基于A(yíng)GC算法的音頻信號處理方法及FPGA實(shí)現

隨著(zhù)現代通信技術(shù)的廣泛使用，通信企業(yè)問(wèn)的競爭不斷加劇，為提升自身的競爭優(yōu)勢，通信企業(yè)需要將其通信信號的質(zhì)量提升，并提高通信系統各項指標的穩定性、安全性、高效性。在音頻信號處理方法及FPGA實(shí)現中，采用AGC算法，可提高音頻信號系統和音頻信號輸出的穩定性，解決了AGC調試后的信號失真問(wèn)題。本文針對基于實(shí)用AGC算法的音頻信號處理方法與FPGA實(shí)現，及其相關(guān)內容進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí)用AGC算法在實(shí)際應用中的原理

在通信設備使用過(guò)程中，語(yǔ)音通信是重要的組成部分，而在語(yǔ)言通信中音頻信號的質(zhì)量，決定著(zhù)人們對通信系統的選擇。當前在通信音頻信號處理中會(huì )采用AGC，其可保證信號輸出的穩定性，降低信號輸出的干擾。通過(guò)實(shí)際驗證，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算法的基礎上產(chǎn)生，其不僅可將信號傳輸中的干擾因素有效降低，還可保證音頻信號在傳輸中的穩定性，準確地將音頻信號的幅度變化情況顯示出來(lái)。隨著(zhù)科技的發(fā)展，數字處理技術(shù)，在音頻信號處理中的應用，可降低信號的干擾，實(shí)現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(guò)程中，增益放大器組成部分，根據系統中反饋回路的幅度、閾值，采用一定的AGC算法，對增益值進(jìn)行調整。即AGC通過(guò)放大電路中自動(dòng)增益信號的強度，調整信號的自動(dòng)控制。在信號強度增加時(shí)，AGC系統反饋回路的控制，按照一定關(guān)系進(jìn)行相應的減小;反之，當AGC系統增益放大器中信號幅度降低時(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)行相應的增大。通過(guò)此方法，在A(yíng)GC算法放大調整后，確保了通信系統信號輸出的幅度可基本維持在恒定的狀態(tài)。文中將AGC算法應用于音頻信號處理中，可實(shí)現FPGA，并可有效降低音頻信號輸出時(shí)的干擾，保證信號的穩定。

2 基于A(yíng)GC算法的音頻信號處理設計

在音頻信號處理過(guò)程中，應用AGC算法分為4個(gè)步驟：

步驟1 確定音頻信號輸出的動(dòng)態(tài)范圍。在設計基于使用AGC算法的音頻信號處理中，需根據音頻信號的實(shí)際情況而定。若在設計過(guò)程中，實(shí)用AGC系統中期望值為一個(gè)定值時(shí)，此時(shí)音頻信號輸出的幅度將趨近AGC系統的這一期望值。在趨近這一期望值的過(guò)程中，輸出信號會(huì )不斷地調整，進(jìn)而造成信號輸出端幅度的不穩定，所以為保證音頻信號輸出的穩定性，可在A(yíng)GC期望值的基礎上，以期望值為中心，設計并確定音頻信號輸出穩定的一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。當AGC算法調整中，音頻信號的幅度在這一動(dòng)態(tài)范圍內，則可認定音頻信號的輸出幅度是穩定的。一般情況下，音頻信號輸出幅度范圍是AGC系統期望值加減0.1 dB，同時(shí)為了對音頻信號輸出的電路進(jìn)行保護，需要將AGC系統的期望值，設置為音頻信號輸出滿(mǎn)值下減少0.25 dB。

