CN102122927A - 音量控制电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种音量控制电路及其方法，音量控制电路包括信号强度运算电路、低通滤波器、平均器、增益运算电路、缓冲器电路及音量调整电路。信号强度运算电路产生对应至声道数据的信号强度的第一信号强度值。低通滤波器对第一信号强度值进行低通滤波操作，以产生第二信号强度值。平均器对第二信号强度值与前M-1笔第二信号强度值进行平均运算，以得到第三信号强度值，M为大于1的自然数。增益运算电路参照调整条件，根据第三信号强度值得到原始增益值。缓冲器暂存声道数据。音量调整电路根据原始增益值产生调整增益值来调整缓冲器所储存的声道数据。

Description

音量控制电路及其方法

技术领域

本发明是关于一种音量控制电路及其方法，且特别是关于一种可自动音量控制(Automatic Volume Control，AVC)的音量控制电路及其方法。

背景技术

在科技发展日新月异的现今时代中，具有自动音量控制的音量控制电路已广泛地应用在多种不同电子产品中。举例来说，此音量控制电路应用在数字电视中。当数字电视播放的声音的强度产生剧烈变化时，例如是转台或是进广告时，音量控制电路自动地产生调整增益值来调整声音大小，使得声音的强度能维持在特定范围之内，让使用者转台或收看广告时，不会感受到大幅的音量变化，而能避免听觉上的不舒适感。

一般来说，为了精准判断声音信号的强度变化趋势，传统音量控制器是需参考较多笔的声音信号来对调整增益值进行运算。如此，将导致传统音量控制电路对声音信号进行控制的延迟时间td较长，如图1所示，其绘示传统音量控制电路的操作示意图，信号S代表受控于传统音量控制电路的声音信号。当信号S的强度在时间点T1过度提高时，传统音量控制电路在时间点T2才反应产生调整增益值来抑制信号S的强度，时间点T1与T2定义的期间为延迟时间td。

为了解决延迟时间td过长的问题，传统音量控制电路需设置较长的缓冲器(Buffer)来储存这些时间点的声音数据。如此，将使得传统音量控制电路的成本过高，而降低产品竞争力。

发明内容

本发明的目的是提供一种音量控制电路及其方法，可减少所需的缓冲器的大小、成本低及进行自动音量调整的延迟时间较短。

根据本发明提出一种音量控制电路，用以产生调整增益值来调整多个声道的多笔声道数据。音量控制电路包括信号强度运算电路、低通滤波器、平均器、增益运算电路、缓冲器电路及音量调整电路。信号强度运算电路用以接收并产生对应至声道数据的信号强度的第一信号强度值。低通滤波器用以对第一信号强度值进行低通滤波操作，以产生第二信号强度值。平均器用以接收第二信号强度值，并对第二信号强度值与前M-1个时间点的前M-1笔第二信号强度值进行平均运算，以得到第三信号强度值，M为大于1的自然数。增益运算电路用以参照至少一调整条件，根据第三信号强度值，以得到原始增益值。缓冲器用以暂存声道数据。音量调整电路用以根据原始增益值来产生调整增益值，并根据调整增益值来调整缓冲器所储存的声道数据。

根据本发明提出一种音量控制方法，用以产生调整增益值来调整多个声道的多笔声道数据。音量控制方法包括下列的步骤：首先产生对应至声道数据的信号强度的第一信号强度值；接着对第一信号强度值进行低通滤波操作，以产生第二信号强度值；然后对第二信号强度值与前M-1个时间点的前M-1笔第二信号强度值进行平均运算，以得到第三信号强度值，M为大于1的自然数；接着参照调整条件，根据第三信号强度值得到原始增益值；然后使用缓冲器暂存声道数据；以及之后根据原始增益值产生调整增益值，并根据调整增益值来调整缓冲器所储存的声道数据。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下面将结合附图对本发明的较佳实施例作详细说明，其中：

