基于AGC算法的音頻信號(hào)處理方法及FPGA實(shí)現(xiàn)

 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的廣泛使用，通信企業(yè)問的競爭不斷加劇，為提升自身的競爭優(yōu)勢，通信企業(yè)需要將其通信信號(hào)的質(zhì)量提升，并提高通信系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的穩(wěn)定性、安全性、高效性。在音頻信號(hào)處理方法及FPGA實(shí)現(xiàn)中，采用AGC算法，可提高音頻信號(hào)系統(tǒng)和音頻信號(hào)輸出的穩(wěn)定性，解決了AGC調(diào)試后的信號(hào)失真問題。本文針對基于實(shí)用AGC算法的音頻信號(hào)處理方法與FPGA實(shí)現(xiàn)，及其相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí)用AGC算法在實(shí)際應(yīng)用中的原理

在通信設(shè)備使用過程中，語音通信是重要的組成部分，而在語言通信中音頻信號(hào)的質(zhì)量，決定著人們對通信系統(tǒng)的選擇。當(dāng)前在通信音頻信號(hào)處理中會(huì)采用AGC，其可保證信號(hào)輸出的穩(wěn)定性，降低信號(hào)輸出的干擾。通過實(shí)際驗(yàn)證，實(shí)用AGC算法與普通的AGC算法存在一定的差異，實(shí)用AGC算法是普通AGC算法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，其不僅可將信號(hào)傳輸中的干擾因素有效降低，還可保證音頻信號(hào)在傳輸中的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確地將音頻信號(hào)的幅度變化情況顯示出來。隨著科技的發(fā)展，數(shù)字處理技術(shù)，在音頻信號(hào)處理中的應(yīng)用，可降低信號(hào)的干擾，實(shí)現(xiàn)FPGA。

自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control，AGC)。其主要由增益放大器以及反饋回路兩部分組成。在其工作過程中，增益放大器組成部分，根據(jù)系統(tǒng)中反饋回路的幅度、閾值，采用一定的AGC算法，對增益值進(jìn)行調(diào)整。即AGC通過放大電路中自動(dòng)增益信號(hào)的強(qiáng)度，調(diào)整信號(hào)的自動(dòng)控制。在信號(hào)強(qiáng)度增加時(shí)，AGC系統(tǒng)反饋回路的控制，按照一定關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的減小;反之，當(dāng)AGC系統(tǒng)增益放大器中信號(hào)幅度降低時(shí)，反饋回路的增益，將按照兩者之間存在的一定關(guān)系，進(jìn)行相應(yīng)的增大。通過此方法，在AGC算法放大調(diào)整后，確保了通信系統(tǒng)信號(hào)輸出的幅度可基本維持在恒定的狀態(tài)。文中將AGC算法應(yīng)用于音頻信號(hào)處理中，可實(shí)現(xiàn)FPGA，并可有效降低音頻信號(hào)輸出時(shí)的干擾，保證信號(hào)的穩(wěn)定。

2 基于AGC算法的音頻信號(hào)處理設(shè)計(jì)

在音頻信號(hào)處理過程中，應(yīng)用AGC算法分為4個(gè)步驟：

步驟1 確定音頻信號(hào)輸出的動(dòng)態(tài)范圍。在設(shè)計(jì)基于使用AGC算法的音頻信號(hào)處理中，需根據(jù)音頻信號(hào)的實(shí)際情況而定。若在設(shè)計(jì)過程中，實(shí)用AGC系統(tǒng)中期望值為一個(gè)定值時(shí)，此時(shí)音頻信號(hào)輸出的幅度將趨近AGC系統(tǒng)的這一期望值。在趨近這一期望值的過程中，輸出信號(hào)會(huì)不斷地調(diào)整，進(jìn)而造成信號(hào)輸出端幅度的不穩(wěn)定，所以為保證音頻信號(hào)輸出的穩(wěn)定性，可在AGC期望值的基礎(chǔ)上，以期望值為中心，設(shè)計(jì)并確定音頻信號(hào)輸出穩(wěn)定的一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)AGC算法調(diào)整中，音頻信號(hào)的幅度在這一動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，則可認(rèn)定音頻信號(hào)的輸出幅度是穩(wěn)定的。一般情況下，音頻信號(hào)輸出幅度范圍是AGC系統(tǒng)期望值加減0.1 dB，同時(shí)為了對音頻信號(hào)輸出的電路進(jìn)行保護(hù)，需要將AGC系統(tǒng)的期望值，設(shè)置為音頻信號(hào)輸出滿值下減少0.25 dB。

