CN101370056A - 数字音频自动增益控制方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字音频自动增益控制方法，其包括以下步骤：(1)计算输入信号的瞬时功率；(2)检测步骤(1)中的信号是否为背景噪音；(3)根据步骤(1)的输入信号的功率信息及自适应滤波学***衡和谐，可广泛用于语音通信和录音***中。

Description

数字音频自动增益控制方法及其***

技术领域

本发明涉及一种自动增益控制技术，更具体的涉及一种应用于语音通信、音视频会议和数字录音等应用的数字音频自动增益控制技术。

背景技术

数字音频自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)是用来对数字音频信号做自动动态增益控制，使得信号水平的趋向于一个用户定义的目标信号水平，最终获得平衡和谐的语音。该技术一般用于语音通信和录音***中，具体应用包括音视频会议、网络电话、数字录音等。一个高效的数字音频自动增益控制方法能保证增益后的信号不出现一定程度的失真，且不能对背景噪音进行增益。现有的数字AGC技术一般是通过比较一段历史语音输出信号的幅度均值和预先设定的AGC门限R，以控制增益的变化，如果幅度均值超过门限R，则增大增益，相反则减小增益。这类增益方法是非线性的、时变的，由于不能灵活地结合当前信号能量的变化和历史信号能量的变化来自动调整增益，这样会使得部分能量较大的信号增益过头，导致溢出，部分能量较小的信号却增益不够，而对溢出的信号能量简单地做削峰处理会破坏信号的连续性并引入不舒适的噪音。而且现有的技术很少考虑到增益控制过程中存在背景噪音的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种数字音频自动增益控制方法，其能保证增益后的信号不出现一定程度的失真，且不对背景噪音进行增益。为此，本发明还要提供一种数字音频自动增益控制***。

为解决上述技术问题，本发明的数字音频自动增益控制方法，其包括以下步骤：

(1)计算输入信号x(n)的瞬时功率P_x(n)；

(2)根据功率检测步骤(1)中的信号是否为背景噪音，步骤(1)中输入信号的瞬时功率P_x(n)低于预设定功率P_min，为背景噪音，直接进行饱和控制并输出；瞬时功率P_x(n)大于预设定功率P_min的，进入下一步；

(3)根据步骤(1)的输入信号的功率信息及自适应滤波学习步长更新，来更新增益系数g(n)；

(4)利用步骤(3)中的新增益系数，产生新的输出信号y(n)＝g(n)x(n)；

(5)计算输出信号y(n)的瞬时功率P_y(n)，并利用估算的瞬时功率P_y(n)与预指定的目标信号功率P_ref求参差能量，并将其反馈到步骤(3)作为下一个信号的增益系数更新信息；

(6)根据输入信号的功率P_x(n)，进行增益整形；

(7)进行饱和控制并输出数字音频信号。

本发明的数字音频自动增益控制***，用于自动增益数字音频信号，其包括一第一功率计算模块，用于计算输入信号的功率；一自适应滤波模块，用于接收从所述第一功率计算模块和输出的信号，更新增益系数，并根据新的增益系数产生新的输出信号；一第二功率计算模块，用于计算从自适应滤波模块输出信号的功率，并反馈信号至自适应滤波模块，作为下一个信号的增益系数更新信息；一增益整形模块，用于对从自适应滤波模块输出的信号进行增益系数调整，以弱化增益系数过大的情况和加强增益系数过小的情况，输出经增益整形后的信号。

本发明的数字音频自动增益控制***和方法，通过更新输入的数字音频信号的增益系数，并根据此更新的增益系数产生新的输出信号，对新的输出信号进行增益整形，弱化过大的增益和加强过小的增益效果，输出一增益后不出现一定程度的失真且不对背景噪音进行增益的数字音频信号，使处理后的语音达到完美远近端平衡。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明的数字音频自适应增益控制***的示意图；

图2为本发明的数字音频自适应增益控制方法的流程图；

图3为本发明的一个实例输入信号和输出信号的示意图；

图4为本发明的实施例增益系数变化示意图；

图5为本发明的另一个实例输入信号和输出信号的示意图。

具体实施方式

图1为本发明数字音频自动增益控制***的示意图，分为以下功能模块：

(1)第一功率计算模块101。该模块用于计算输入信号x(n)的功率P_x(n)，其中n为时间序号。计算公式可为

P_x(n)＝αP_x(n-1)+(1-α)x²(n)               (1)