图1绘示传统音量控制电路的操作示意图。

图2绘示音量控制电路的方块图。

图3绘示依照本发明实施例的音量控制电路的方块图。

图4绘示增益运算电路的增益关系图。

图5绘示迟滞运算放大器的输入输出关系图。

图6A及图6B分别绘示与声道数据DA1对应的声音信号及信号强度值VA1的波形图。

图7绘示信号强度值VA2′与VA3的波形图。

图8绘示依照本发明实施例的音量控制方法的流程图。

具体实施方式

请参照图2，其绘示一种音量控制电路10的方块图。音量控制电路10包括信号强度运算电路11、低通滤波器12、增益运算电路13、缓冲器14及音量调整电路15。信号强度运算电路11接收至少一个声道的至少一笔声道数据，并计算得到信号强度值VA1。信号强度运算电路11包括运算单元11a、11b、加法单元11c及乘法单元11d，运算单元11a及11b分别接收声道数据DA1及声道数据DA2；加法单元11c用以计算声道数据DA1及DA2之和，乘法单元11d将加法单元11c得到的声道数据DA1及DA2之和与一参数相乘，例如数值0.5，得到信号强度值VA1，于此实施例中，将左右两个声道数据取平均值，可以避免两个声道音量不平均的情形。

低通滤波器12响应于计算时间参数TAV，对与计算时间参数TAV对应的一段计算时间中的信号强度值VA1进行低通滤波操作，以运算得到信号强度值VA2。

增益运算电路13用以参照调整条件Adj，将信号强度值VA2运算以得到原始增益值GA1；缓冲器14暂存预定长度的声道数据DA1及DA2；音量调整电路15根据原始增益值GA1产生调整增益值GA2，并根据调整增益值来调整缓冲器13所储存的声道数据DA1及DA2，以分别产生调整后的声道数据DA1′及DA2’。如此，音量控制电路10可对接收到的声道数据DA1及DA2进行适当的音量调整。

然而，为了要有良好的音量调整的品质，在图2所示的电路中，必需将计算时间参数TAV增大，降低低通滤波器12的频宽。如此，音量控制电路10将需要较长的时间才可得知声音大小的变化，以对应地产生调整增益值，来对缓冲器14中所储存的声道数据DA进行调整。所以，如果所设置的缓冲器14的大小不够大的话，则无法于音量产生大幅变化时，对音量进行实时的调整。如此，将导致使用者听到过大的声音而有不适感。由于所需要的缓冲器14的储存容量较大，将使得音量控制电路10的成本提高。

图3绘示依照本发明实施例的音量控制电路的方块图。音量控制电路20包括信号强度运算电路21、低通滤波器22、平均器23、增益运算电路24、缓冲器25及音量调整电路26。于本实施例中，通过使用平均器23，可以解决图2的音量控制电路10的需设置大容量的缓冲器14的问题，而降低音量控制电路20的成本。

信号强度运算电路21接收i个声道上的声道数据，并根据其计算得到信号强度值VA1，i为大于1的自然数。举例来说，i等于2，此2个声道上的声道数据DA1与DA2分别为左声道数据与右声道数据。于本实施例中，信号强度运算电路21包括运算单元21a(1)及21a(2)，其分别用以对声道数据DA1及DA2进行绝对值运算，以分别运算得到声道数据abs[DA1]及abs[DA2]。

信号强度运算电路21还包括运算单元21b及21c，用以根据声道数据abs[DA1]及abs[DA2]来运算得到声道数据abs[DA1]及abs[DA2]的数据平均值，并将其做为信号强度值VA1′输出。举例而言，运算单元21b及21c分别为用以执行加法运算及乘法运算的运算单元。

低通滤波器22用以对信号强度值VA1′进行低通滤波操作，以产生信号强度值VA2′。举例来说，低通滤波器22为无限脉冲响应(Infinite Impulse Response，IIR)滤波器，包含延迟单元22a、加法单元22b、22c及乘法单元22d。延迟单元22a用以输出前一个时间点的信号强度值VA2′至加法单元22b及22c；加法单元22b用以计算信号强度值VA1′及前一个时间点的信号强度值VA2′的差值；乘法单元22d用以将加法单元22b得到的差值与计算时间参数TAV′相乘，得到第二运算数值；加法单元22c将第二运算数值与前一个时间点的信号强度值VA2′相加，以得到并输出目前的信号强度值VA2′。