步驟2 確定增益調(diào)整速度。在正常語音通信中，語言信號(hào)的幅度在不停變化，為了確定、保證并呈現(xiàn)語音信號(hào)幅度的正常變化趨勢，需確保其增益不變或是在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，由此才可保證音頻信號(hào)傳輸中的幅度不失真。在音頻信號(hào)傳輸過程中受到的干擾，使得音頻信號(hào)的平均幅度相對較小，所以需將其增益值加大，確保信號(hào)的整體幅度增加，以此保證音頻信號(hào)不失真。實(shí)用AGC在音頻信號(hào)中的應(yīng)用，其增益值需遂慢而快，隨著信號(hào)幅度的慢變化而進(jìn)行忽快的變化。當(dāng)音頻信號(hào)增益調(diào)整的時(shí)間與音頻信號(hào)正常情況下的調(diào)整時(shí)間相比較長時(shí)，此時(shí)的增益值不會(huì)發(fā)生較大變化，需根據(jù)音頻信號(hào)輸出的特點(diǎn)，設(shè)定其增益調(diào)整的時(shí)間為4 s。若音頻信號(hào)輸出較大時(shí)，此時(shí)的增益需快速減小，若不進(jìn)行減小調(diào)整，則會(huì)造成器件的損壞。而當(dāng)信號(hào)的輸出值大于期望值的上限時(shí)，增益值調(diào)整時(shí)間需設(shè)定為0.5 ms。

實(shí)用AGC算法的增益值計(jì)算公式為

其中，A(n+1)是對信號(hào)傳輸調(diào)整后的增益值;A(n)是調(diào)整前的增益值;Ain是信號(hào)幅度值;A0是期望幅度值;2-a為一個(gè)常數(shù)。其中a值不同，AGC的調(diào)整速度也不同，根據(jù)實(shí)用AGC算法的實(shí)際要求，信號(hào)輸出幅度小于期望值上限時(shí)，a=16，增益的調(diào)整將變慢，若a=3，此時(shí)的增益調(diào)整速度則將加快。

步驟3 確定輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。在音頻信號(hào)輸入的過程中，若設(shè)定的輸入值范圍過大，將會(huì)使信號(hào)在傳輸過程中，產(chǎn)生較大的噪聲，影響信號(hào)的輸入、輸出質(zhì)量。相反若音頻輸入信號(hào)的設(shè)定的范圍較小，因信號(hào)較小，會(huì)被忽略，進(jìn)而造成音頻輸入信號(hào)的失真。根據(jù)音頻信號(hào)的輸入時(shí)間情況，將36 dB的信號(hào)強(qiáng)度確定為噪聲。使用AGC算法，將音頻信號(hào)的輸入動(dòng)態(tài)范圍確定，可根據(jù)噪聲存在的時(shí)間，判斷噪聲是否發(fā)生在音頻信號(hào)傳輸?shù)拈g隙，若噪聲存在的時(shí)間相對較小，則可將其看成是音頻信號(hào)的間隙。通常噪聲的判斷時(shí)間設(shè)定為5 s最佳。根據(jù)噪聲存在的時(shí)間及信號(hào)輸入的實(shí)際情況，將音頻信號(hào)最小值到噪聲門限之間約6 dB的范圍，確定為音頻信號(hào)輸入的動(dòng)態(tài)范圍。在這一范圍內(nèi)噪聲對音頻信號(hào)的干擾強(qiáng)度較，因此需要將增益值固定。

