一種基於實用AGC算法的音頻信號處理方法與FPGA實現的分析研究

一種基於實用AGC算法的音頻信號處理方法與FPGA實現的分析研究

工程師青青 發表於 2018-09-30 16:29:14

隨著現代通信技術的廣泛使用，通信企業問的競爭不斷加劇，為提升自身的競爭優勢，通信企業需要將其通信信號的質量提升，並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實現中，採用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調試後的信號失真問題。本文針對基於實用AGC算法的音頻信號處理方法與FPGA實現，及其相關內容進行了分析研究。

1 實用AGC算法在實際應用中的原理

在通信設備使用過程中，語音通信是重要的組成部分，而在語言通信中音頻信號的質量，決定著人們對通信系統的選擇。當前在通信音頻信號處理中會採用AGC，其可保證信號輸出的穩定性，降低信號輸出的幹擾。通過實際驗證，實用AGC算法與普通的AGC算法存在一定的差異，實用AGC算法是普通AGC算法的基礎上產生，其不僅可將信號傳輸中的幹擾因素有效降低，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。隨著科技的發展，數字處理技術，在音頻信號處理中的應用，可降低信號的幹擾，實現FPGA。

自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）。其主要由增益放大器以及反饋迴路兩部分組成。在其工作過程中，增益放大器組成部分，根據系統中反饋迴路的幅度、閾值，採用一定的AGC算法，對增益值進行調整。即AGC通過放大電路中自動增益信號的強度，調整信號的自動控制。在信號強度增加時，AGC系統反饋迴路的控制，按照一定關係進行相應的減小;反之，當AGC系統增益放大器中信號幅度降低時，反饋迴路的增益，將按照兩者之間存在的一定關係，進行相應的增大。通過此方法，在AGC算法放大調整後，確保了通信系統信號輸出的幅度可基本維持在恆定的狀態。文中將AGC算法應用於音頻信號處理中，可實現FPGA，並可有效降低音頻信號輸出時的幹擾，保證信號的穩定。

2 基於AGC算法的音頻信號處理設計

在音頻信號處理過程中，應用AGC算法分為4個步驟：

步驟1 確定音頻信號輸出的動態範圍。在設計基於使用AGC算法的音頻信號處理中，需根據音頻信號的實際情況而定。若在設計過程中，實用AGC系統中期望值為一個定值時，此時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程中，輸出信號會不斷地調整，進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AGC期望值的基礎上，以期望值為中心，設計並確定音頻信號輸出穩定的一個動態範圍。當AGC算法調整中，音頻信號的幅度在這一動態範圍內，則可認定音頻信號的輸出幅度是穩定的。一般情況下，音頻信號輸出幅度範圍是AGC系統期望值加減0.1 dB，同時為了對音頻信號輸出的電路進行保護，需要將AGC系統的期望值，設置為音頻信號輸出滿值下減少0.25 dB。

步驟2 確定增益調整速度。在正常語音通信中，語言信號的幅度在不停變化，為了確定、保證並呈現語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較小的範圍內變化，由此才可保證音頻信號傳輸中的幅度不失真。在音頻信號傳輸過程中受到的幹擾，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。實用AGC在音頻信號中的應用，其增益值需遂慢而快，隨著信號幅度的慢變化而進行忽快的變化。當音頻信號增益調整的時間與音頻信號正常情況下的調整時間相比較長時，此時的增益值不會發生較大變化，需根據音頻信號輸出的特點，設定其增益調整的時間為4 s。若音頻信號輸出較大時，此時的增益需快速減小，若不進行減小調整，則會造成器件的損壞。而當信號的輸出值大於期望值的上限時，增益值調整時間需設定為0.5 ms。

實用AGC算法的增益值計算公式為

其中，A（n+1）是對信號傳輸調整後的增益值;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為一個常數。其中a值不同，AGC的調整速度也不同，根據實用AGC算法的實際要求，信號輸出幅度小於期望值上限時，a=16，增益的調整將變慢，若a=3，此時的增益調整速度則將加快。

步驟3 確定輸入信號的動態範圍。在音頻信號輸入的過程中，若設定的輸入值範圍過大，將會使信號在傳輸過程中，產生較大的噪聲，影響信號的輸入、輸出質量。相反若音頻輸入信號的設定的範圍較小，因信號較小，會被忽略，進而造成音頻輸入信號的失真。根據音頻信號的輸入時間情況，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態範圍確定，可根據噪聲存在的時間，判斷噪聲是否發生在音頻信號傳輸的間隙，若噪聲存在的時間相對較小，則可將其看成是音頻信號的間隙。通常噪聲的判斷時間設定為5 s最佳。根據噪聲存在的時間及信號輸入的實際情況，將音頻信號最小值到噪聲門限之間約6 dB的範圍，確定為音頻信號輸入的動態範圍。在這一範圍內噪聲對音頻信號的幹擾強度較，因此需要將增益值固定。

步驟4 對增益值的大小進行限制。為避免發生增益過大，將信號傳輸器件或設備燒毀，需要將其增益值控制在一個範圍內，若AGC計算得出的值，大於該範圍的上限，此時增益值取最大值，反之取最小值。根據音頻信號的實際傳輸情況，增益範圍在-3～30 dB。

通過以上4個步驟，可將實用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現

3.1 仿真實驗

在音頻信號處理中，根據音頻輸入、輸出的幅度變化，製作AGC仿真實驗。按照實用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，此時當音頻信號突然減小時，就會出現過衝現象，為將過衝現象消除/避免，需按照實用AGC算法公式，為音頻信號的輸出增加延時，延時可按式（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，可將過衝現象解決和消除，雖增加延時會對音頻信號產生一定影響，但其不利影響在可接受範圍內。仿真實驗結果如圖2和圖3所示。

在音頻信號輸入的過程中，當音頻信號增益變大後，其將相對緩慢，此時進行的增益延時相對較小，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造成影響。

3.2 FPGA的實現

實驗中，FPGA的信號處理流程如圖4所示。

音頻信號通過音頻採樣的形式進行數字過濾，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，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值對音頻信號進行增益調整，調整時間為4 s。

當音頻信號的幅度發生變化時，在增益開始階段，進行的調整相對較快，此時對增益的影響較大，即信號增益變化較大。經過約4 s的增益調整，可將信號幅度的輸出值調整到期望值，隨著輸入音頻信號的快速變化，輸出的音頻信號也會隨著輸入信號的變化而發生相應的改變，但在輸入信號突然增大時，音頻輸出信號不會產生明顯變化，由此實現了基於AGC算法的音頻FPGA。

4 結束語

針對AGC算法的工作原理、音頻信號處理、FPGA等內容進行分析。在音頻信號處理過程中，採用實用AGC算法，通過採取仿真實驗，得到實用AGC算法在音頻信號處理及FPGA實現中的應用，並可降低信號傳輸中的失真問題，有效提高了信號傳輸的穩定性。實驗結果表明，將實用AGC算法，應用於音頻信號處理方法與FPGA實現中，其具有良好的性能，且確保了信號的穩定性。

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