计算时间参数TAV′与低通滤波器22的截止频率(cutoff frequency)相关，也就是时间参数TAV′与低通滤波器22的进行平均运算的时间长度相关。计算时间参数TAV′越小，则低通滤波器22的进行平均运算的时间长度越短，且低通滤波器22的截止频率越高。举例来说，若计算时间参数TAV′对应到100ms的话，则低通滤波器22大致上会以100ms内的信号强度值VA1′的值来进行平均，以完成低通滤波的动作。

平均器23用以接收信号强度值VA2′，并对信号强度值VA2′与前M-1个时间点之前M-1笔信号强度值VA2′进行平均运算，以得到信号强度值VA3，M为大于1的自然数。较佳地，平均器23包括移动平均(Moving Average)滤波器23a及取样保持(sample-and-hold)单元23b，平均器23可以是一加权平均器提供加权调整的平均。

移动平均滤波器23a例如为有限脉冲响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器。假设M值等于48，其转移函数(Transfer Function)H(z)为：

$H\left(z\right)=\frac{1}{48}\×(1+Z^{-1}+Z^{-2}+Z^{-3}+...+Z^{-47})$

其可对延迟47、46、45、…及0个周期时间后的信号强度值VA2′进行加总及平均，以得到一移动平均数值。

取样保持单元23b用以每隔多个时间周期对移动平均滤波器23a运算得到的平均数值进行取样，以产生信号强度值VA3。

增益运算电路24用以参照一个调整条件Adj′来调整信号强度值VA3，以得到一笔调整后的信号强度值。增益运算电路24根据信号强度值VA3与此调整后的信号强度值运算得到原始增益值GA1′。举例来说，增益运算电路24用以判断信号强度值VA3是否高于一强度临界值Vth，以调整信号强度值VA3。当信号强度值VA3大于强度临界值Vth时，增益运算电路24产生实质上等于强度临界值Vth的此调整后的信号强度值；当信号强度值VA3小于强度临界值Vth时，增益运算电路24产生数值实质上等于j倍于信号强度值VA3的此调整后的信号强度值；数值j为实数，例如为数值2。

举例来说，请参照图4，其绘示增益运算电路24的增益关系图的一例。横坐标为信号强度值VA3的强度，而纵轴为此调整后的信号强度值VA3’的强度。曲线302为增益运算电路24未进行调整时的曲线，曲线304为增益运算电路24进行调整后的曲线。如图4所示，假设强度临界值Vth等于-18分贝(Decibel，dB)，j等于2。如此，当信号强度值VA3小于-18dB时，增益运算电路24产生数值实质上等于2倍信号强度值VA3的此调整后的信号强度值，亦即此调整后的信号强度值的强度等于信号强度值VA3加上6分贝(dB)。而当信号强度值VA3大于-18dB时，增益运算电路24产生的此调整后的信号强度值则恒为-18dB。

增益运算电路24根据方程式产生原始增益值GA1′：

${\mathrm{GA}1}^{\′}=\frac{{\mathrm{VA}3}^{\′}}{\mathrm{VA}3}$

其中VA3’为此调整后的信号强度值，据此，增益运算电路24根据信号强度值VA3与此调整后的信号强度值计算产生原始增益值GA1′。

缓冲器25包括缓冲器单元25a及25b，分别暂存声道数据DA1与DA2。音量调整电路26根据原始增益值GA1′来产生调整增益值GA2′，并根据调整增益值GA2′来调整缓冲器25所储存的声道数据DA1及DA2，以分别产生调整后的声道数据DA1′及DA2′。

音量调整电路26包括收敛运算单元26a及增益变化率检测单元26b。增益变化率检测单元26b用以接收原始增益值GA1′，并根据原始增益值GA1′与前一笔原始增益值的大小关系，来判断原始增益值GA1′的变化趋势为由大变小或由小变大，来得知声道数据DA1及DA2所对应的音量大小是由小变大，还是由大变小，以对应地分别以渐增收敛参数AT或渐减收敛参数RT做为收敛参数Pc输出。收敛运算单元26a根据收敛参数Pc与原始增益值GA1′来运算得到调整增益值GA2′。