步驟4 對增益值的大小進(jìn)行限制。為避免發(fā)生增益過大，將信號(hào)傳輸器件或設(shè)備燒毀，需要將其增益值控制在一個(gè)范圍內(nèi)，若AGC計(jì)算得出的值，大于該范圍的上限，此時(shí)增益值取最大值，反之取最小值。根據(jù)音頻信號(hào)的實(shí)際傳輸情況，增益范圍在-3～30 dB。

通過以上4個(gè)步驟，可將實(shí)用AGC算法在音頻信號(hào)處理中的應(yīng)用流程，設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 AGC算法的音頻信號(hào)處理仿真及實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

在音頻信號(hào)處理中，根據(jù)音頻輸入、輸出的幅度變化，制作AGC仿真實(shí)驗(yàn)。按照實(shí)用AGC算法的流程和信號(hào)計(jì)算式(2)，將音頻的輸出信號(hào)計(jì)算出來，此時(shí)當(dāng)音頻信號(hào)突然減小時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，為將過沖現(xiàn)象消除/避免，需按照實(shí)用AGC算法公式，為音頻信號(hào)的輸出增加延時(shí)，延時(shí)可按式(3)計(jì)算

y(n)=x(n)×G(n) (2)

y(n)=x(n-32)×G(n) (3)

增加音頻信號(hào)延時(shí)，可將過沖現(xiàn)象解決和消除，雖增加延時(shí)會(huì)對音頻信號(hào)產(chǎn)生一定影響，但其不利影響在可接受范圍內(nèi)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

在音頻信號(hào)輸入的過程中，當(dāng)音頻信號(hào)增益變大后，其將相對緩慢，此時(shí)進(jìn)行的增益延時(shí)相對較小，增益增加的幅度也相對較小，雖造成輸出的音頻信號(hào)較大，但已接近理想輸出幅度，因此對信號(hào)輸出器件的安全性將不會(huì)造成影響。

3.2 FPGA的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)PGA的信號(hào)處理流程如圖4所示。

音頻信號(hào)通過音頻采樣的形式進(jìn)行數(shù)字過濾，得到圖4中I、Q兩路信號(hào)，可使用下式

將形成的兩路信號(hào)幅值計(jì)算出來，AGC系統(tǒng)中反饋的幅值以A(n)=Ain(n)×G(n)式(5)計(jì)算得出。根據(jù)算出的A和Ain值對音頻信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整，調(diào)整時(shí)間為4 s。

當(dāng)音頻信號(hào)的幅度發(fā)生變化時(shí)，在增益開始階段，進(jìn)行的調(diào)整相對較快，此時(shí)對增益的影響較大，即信號(hào)增益變化較大。經(jīng)過約4 s的增益調(diào)整，可將信號(hào)幅度的輸出值調(diào)整到期望值，隨著輸入音頻信號(hào)的快速變化，輸出的音頻信號(hào)也會(huì)隨著輸入信號(hào)的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變，但在輸入信號(hào)突然增大時(shí)，音頻輸出信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生明顯變化，由此實(shí)現(xiàn)了基于AGC算法的音頻FPGA。

4 結(jié)束語

針對AGC算法的工作原理、音頻信號(hào)處理、FPGA等內(nèi)容進(jìn)行分析。在音頻信號(hào)處理過程中，采用實(shí)用AGC算法，通過采取仿真實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)用AGC算法在音頻信號(hào)處理及FPGA實(shí)現(xiàn)中的應(yīng)用，并可降低信號(hào)傳輸中的失真問題，有效提高了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將實(shí)用AGC算法，應(yīng)用于音頻信號(hào)處理方法與FPGA實(shí)現(xiàn)中，其具有良好的性能，且確保了信號(hào)的穩(wěn)定性。