預測的新訊號大於該預設門檻值與該最大臨界值，該訊號自動增益調整方法進入一始動時間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之訊號自動增益調整方法，其中若該用於預測的新訊號大於該預設門檻值，但不大於該最大臨界值，該訊號自動增益調整方法進入一保持時間。
11. 一種訊號自動增益調整方法，包括有：接收一原始訊號；取樣該原始訊號；該原始訊號經一自動增益控制機制，引用一固定增益值調整該原始訊號，得出一新訊號；該原始訊號經增加該固定增益值調整後，判斷該新訊號的強度是否大於一最大臨界值；若該新訊號的強度不大於該最大臨界值，即繼續接收、取樣該原始訊號與經調整該原始訊號而得出該新訊號之步驟； 若該新訊號的強度大於該最大臨界值，則進入一始動時間，並將該新訊號的強度遞減一第一增益值，並輸出經該第一增益值調整的訊號；判斷經該第一增益值調整的訊號的強度是否大於該最大臨界值；若是在該始動時間內的經該第一增益值調整的訊號大於該最大臨界值，則繼續遞減該第一增益值，並繼續輸出經該第一增益值調整的訊號，直到經該第一增益值調整的訊號不大於該最大臨界值；若是在該始動時間內經該第一增益值調整的訊號不大於該最大臨界值，進入一保持時間；進入該保持時間後，經該第一增益值調整的訊號預加一預測增益值；判斷經預加該預測增益值的訊號強度是否大於一預設門檻值；若該經預加該預測增益值的訊號強度大於該預設門檻值，續判斷經預加該預測增益值的訊號強度是否大於該最大臨界值，並藉該第一增益值調整增益，直到經預加該預測增益值的訊號不大於該最大臨界值；若該經預加該預測增益值的訊號強度不大於該預設門檻值時，經保持一段時間後，進入一釋放時間，以藉遞增一第二增益值調整增益，並輸出經該第二增益值調整的訊號；該經第二增益值調整的訊號經遞增該第二增益值後，判斷是否大於該最大臨界值； 若該經第二增益值調整的訊號大於該最大臨界值，則進入該始動時間，並藉遞減該第一增益值調整增益，並輸出經該第一增益值調整的訊號；以及若該經第二增益值調整的訊號小於或等於該最大臨界值，且其強度等於該原始訊號加上該固定增益值，輸出經該第二增益值調整的訊號，與繼續接收後續原始訊號。
12. 如專利申請範圍第11項所述的訊號自動增益調整方法，其中該固定增益為一正值或一負值。
13. 如專利申請範圍第11項所述的訊號自動增益調整方法，其中若經該固定增益值調整的新訊號的強度不大於該最大臨界值時，該方法所利用的自動增益控制機制處於一閒置狀態。
14. 如專利申請範圍第11項所述的訊號自動增益調整方法，其中當該經該固定增益調整的新訊號強度大於該最大臨界值時，將以一限制器限制該輸出訊號，以免超過該最大臨界值。
15. 如專利申請範圍第11項所述的訊號自動增益調整方法，其中若經該第二增益調整的訊號強度並不等於該原始訊號加上該固定增益值的強度，則仍繼續於該釋放時間遞增該第二增益值的步驟。
16. 如專利申請範圍第11項所述的訊號自動增益調整方法，其中於進入該保持時間後，即保持當下已經遞減的增益值，並不變動。
17. 如專利申請範圍第11項所述的訊號自動增益調整方法，其中該預設門檻值係為比該最大臨界值小的值， 使輸出訊號能限制一範圍內。
18. 如申請專利範圍第11項所述之訊號自動增益調整方法，其中該訊號自動增益調整方法係應用於一音訊裝置內，而所述之原始訊號為接收之音訊。
19. 如申請專利範圍第11項所述之訊號自動增益調整方法，其中該預測增益值、該第一增益值、該第二增益值與該預設門檻值為依需求的可調整值。
20. 一種應用申請專利範圍第11項所述之訊號自動增益調整方法的裝置。