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

實(shí)用AGC算法的增益值計算公式為

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

步驟3 確定輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍。在音頻信號輸入的過(guò)程中，若設定的輸入值范圍過(guò)大，將會(huì )使信號在傳輸過(guò)程中，產(chǎn)生較大的噪聲，影響信號的輸入、輸出質(zhì)量。相反若音頻輸入信號的設定的范圍較小，因信號較小，會(huì )被忽略，進(jìn)而造成音頻輸入信號的失真。根據音頻信號的輸入時(shí)間情況，將36 dB的信號強度確定為噪聲。使用AGC算法，將音頻信號的輸入動(dòng)態(tài)范圍確定，可根據噪聲存在的時(shí)間，判斷噪聲是否發(fā)生在音頻信號傳輸的間隙，若噪聲存在的時(shí)間相對較小，則可將其看成是音頻信號的間隙。通常噪聲的判斷時(shí)間設定為5 s最佳。根據噪聲存在的時(shí)間及信號輸入的實(shí)際情況，將音頻信號最小值到噪聲門(mén)限之間約6 dB的范圍，確定為音頻信號輸入的動(dòng)態(tài)范圍。在這一范圍內噪聲對音頻信號的干擾強度較，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(guò)大，將信號傳輸器件或設備燒毀，需要將其增益值控制在一個(gè)范圍內，若AGC計算得出的值，大于該范圍的上限，此時(shí)增益值取最大值，反之取最小值。根據音頻信號的實(shí)際傳輸情況，增益范圍在-3～30 dB。

通過(guò)以上4個(gè)步驟，可將實(shí)用AGC算法在音頻信號處理中的應用流程，設計如圖1所示。

3 AGC算法的音頻信號處理仿真及實(shí)現

3.1 仿真實(shí)驗

在音頻信號處理中，根據音頻輸入、輸出的幅度變化，制作AGC仿真實(shí)驗。按照實(shí)用AGC算法的流程和信號計算式(2)，將音頻的輸出信號計算出來(lái)，此時(shí)當音頻信號突然減小時(shí)，就會(huì )出現過(guò)沖現象，為將過(guò)沖現象消除/避免，需按照實(shí)用AGC算法公式，為音頻信號的輸出增加延時(shí)，延時(shí)可按式(3)計算

y(n)=x(n)×G(n) (2)

y(n)=x(n-32)×G(n) (3)

增加音頻信號延時(shí)，可將過(guò)沖現象解決和消除，雖增加延時(shí)會(huì )對音頻信號產(chǎn)生一定影響，但其不利影響在可接受范圍內。仿真實(shí)驗結果如圖2和圖3所示。

在音頻信號輸入的過(guò)程中，當音頻信號增益變大后，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較大，但已接近理想輸出幅度，因此對信號輸出器件的安全性將不會(huì )造成影響。

3.2 FPGA的實(shí)現

實(shí)驗中，FPGA的信號處理流程如圖4所示。

音頻信號通過(guò)音頻采樣的形式進(jìn)行數字過(guò)濾，得到圖4中I、Q兩路信號，可使用下式

將形成的兩路信號幅值計算出來(lái)，AGC系統中反饋的幅值以A(n)=Ain(n)×G(n)式(5)計算得出。根據算出的A和Ain值對音頻信號進(jìn)行增益調整，調整時(shí)間為4 s。

當音頻信號的幅度發(fā)生變化時(shí)，在增益開(kāi)始階段，進(jìn)行的調整相對較快，此時(shí)對增益的影響較大，即信號增益變化較大。經(jīng)過(guò)約4 s的增益調整，可將信號幅度的輸出值調整到期望值，隨著(zhù)輸入音頻信號的快速變化，輸出的音頻信號也會(huì )隨著(zhù)輸入信號的變化而發(fā)生相應的改變，但在輸入信號突然增大時(shí)，音頻輸出信號不會(huì )產(chǎn)生明顯變化，由此實(shí)現了基于A(yíng)GC算法的音頻FPGA。

4 結束語(yǔ)

針對AGC算法的工作原理、音頻信號處理、FPGA等內容進(jìn)行分析。在音頻信號處理過(guò)程中，采用實(shí)用AGC算法，通過(guò)采取仿真實(shí)驗，得到實(shí)用AGC算法在音頻信號處理及FPGA實(shí)現中的應用，并可降低信號傳輸中的失真問(wèn)題，有效提高了信號傳輸的穩定性。實(shí)驗結果表明，將實(shí)用AGC算法，應用于音頻信號處理方法與FPGA實(shí)現中，其具有良好的性能，且確保了信號的穩定性。