基于SOPC的嵌入式數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)結構設計
    技術是SOC(System on Chip)技術和電子設計自動化技術相結合的一種全新的嵌入式系統(tǒng)設計技術，為設計者提供了一個可以快速開發(fā)設計及驗證的系統(tǒng)設計平臺，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、存儲器、總線、JTAG等IP核，還有包含操作系統(tǒng)內核的嵌入式軟件開發(fā)工具。它可以將處理器、存儲器、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FPGA芯片里，構建一個可編程的片上系統(tǒng)。
    在系統(tǒng)結構上數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的設計主要包括3個層面：最底層是硬件層面，即物理硬件電路的原理圖設計，包括各功能IC的外圍電路設計；中間層是SOPC系統(tǒng)層，其設計主要有NiosⅡ軟核處理器的配置和添加，選擇各種可定制的外設IP核和自定義所需模塊，將定制好的各個外設模塊與Avalon總線進行連接，并為分配外設地址及中斷，最后經編譯、綜合生成可在FPGA內實現(xiàn)相應功能的SOPC系統(tǒng)模塊；最上層的是軟件層，主要是NiosⅡ軟核處理器運行的軟件程序，是用C／C++代碼編寫的，包括μC／OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)，設備的驅動程序和應用程序。
    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個并內嵌26個乘法器塊，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，如圖1所示。

2 數(shù)字音頻AGC算法的設計與實現(xiàn)
    嵌入式數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的核心就是音頻AGC算法的設計，音頻AGC是音頻自動增益控制算法，是一種根據(jù)輸入音頻信號水平自動動態(tài)地調整增益的機制，AGC算法的好壞直接反映在處理后輸出的音頻聽覺感知效果。
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中過沖或過衰現(xiàn)象，并能夠抑制背景噪聲的提升，能根據(jù)人耳聽覺特性輸出音量穩(wěn)定平衡的音頻信號。
    用yi(n)代表經過AGC處理的第i幀數(shù)字音頻信號；xi(n)代表這一幀原始的數(shù)字音頻信號；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 關鍵特征參數(shù)提取
    計算音頻增益因子Gi的關鍵是對當前數(shù)字音頻的狀態(tài)判斷。由于人耳對音量的主觀感覺是從聲音響度上來體現(xiàn)的，而響度是由發(fā)聲體振動幅度的大小來決定，并且人耳對不同頻率聲音的感應是不平坦的，所以人耳感知的聲音響度是頻率和聲壓級的函數(shù)曲線?；谌硕捻懚雀兄匦?，AGC算法中音頻增益因子Gi的計算需要綜合考慮聲音的振幅、短時能量和頻率這3個特征。
    經過數(shù)字化的音頻信號實際上是一個時變信號，為了能對音頻信號進行分析，可以假設音頻信號在幾十ms的短時間內是平穩(wěn)的。為了得到短時音頻信號，要對音頻信號分幀處理，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的畫音不同步現(xiàn)象，本設計將分幀定為20 ms。數(shù)字電視的音頻采樣率為48 kHz，所以一幀內的音頻樣值數(shù)有960點。
    音頻信號的振幅可以用峰值表示，即由一幀音頻信號內的絕對值最大項來表示，用Pi代表第i幀數(shù)字音頻信號xi(n)的幀內峰值，那么
   
    短時能量可以有效判斷信號幅度的大小，音頻信號的短時能量Ei定義如下
   
    短時能量由于對信號進行平方運算，考慮到處理器的性能和實時性的保證，可以采用絕對值之和代替平方和來表示短時能量的變化，使運算簡化，其公式為
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    短時過零率是指每幀內信號通過零值的次數(shù)，對于數(shù)字音頻信號實質上就是一幀信號采樣點符號的變化次數(shù)，由于采樣頻率是固定的，因此短時過零率可以在一定程度上反映音頻信號的頻譜特征，用作一種音頻信號頻率的粗略估計。短時過零率Zi表示為

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

    在反饋機制中使用α歸一化濾波器對滿足條件的輸入音頻信號和上一幀的增益因子Gi調整計算新的增益因子。
    α 歸一化濾波器可以簡單表示為
   
    為了避免增益因子的劇烈波動，需要加大增益因子Gi的權重值α，而權重值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。權重值α的計算需要綜合參考短時過零率Zi、處理前的短時能量Mi和處理后的短時能量。在音頻劇烈變化的時候，增益因子仍然能夠收放自如，穩(wěn)定平衡音頻信號的輸出。
2．4 噪音抑制處理方法
    在AGE中對噪音的抑制是一個重要的部分，噪音主要是音頻信號間的靜音噪音和AGE處理中產生的噪音。對靜音噪音的抑制主要靠噪音電平門限的設定，當輸入的第i幀數(shù)字音頻信號xi(n)的幀內峰值Pi低于用戶設定的噪音電平門限值Pnoise時，就將該幀的增益因子Gi調整為1，不進行放大處理。當輸入的音頻峰值連續(xù)低于噪音電平門限的時間達到靜音時間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量。
    AGC處理中一個重要問題是，在音頻分幀的交界處的樣值點會因為增益因子Gi的突然改變而產生原本連續(xù)信號樣值的突變，當分幀為20 ms時，AGC處理效果相當于產生50 Hz幅度不定的階躍信號噪音。噪音信號Unoise的大小為
   