其中α为平滑因子，α越大，则功率变化越平缓；α越小，则功率随信号的急剧变化而变化。为了更好反应出信号的波动性且不至于剧烈抖动，一般选0<α<<1。

(2)自适应滤波模块103。该模块包括三个子模块：自适应滤波学习步长更新模块，滤波系数更新模块及新的输出信号计算模块。滤波系数，即增益系数g(n)的更新公式为

g(n)＝g(n-1)(1+μ(n)P_x(n)(P_ref-P_y(n-1)))          (3)

其中μ(n)为自适应滤波的学习步长，P_ref为一常数，代表用户预定的目标信号能量级别。自适应滤波学习步长更新公式为

$\mathrm{\&mu;}\left(n\right)=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0}{\mathrm{\&gamma;}+P_x\left(n\right)}---\left(4\right)$

μ₀为0到1之间的常数，μ₀的取值影响到自适应算法的收敛速度和稳定性，较大的μ₀会导致较快的收敛，但是收敛后的稳定性较差，较小的μ₀会使得算法收敛变慢，但是收敛后的稳定性较好，为了能够同时考虑到算法的收敛速度和稳定性，一般设置μ₀在0到0.1之间。γ为接近于0的扰动因子，范围在0到0.1之间的常数，此公式中γ的目的是为了防止分母为0，所以一般取0.1以下的值。利用新的增益系数，产生新的输出信号y(n)，计算公式为

$y\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}g\left(n\right)x\left(n\right),& P_x\left(n\right)\&GreaterEqual;P_{\min }\\ x\left(n\right),& P_x\left(n\right)<P_{\min }\end{array}\right.---\left(5\right)$

(3)第二功率计算模块102。该模块用于计算输出信号的y(n)功率P_y(n)，其中n为时间序号。计算公式可为

P_y(n)＝αP_y(n-1)+(1-α)y²(n)         (2)

其中0<α<<1。并将计算结果反馈到自适应滤波模块103作为下一个信号的增益系数更新信息。

(4)增益整形模块104。对从自适应滤波模块103输出的信号进行增益系数调整，计算公式为

y(n)＝K₁y(n)(1+K₂(P_a-P_x(n)))(当P_a<P_x(n)<P_b)     (6)

其中的P_min为增益的最小信号功率阀值，瞬时功率低于P_min的信号为背景噪音，不进行增益控制。K₁和K₂为常系数，0.5≤K₁≤1，1≤K₂≤8，K₁的作用是根据需要对信号的整体幅度做一定的调整，K₁取值为1时，信号整体不作增益，K₂的作用根据信号的波动性，对信号的局部做一定比率的调整，K₂取值在1到8之间整数时可以取得较好的效果。P_a和P_b为需要整形的信号能量的下限和上限。增益整形的目的是为了克服自适应滤波算法在调整增益系数时出现两种情况：(1)增益系数过大时，输入信号的能量级别也过大，这时候可能会增益过头，甚至信号溢出，这时候需要做增益修整，弱化增益；(2)增益系数过小时，输入信号的能量级别过小，这时候增益效果不够明显，需要修整系数，加强增益效果。自适应滤波算法具有一定的鲁棒性，增益系数(权重)并不是完全随着信号的波形的急剧变化而变化，系数调整的幅度有一定的延迟，因此，需要根据信号的波动性做相应的增益修整。

图2为本发明方法的流程图，其包括以下步骤：

步骤401，估计输入信号x(n)的瞬时功率P_x(n)，功率计算方法采取上述公式(1)的方法。

步骤402，根据步骤401计算的功率检测是否为背景噪音，背景噪音的检测方法采取设定P_min为最小信号功率阀值，如当前信号功率小于该值，则为背景噪音直接执行步骤407，否则顺序执行步骤403。

步骤403，根据计算的功率信息和自适应滤波学习步长更新，来更新增益系数g(n)，更新公式采取上述公式(3)，自适应滤波的学习步长更新采取上述公式(4)。

步骤404，利用新的增益系数，产生新的输出信号，计算公式为y(n)＝g(n)x(n)。

步骤405，计算输出信号y(n)的瞬时功率P_y(n)，功率计算方法采取上述公式(2)的方法。并利用计算的瞬时功率P_y(n)与用户预指定的目标信号功率P_ref求参差能量，并将其反馈到步骤403作为下一个信号的增益系数更新信息。

步骤406，根据输入信号的功率P_x(n)，进行增益修整，进一步提高语音质量，增益整形的计算方法采取上述公式(6)的方法。

步骤407，进行饱和控制并输出信号y(n)，饱和控制的目的是为了控制信号溢出，如果输入信号为16bit PCM码流，则饱和控制使得16bit输出信号的范围为[-32768，+32767]，大于32767的输出设置为32767，小于-32768的输出设置为-32768，其他的输出不变。