更进一步地，增益变化率检测单元26b包括延迟单元26b1、加法单元26b2、迟滞(Hysteresis)运算放大器26b3及多路复用器(Multiplexer)单元26b4；延迟单元26b1用以输出前一笔原始增益值GA1’至加法单元26b2；加法单元26b2计算前一笔原始增益值GA1’与原始增益值GA1′的差值ΔG；迟滞运算放大器26b3用以接收差值ΔG，而产生迟滞控制信号SC。

请参照图5，其绘示本实施例的迟滞运算放大器的输入输出关系图。当差值ΔG大于高临界值Gth1时，迟滞运算放大器26b3判断差值ΔG的变化趋势为由小变大，并产生第一电平的迟滞控制信号SC。当差值ΔG小于低临界值Gth2时，迟滞运算放大器26b3判断差值ΔG的变化趋势为由大变小，并产生第二电平的迟滞控制信号SC。当差值ΔG介于临界值Gth1与Gth2之间时，迟滞运算放大器26b3不改变迟滞控制信号SC的电平。

多路复用器单元26b4响应于第一电平的迟滞控制信号SC，选择渐增收敛参数AT做为收敛参数Pc输出；而响应于第二电平的迟滞控制信号SC，选择渐减收敛参数RT做为收敛参数Pc输出。较佳地，渐增收敛参数AT与渐减收敛参数RT的值可以不相同。

收敛运算单元26a包括加法单元26a1、26a2、乘法单元26a3及延迟单元26a6。延迟单元26a6用以输出前一笔调整增益值GA2′至加法单元26a1及26a2。加法单元26a1用以产生目前的原始增益值GA1′与目前的调整增益值GA2′的差值；乘法单元26a3将加法单元26a1提供的差值与收敛参数Pc相乘，以得到收敛运算后的差值。加法单元26a2对收敛后的差值与前一笔调整增益值GA2′进行加法运算，以产生目前的调整增益值GA2′。

音量调整电路26还包括乘法单元26a4与26a5，乘法单元26a4及26a5分别接收暂存于缓冲器25中的声道数据DA1及DA2，并根据调整增益值GA2′来分别对声道数据DA1及DA2进行调整，以分别产生调整后的声道数据DA1′与DA2′；声道数据DA1及DA2根据对应的调整增益值GA2′来调整。亦即，如果目前缓冲器单元25a与25b所输出的声道数据DA1及DA2是时间点t输入至运算单元21a(1)与21a(2)的声道数据DA1及DA2的话，则用以调整此声道数据DA1及DA2的调整增益值GA2′是基于时间点t输入至运算单元21a(1)与21a(2)的声道数据DA1及DA2所产生。

于本实施例中，音量控制电路20用以在对应的声道数据DA1及DA2的信号强度有特定变化趋势时，产生对应的调整增益值GA2′，来对声道数据DA1及DA2进行调整，使得声道数据DA1及DA2的信号强度介于某一范围内。

请再参照图1。如前文所述，图1的音量控制电路10必需将计算时间参数TAV增大，降低低通滤波器12的频宽，才能有良好的音量调整的品质。然这样一来将会增大所需的缓冲器14的储存容量。但如果直接将图1的计算时间参数TAV变小，提高低通滤波器12的频宽来减少所需的缓冲器14的储存容量的话，低通滤波器12输出的信号强度值VA2将可能产生大幅振荡，而使得音量调整电路15产生误判，而导致产生错误的调整增益值而无法正确地对声道数据DA1及DA2进行调整的问题。

举例来说，与声道数据DA1对应的声音信号SA1与信号强度值VA1的波形图分别如图6A及图6B所示。当声音信号SA1的强度由小变大时，信号强度值VA1会有大幅振荡的抖动的情况产生。

本实施例的图3的音量控制电路20具有较小的计算时间参数TAV’，较高的低通滤波器12的频宽，故不需大量的缓冲器14的储存容量。为了避免图2的音量控制电路20产生类似于上述的信号强度值VA1会有大幅振荡的抖动的情况，而导致音量调整电路15产生误判的情形，在本实施例的图3的音量控制电路20中，设置有平均器23，以对低通滤波器22产生的信号强度值VA2′进行平均运算，以得到信号强度值VA3。