    當xi-1(960)和xi(1)相差較大時會產生較大的影響。在本設計中為了消除該噪音，改為在每一個處理幀開始后的第一個過零點進行增益因子的更新。此時噪音的影響為
   
    由于音頻信號樣值的連續(xù)性，在過零點處xi-1(n-1)和xi-1(n)均趨向于O，因此unoise也趨向于0。由于人耳的可聽聲音頻率范圍在20 Hz～20 kHz，在音頻采樣和A／D轉換時會濾除人耳的可聽聲音頻率范圍外的頻率分量，而每個周期內都有兩個過零點，所以增益因子的更新速度不受影響。由此則AGC處理帶來的噪音也被很好的抑制。[!--empirenews.page--]
2．5 仿真結果及分析
    為了驗證該算法的正確性和有效性，采用Matlab對該數(shù)字音頻AGC算法進行仿真。仿真結果如圖3所示。

    在仿真中輸入一段聲音忽大忽小的數(shù)字音頻，從經過AGC處理后的數(shù)字音頻輸出來看，大音量的音頻信號被有效衰減，小音量的音頻信號被有效放大，正常音量的音頻信號幾乎沒有變化。該段音頻長度為6 s，增益因子在此期間可調整300次，該算法的增益因子調整速度可以滿足音頻劇烈變化時的使用需求。對噪音的抑制也起到了很好的效果，人耳的實際聽覺感知達到了滿意的效果。

3 軟件層設計
    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、實時性和可靠性較高，能夠滿足嵌入式數(shù)字音頻AGE系統(tǒng)對實時性的要求，考慮到NiosⅡIDE開發(fā)環(huán)境對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、占先式的多任務實時操作系統(tǒng)內核。它通過為每個任務分配單獨的任務堆棧來保存任務工作環(huán)境，提供任務管理與調度，任務間的同步、互斥與通信，時間和中斷管理、內存的動態(tài)分配等多種系統(tǒng)服務。
    系統(tǒng)運行時，首先進行系統(tǒng)初始化操作，即初始化所有數(shù)據(jù)結構，分配堆?？臻g，然后建立任務間通訊的信號量或者消息隊列，進而創(chuàng)建任務，并且分配不同的優(yōu)先級，所有任務被置于就緒態(tài)，系統(tǒng)從優(yōu)先級最高的任務開始執(zhí)行。
    軟件設計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動程序設計、算法設計實現(xiàn)3個主要部分。嵌入式音頻AGC系統(tǒng)根據(jù)功能劃分主要有以下4個任務，如圖4所示。

    (1)系統(tǒng)初始化任務，主要是用以初始化整個嵌入式音頻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，此外還擔負著創(chuàng)建其他任務和信號量的任務，是系統(tǒng)正常運行必不可少的一環(huán)，該任務在系統(tǒng)中有最高的優(yōu)先級。在正常初始化系統(tǒng)以后將該任務刪除以節(jié)省系統(tǒng)開支。
    (2)音頻AGC處理任務，對自定義音頻接口的輸入音頻進行AGC處理，配合自定義音頻接口的驅動程序將處理好的音頻進行輸出。該任務是嵌入式音頻AGC系統(tǒng)的核心任務，在系統(tǒng)初始化任務完成并刪除后成為系統(tǒng)內優(yōu)先級最高的任務。
    (3)鍵盤輸入響應處理任務，對PIO輸入的按鍵信息進行相應處理，如果有改變參數(shù)設置等重要信息要通過信號量及時反饋給音頻AGC處理任務，同時負責輸出要在LCD上顯示的內容，通過郵箱信號量發(fā)送給LCD顯示任務。它的優(yōu)先級比LCD顯示任務高。
    (4)LCD顯示任務，將接收到的內容配合LCD控制器驅動程序進行LCD的顯示輸出。

4 結束語
    本設計采用SOPC技術，利用FPGA實現(xiàn)SDI接口邏輯，移植μC／OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)為嵌入式應用軟件運行平臺，可以實現(xiàn)與廣電設備的無縫接合。通過設計采用一種適于實時性的多參數(shù)融合的AGC算法對數(shù)字音頻信號進行AGC處理，實現(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)。測試表明該系統(tǒng)達到設計預期目標，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，完全滿足實際需要，可廣泛應用在數(shù)字演播室中的數(shù)字音頻實時AGC處理上。