基于SOPC的嵌入式數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
技術(shù)是SOC(System on Chip)技術(shù)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的一種全新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)可以快速開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，用以搭建基于總線的系統(tǒng)。它包含了一系列的模塊，例如NiosⅡ處理器、存儲(chǔ)器、總線、JTAG等IP核，還有包含操作系統(tǒng)內(nèi)核的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具。它可以將處理器、存儲(chǔ)器、I／O接口、硬件協(xié)處理器和普通的用戶邏輯等功能模塊都集成到一個(gè)FPGA芯片里，構(gòu)建一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。
在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)層面：最底層是硬件層面，即物理硬件電路的原理圖設(shè)計(jì)，包括各功能IC的外圍電路設(shè)計(jì)；中間層是SOPC系統(tǒng)層，其設(shè)計(jì)主要有NiosⅡ軟核處理器的配置和添加，選擇各種可定制的外設(shè)IP核和自定義所需模塊，將定制好的各個(gè)外設(shè)模塊與Avalon總線進(jìn)行連接，并為分配外設(shè)地址及中斷，最后經(jīng)編譯、綜合生成可在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的SOPC系統(tǒng)模塊；最上層的是軟件層，主要是NiosⅡ軟核處理器運(yùn)行的軟件程序，是用C／C++代碼編寫的，包括μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。
本系統(tǒng)選用的FPGA芯片是Altera公司所推出的CycloneⅡ系列的EP2C20Q240C8。該芯片采用90 nm工藝制造，最大可用I／O管腳142個(gè)并內(nèi)嵌26個(gè)乘法器塊，支持使用Altera公司的SOPC Builder工具嵌入NiosⅡ軟核處理器。系統(tǒng)整體架構(gòu)，如圖1所示。

2 數(shù)字音頻AGC算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
嵌入式數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的核心就是音頻AGC算法的設(shè)計(jì)，音頻AGC是音頻自動(dòng)增益控制算法，是一種根據(jù)輸入音頻信號(hào)水平自動(dòng)動(dòng)態(tài)地調(diào)整增益的機(jī)制，AGC算法的好壞直接反映在處理后輸出的音頻聽(tīng)覺(jué)感知效果。
2．1 算法基本思想
文中提出一種多參數(shù)融合帶反饋機(jī)制的音頻AGC處理算法，在保證輸出電平滿足條件的情況下，能有效解決傳統(tǒng)AGC中過(guò)沖或過(guò)衰現(xiàn)象，并能夠抑制背景噪聲的提升，能根據(jù)人耳聽(tīng)覺(jué)特性輸出音量穩(wěn)定平衡的音頻信號(hào)。
用yi(n)代表經(jīng)過(guò)AGC處理的第i幀數(shù)字音頻信號(hào)；xi(n)代表這一幀原始的數(shù)字音頻信號(hào)；Gi表示這一幀的音頻增益因子，音頻AGC處理可以用如式(1)表示

2．2 關(guān)鍵特征參數(shù)提取
計(jì)算音頻增益因子Gi的關(guān)鍵是對(duì)當(dāng)前數(shù)字音頻的狀態(tài)判斷。由于人耳對(duì)音量的主觀感覺(jué)是從聲音響度上來(lái)體現(xiàn)的，而響度是由發(fā)聲體振動(dòng)幅度的大小來(lái)決定，并且人耳對(duì)不同頻率聲音的感應(yīng)是不平坦的，所以人耳感知的聲音響度是頻率和聲壓級(jí)的函數(shù)曲線?；谌硕捻懚雀兄匦裕珹GC算法中音頻增益因子Gi的計(jì)算需要綜合考慮聲音的振幅、短時(shí)能量和頻率這3個(gè)特征。
經(jīng)過(guò)數(shù)字化的音頻信號(hào)實(shí)際上是一個(gè)時(shí)變信號(hào)，為了能對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行分析，可以假設(shè)音頻信號(hào)在幾十ms的短時(shí)間內(nèi)是平穩(wěn)的。為了得到短時(shí)音頻信號(hào)，要對(duì)音頻信號(hào)分幀處理，分幀是連續(xù)的。為避免AGC系統(tǒng)處理后的因音頻分幀延遲帶來(lái)的畫音不同步現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)將分幀定為20 ms。數(shù)字電視的音頻采樣率為48 kHz，所以一幀內(nèi)的音頻樣值數(shù)有960點(diǎn)。
音頻信號(hào)的振幅可以用峰值表示，即由一幀音頻信號(hào)內(nèi)的絕對(duì)值最大項(xiàng)來(lái)表示，用Pi代表第i幀數(shù)字音頻信號(hào)xi(n)的幀內(nèi)峰值，那么

短時(shí)能量可以有效判斷信號(hào)幅度的大小，音頻信號(hào)的短時(shí)能量Ei定義如下

短時(shí)能量由于對(duì)信號(hào)進(jìn)行平方運(yùn)算，考慮到處理器的性能和實(shí)時(shí)性的保證，可以采用絕對(duì)值之和代替平方和來(lái)表示短時(shí)能量的變化，使運(yùn)算簡(jiǎn)化，其公式為