举例来说，信号强度值VA3与VA2’的波形图之一例如图7所示。信号强度值VA2’经过平均器23的运算后可得到强度变化程度较为缓和，没有大幅振荡现象的信号强度值VA3，允许本实施例的音量控制电路20遭遇音量产生大幅改变时，快速地产生对应的调整增益值来调整音量，缩短自动音量调整所需的延迟时间，并且减少所使用的缓冲器的储存容量，以达到高品质的声音处理并且减少成本的优点。

在本实施例中，迟滞运算放大器26b3的高与低临界值Gth1及Gth2的数值是相关于原始增益值GA1′的强度变化波动程度。较佳地，当原始增益值GA1′的抖动的情况较严重时，迟滞运算放大器26b3的转态临界值Gth1及Gth2需为较高的数值，以避免误判声道数据DA1及DA2的变动趋势；而当原始增益值GA1′的波动幅度较小时，转态临界值Gth1及Gth2可对应地设置为较低的数值。

在本实施例中，移动平均滤波器23a的M值亦可依照信号强度值VA2′的状态而调整之，虽仅以数值M等于48的情形为例作说明，然而，本实施例的平均器23参考的信号强度值VA2′的数量并不局限于为数值M，而可为其它数值。转态临界值Gth1及Gth2的数值的选择亦可与数值M相关。

本发明亦提出一种音量控制方法，用以产生调整增益值来调整多个声道的多笔声道数据。请参照图8，其绘示依照本发明实施例的音量控制方法的流程图。于步骤S800中，产生对应至声道数据的信号强度的第一信号强度值。接着，于步骤S810中，对第一信号强度值进行低通滤波操作，以产生第二信号强度值。然后，于步骤S820中，对第二信号强度值与前M-1个时间点的前M-1笔第二信号强度值进行平均运算，以得到第三信号强度值，M为大于1的自然数。接着，于步骤S830中，参照调整条件，根据第三信号强度值得到原始增益值。然后，于步骤S840中，使用缓冲器暂存声道数据。之后，于步骤S850中，根据原始增益值产生调整增益值，并根据调整增益值来调整缓冲器所储存的声道数据。

上述的音量控制方法的操作原理是已详述于音量控制电路20中，故于此不再重述。

本发明通过于音量控制电路中适当地设置加权平均器，使得本发明的低通滤波器的计算时间参数可以缩短，且缓冲器中的缓存器单元的储存容量可大幅降低。这样一来，相较于传统音量控制电路，本发明的音量控制电路更具有低成本及可快速收敛音量的调整而防止爆音的优点。

综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作出各种等同的改变或替换。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (18)

1.一种音量控制电路，用以产生一调整增益值来调整多个声道的多笔声道数据，该音量控制电路包括：

一信号强度运算电路，用以接收并产生对应至该多笔声道数据的信号强度的一第一信号强度值；

一低通滤波器，用以对该第一信号强度值进行低通滤波操作，以产生一第二信号强度值；

一加权平均器，用以接收该第二信号强度值，并对该第二信号强度值与前M-1个时间点的前M-1笔第二信号强度值进行平均运算，以得到一第三信号强度值，M为大于1的自然数；

一增益运算电路，用以参照一调整条件，根据该第三信号强度值，以得到一原始增益值；

一缓冲器，用以暂存该多笔声道数据；以及

一音量调整电路，用以根据该原始增益值来产生该调整增益值，并根据该调整增益值来调整该多笔声道数据。

2.根据权利要求1所述的音量控制电路，其特征在于，该平均器包括：

一移动平均滤波器，用以对该第二信号强度值进行移动平均运算，以产生一平均强度值；以及

一取样保持单元，用以对该平均强度值进行取样，以得到该第三信号强度值。

3.根据权利要求2所示的音量控制电路，其特征在于，该移动平均滤波器为一有限脉冲响应滤波器，且该低通滤波器为一无限脉冲响应滤波器。

4.根据权利要求1所述的音量控制电路，其特征在于，该调整条件为一临界值，该增益运算电路用以判断该第三信号强度值是否大于该临界值，以决定该原始增益值。

5.根据权利要求4所述的音量控制电路，其特征在于，该增益运算电路用以于该第三信号强度值小于该临界值时，将该第三信号强度值放大一预定倍数以产生一第四信号强度值，且该增益运算电路根据该第四信号强度值及该第三信号强度值的比值产生该原始增益值。