当输入新的语音信号x(n)时，重复以上步骤。

图3给出了使用本发明的自动增益控制(AGC)方法对一段3秒钟的语音进行处理的结果图。图4给出了AGC对该段语音的增益系数的变化曲线，记录了未经过整形的增益系数(原始增益系数)和经过整形的增益系数的对比，可见，经过增益整修后，输出的语音信号更加平衡和谐，且当有背景噪音时，增益系数等于1。该实例中，AGC参数选取如下：公式(1)与公式(2)中的α取0.05，公式(4)中μ₀与γ分别取0.03125和0.001，公式(6)中K₁，K₂，P_a和P_b分别取0.5，2，0.001和0.1，公式(5)中P_min取0.0008，代表背景噪音的功率，公式(3)中P_ref取0.15，代表目标信号功率。

图5给出了使用本发明的自动增益控制(AGC)方法对另一段6秒钟的语音进行处理的结果图。该实例中，公式(6)中K₁，K₂分别取0.8和4，公式(3)中的目标信号功率P_ref取0.2，其他参数的取值与图3中实例的取值相同。从图3和图5可以看出，增益效果比较理想，而且背景噪音部分没有被增益。

Claims (7)

1.一种数字音频自动增益控制方法，用于自动增益数字音频信号，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)计算输入信号x(n)的瞬时功率P_x(n)；

(2)根据功率检测步骤(1)中的信号是否为背景噪音，步骤(1)中输入信号的瞬时功率P_x(n)低于预设定功率P_min，为背景噪音，直接进行饱和控制并输出；瞬时功率P_x(n)大于预设定功率P_min的，进入下一步；

(3)根据步骤(1)的输入信号的功率信息及更新的自适应滤波步长信息，来更新增益系数g(n)；

(4)利用步骤(3)中的新增益系数，产生新的输出信号y(n)；

(5)计算输出信号的瞬时功率P_y(n)，并反馈到步骤(3)作为下一个信号的增益系数更新信息；

(6)根据输入信号的功率P_x(n)，进行增益整形；

(7)进行饱和控制并输出数字音频信号。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)增益系数的更新采取一种基于功率变化的变步长更新方法，其计算公式为g(n)＝g(n-1)(1+μ(n)P_x(n)(P_ref-P_y(n-1)))，其中μ(n)为自适应滤波的步长，P_ref为一常数，代表用户预定的目标信号能量级别，自适应滤波的步长更新公式为 $\mathrm{\&mu;}\left(n\right)=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0}{\mathrm{\&gamma;}+P_x\left(n\right)},$ μ₀取值为0到1之间，γ为接近于0的扰动因子，取值范围在0到0.1之间。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(6)增益整形的计算公式为：y(n)＝K₁y(n)(1+K₂(P_a-P_x(n)))(当P_a<P_x(n)<P_b)，其中K₁和K₂为常系数，0.5≤K₁≤1，1≤K₂≤8，P_a和P_b为需要整形的信号能量的下限和上限。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(1)和步骤(2)中的功率计算方法分别为P_x(n)＝αP_x(n-1)+(1-α)x²(n)和P_y(n)＝αP_y(n-1)+(1-α)y²(n)，其中0<α<<1。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中新的输出信号y(n)的计算公式为 $y\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}g\left(n\right)x\left(n\right),& P_x\left(n\right)\&GreaterEqual;P_{\min }\\ x\left(n\right),& P_x\left(n\right)<P_{\min }\end{array}\right..$

6.一种数字音频自动增益控制***，用于自动增益数字音频信号，其特征在于：其包括一第一功率计算模块，用于计算输入信号x(n)的瞬时功率P_x(n)；一自适应滤波模块，用于接收第一功率计算模块的信号，采用基于输入信号瞬时功率的变步长更新机制来更新增益系数g(n)，并根据新的增益系数产生新的输出信号y(n)；一第二功率计算模块，用于计算从自适应滤波模块输出信号的瞬时功率P_y(n)，并反馈信号功率至自适应滤波模块，作为下一个信号的增益系数更新信息；一增益整形模块，用于对从自适应滤波模块输出的信号进行增益系数调整，以弱化增益系数过大的情况和加强增益系数过小的情况，输出经增益整形后的信号。

7.根据权利要求6所述的控制***，其特征在于：所述自适应滤波模块包括自适应滤波学习步长更新模块，用于根据第一功率计算模块的信号功率更新自适应学习步长μ(n)；滤波系数更新模块，用于根据自适应更新步长μ(n)和上一个从自适应滤波模块输出信号的功率，更新增益系数g(n)；及新的输出信号计算模块，用于根据新的增益系数计算新的输出信号y(n)。

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