短時(shí)過(guò)零率是指每幀內(nèi)信號(hào)通過(guò)零值的次數(shù)，對(duì)于數(shù)字音頻信號(hào)實(shí)質(zhì)上就是一幀信號(hào)采樣點(diǎn)符號(hào)的變化次數(shù)，由于采樣頻率是固定的，因此短時(shí)過(guò)零率可以在一定程度上反映音頻信號(hào)的頻譜特征，用作一種音頻信號(hào)頻率的粗略估計(jì)。短時(shí)過(guò)零率Zi表示為

提取音頻中以上3個(gè)關(guān)鍵特征參數(shù)就可以作為音頻增益因子Gi的計(jì)算和判決的條件。
2．3 反饋機(jī)制的實(shí)現(xiàn)
在前饋處理中當(dāng)輸入的第i幀數(shù)字音頻信號(hào)xi(n)的幀內(nèi)峰值Pi超過(guò)用戶設(shè)定的峰值電平門限值Ppeak信號(hào)就會(huì)被瞬間衰減，增益因子變小。而當(dāng)輸入的第i幀數(shù)字音頻信號(hào)xi(n)的幀內(nèi)峰值Pi低于用戶設(shè)定的提升電平門限值Pact并且高于用戶設(shè)定的噪音電平門限值Pnoise信號(hào)就會(huì)被瞬間提升，增益因子變大，低于噪音電平門限值Pnoise的信號(hào)就不會(huì)被提升。
前饋機(jī)制能在音頻信號(hào)突變導(dǎo)致幀內(nèi)峰值溢出或過(guò)小時(shí)，迅速改變?cè)鲆嬉蜃?，用非線性的變化將音頻穩(wěn)定在所設(shè)定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)(峰值電平門限Ppeak和提升電平門限Pact之間)。而新增加的反饋機(jī)制能通過(guò)判斷處理后的短時(shí)能量調(diào)整增益因子Gi+1，使音頻信號(hào)變化穩(wěn)定，在一個(gè)較寬的時(shí)間尺度上均衡響度。AGC算法中計(jì)算增益因子的具體流程，如圖2所示。

在反饋機(jī)制中使用α歸一化濾波器對(duì)滿足條件的輸入音頻信號(hào)和上一幀的增益因子Gi調(diào)整計(jì)算新的增益因子。
α 歸一化濾波器可以簡(jiǎn)單表示為

為了避免增益因子的劇烈波動(dòng)，需要加大增益因子Gi的權(quán)重值α，而權(quán)重值α的大小決定了濾波器歸一化的收斂速度，|1-α|越大，則收斂速度越快。權(quán)重值α的計(jì)算需要綜合參考短時(shí)過(guò)零率Zi、處理前的短時(shí)能量Mi和處理后的短時(shí)能量。在音頻劇烈變化的時(shí)候，增益因子仍然能夠收放自如，穩(wěn)定平衡音頻信號(hào)的輸出。
2．4 噪音抑制處理方法
在AGE中對(duì)噪音的抑制是一個(gè)重要的部分，噪音主要是音頻信號(hào)間的靜音噪音和AGE處理中產(chǎn)生的噪音。對(duì)靜音噪音的抑制主要靠噪音電平門限的設(shè)定，當(dāng)輸入的第i幀數(shù)字音頻信號(hào)xi(n)的幀內(nèi)峰值Pi低于用戶設(shè)定的噪音電平門限值Pnoise時(shí)，就將該幀的增益因子Gi調(diào)整為1，不進(jìn)行放大處理。當(dāng)輸入的音頻峰值連續(xù)低于噪音電平門限的時(shí)間達(dá)到靜音時(shí)間ts則將輸出音頻靜音，這樣就可以抑制噪音而不影響音頻輸出質(zhì)量。
AGC處理中一個(gè)重要問(wèn)題是，在音頻分幀的交界處的樣值點(diǎn)會(huì)因?yàn)樵鲆嬉蜃覩i的突然改變而產(chǎn)生原本連續(xù)信號(hào)樣值的突變，當(dāng)分幀為20 ms時(shí)，AGC處理效果相當(dāng)于產(chǎn)生50 Hz幅度不定的階躍信號(hào)噪音。噪音信號(hào)Unoise的大小為

當(dāng)xi-1(960)和xi(1)相差較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。在本設(shè)計(jì)中為了消除該噪音，改為在每一個(gè)處理幀開(kāi)始后的第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行增益因子的更新。此時(shí)噪音的影響為