6.根据权利要求4所述的音量控制电路，其特征在于，该增益运算电路用以于该第三信号强度值大于该临界值时，将该第三信号强度值限制为该临界值以产生该第四信号强度值，且该增益运算电路根据该第四信号强度值及该第三信号强度值的比值产生该原始增益值。

7.根据权利要求1所述的音量控制电路，其特征在于，该音量调整电路包括：

一收敛运算单元，用以接收该原始增益值，并根据前一笔原始增益值、该原始增益值与一收敛参数运算得到该调整增益值。

8.根据权利要求7所述的音量控制电路，其特征在于，该音量调整电路还包括：

一增益变化率检测单元，用以接收该原始增益值，并根据该原始增益值与前一笔原始增益值的大小关系，来判断该原始增益值的变化趋势为由小增大或由大减小，以对应地以一渐增收敛参数或一渐减收敛参数做为该收敛参数。

9.根据权利要求8所述的音量控制电路，其特征在于，该增益变化率检测单元包括：

一差值运算单元，用以接收该原始增益值与前一笔原始增益值，并计算该原始增益值与前一笔原始增益值的一差值；

一迟滞运算放大器，用以接收该差值，并对应产生一迟滞控制信号；及

一多路复用器单元，用以接收该渐增及该渐减收敛参数，并响应于该迟滞控制信号来以该渐增及该渐减收敛参数其中之一做为该收敛参数输出。

10.根据权利要求9所述的音量控制电路，其特征在于，该迟滞运算放大器的临界值是相关于数值M的大小。

11.根据权利要求1所述的音量控制电路，其特征在于，该音量调整电路还包括：

多个运算单元，分别用以将这些声道数据与该调整增益值进行乘法运算，以对应地产生多笔调整后的这些声道数据。

12.一种音量控制方法，用以产生一调整增益值来调整多个声道的多笔声道数据，该音量控制方法包括：

a.产生对应至该多笔声道数据的信号强度的一第一信号强度值；

b.对该第一信号强度值进行低通滤波，以产生一第二信号强度值；

c.对该第二信号强度值与前M-1个时间点的前M-1笔第二信号强度值进行加权平均运算，以得到一第三信号强度值，M为大于1的自然数；

d.参照一调整条件，根据该第三信号强度值得到一原始增益值；

e.暂存该多笔声道数据；以及

f.根据该原始增益值产生该调整增益值，并根据该调整增益值来调整所暂存的该多笔声道数据。

13.根据权利要求12所述的音量控制方法，其特征在于，于步骤c中，是使用一移动平均器来进行平均运算。

14.根据权利要求13所示的音量控制电路，其特征在于，于该步骤b中，是借助一无限脉冲响应滤波器来进行低通滤波，而该移动平均滤波器是一有限脉冲响应滤波器。

15.根据权利要求12所述的音量控制方法，其特征在于，步骤d包括：

当该第三信号强度值小于一临界值时，将该第三信号强度值放大一预定倍数，以产生一第四信号强度值；及

根据该第三信号强度值及该第四信号强度值的比值产生该原始增益值。

16.根据权利要求12所述的音量控制方法，其特征在于，步骤d包括：

当该第三信号强度值大于一临界值时，将该第三信号强度值限制为该临界值，以产生该第四信号强度值；及

根据该第三信号强度值及该第四信号强度值的比值产生该原始增益值。

17.根据权利要求12所述的音量控制方法，其特征在于，步骤f包括：

根据该原始增益值与前一笔原始增益值的大小关系，来判断该原始增益值的变化趋势为由小增大或由大减小，以对应地选择一渐增收敛参数或一渐减收敛参数做为一收敛参数；及

根据该原始增益值、前一笔原始增益值及该收敛参数运算得到该调整增益值。

18.根据权利要求12所述的音量控制方法，其特征在于，步骤f是将这些声道数据与该调整增益值进行乘法运算，以对应地产生多笔调整后声道数据。

Images