由于音頻信號(hào)樣值的連續(xù)性，在過(guò)零點(diǎn)處xi-1(n-1)和xi-1(n)均趨向于O，因此unoise也趨向于0。由于人耳的可聽(tīng)聲音頻率范圍在20 Hz～20 kHz，在音頻采樣和A／D轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)濾除人耳的可聽(tīng)聲音頻率范圍外的頻率分量，而每個(gè)周期內(nèi)都有兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)，所以增益因子的更新速度不受影響。由此則AGC處理帶來(lái)的噪音也被很好的抑制。
2．5 仿真結(jié)果及分析
為了驗(yàn)證該算法的正確性和有效性，采用Matlab對(duì)該數(shù)字音頻AGC算法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖3所示。

在仿真中輸入一段聲音忽大忽小的數(shù)字音頻，從經(jīng)過(guò)AGC處理后的數(shù)字音頻輸出來(lái)看，大音量的音頻信號(hào)被有效衰減，小音量的音頻信號(hào)被有效放大，正常音量的音頻信號(hào)幾乎沒(méi)有變化。該段音頻長(zhǎng)度為6 s，增益因子在此期間可調(diào)整300次，該算法的增益因子調(diào)整速度可以滿足音頻劇烈變化時(shí)的使用需求。對(duì)噪音的抑制也起到了很好的效果，人耳的實(shí)際聽(tīng)覺(jué)感知達(dá)到了滿意的效果。

3 軟件層設(shè)計(jì)
目前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)主要有VxWorks，Windows CE，uCLinux，μC／OS-Ⅱ等。μC／OS-Ⅱ的規(guī)模較小、實(shí)時(shí)性和可靠性較高，能夠滿足嵌入式數(shù)字音頻AGE系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，考慮到NiosⅡIDE開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)μC／OS-Ⅱ的良好支持，故操作系統(tǒng)選擇μC／OS-Ⅱ。μC／OS -Ⅱ是一種可移植、可固化、可裁減、占先式的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它通過(guò)為每個(gè)任務(wù)分配單獨(dú)的任務(wù)堆棧來(lái)保存任務(wù)工作環(huán)境，提供任務(wù)管理與調(diào)度，任務(wù)間的同步、互斥與通信，時(shí)間和中斷管理、內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配等多種系統(tǒng)服務(wù)。
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，即初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分配堆?？臻g，然后建立任務(wù)間通訊的信號(hào)量或者消息隊(duì)列，進(jìn)而創(chuàng)建任務(wù)，并且分配不同的優(yōu)先級(jí)，所有任務(wù)被置于就緒態(tài)，系統(tǒng)從優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。
軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的移植、LCD顯示控制器和自定義音頻模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3個(gè)主要部分。嵌入式音頻AGC系統(tǒng)根據(jù)功能劃分主要有以下4個(gè)任務(wù)，如圖4所示。

(1)系統(tǒng)初始化任務(wù)，主要是用以初始化整個(gè)嵌入式音頻AGC系統(tǒng)，包括初始化各種系統(tǒng)變量、LCD控制器、鍵盤、自定義音頻接口模塊等系統(tǒng)模塊，此外還擔(dān)負(fù)著創(chuàng)建其他任務(wù)和信號(hào)量的任務(wù)，是系統(tǒng)正常運(yùn)行必不可少的一環(huán)，該任務(wù)在系統(tǒng)中有最高的優(yōu)先級(jí)。在正常初始化系統(tǒng)以后將該任務(wù)刪除以節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)支。
(2)音頻AGC處理任務(wù)，對(duì)自定義音頻接口的輸入音頻進(jìn)行AGC處理，配合自定義音頻接口的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑻幚砗玫囊纛l進(jìn)行輸出。該任務(wù)是嵌入式音頻AGC系統(tǒng)的核心任務(wù)，在系統(tǒng)初始化任務(wù)完成并刪除后成為系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。
(3)鍵盤輸入響應(yīng)處理任務(wù)，對(duì)PIO輸入的按鍵信息進(jìn)行相應(yīng)處理，如果有改變參數(shù)設(shè)置等重要信息要通過(guò)信號(hào)量及時(shí)反饋給音頻AGC處理任務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)輸出要在LCD上顯示的內(nèi)容，通過(guò)郵箱信號(hào)量發(fā)送給LCD顯示任務(wù)。它的優(yōu)先級(jí)比LCD顯示任務(wù)高。
(4)LCD顯示任務(wù)，將接收到的內(nèi)容配合LCD控制器驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行LCD的顯示輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)采用SOPC技術(shù)，利用FPGA實(shí)現(xiàn)SDI接口邏輯，移植μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)為嵌入式應(yīng)用軟件運(yùn)行平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)與廣電設(shè)備的無(wú)縫接合。通過(guò)設(shè)計(jì)采用一種適于實(shí)時(shí)性的多參數(shù)融合的AGC算法對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行AGC處理，實(shí)現(xiàn)了具有抑制一定噪聲能力的嵌入式數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)。測(cè)試表明該系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，改善了傳統(tǒng)音頻AGC處理中的一些缺陷，輸出音頻穩(wěn)定平衡，完全滿足實(shí)際需要，可廣泛應(yīng)用在數(shù)字演播室中的數(shù)字音頻實(shí)時(shí)AGC處理上。