基于FPGA的音頻AGC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)﹡

周江平， 高 俊， 屈曉旭

0 引言

語(yǔ)音通信中，基帶傳輸距離、麥克風(fēng)等的不同都會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入射頻前端的音頻信號(hào)忽大忽小。為了使得激勵(lì)器能夠接收到幅度平穩(wěn)的音頻信號(hào)，需要在射頻輸出之前給音頻信號(hào)做AGC處理。一般情況下，為了減小運(yùn)算量，會(huì)在采樣率較低時(shí)進(jìn)行AGC處理。AGC處理除了使得輸出的音頻幅度相對(duì)平穩(wěn)外，還具有一定的噪音抑制能力。音頻AGC與普通AGC有所不同，音頻AGC必須跟蹤音頻信號(hào)的變化，一方面要減小不期望因素的干擾，另一方面還要較準(zhǔn)確地反映音頻信號(hào)的幅度正常變化，因此參考幅度理論上是應(yīng)該不斷變化的[1]。

隨著電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已廣泛地深入到人們生活等各個(gè)領(lǐng)域。運(yùn)用數(shù)字化處理技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）器件上實(shí)現(xiàn)音頻AGC算法，可以使得AGC控制更加精確，實(shí)現(xiàn)更加靈活，運(yùn)行更加穩(wěn)定。

1 自動(dòng)增益控制基本原理

一般來說，AGC系統(tǒng)由可變?cè)鲆娣糯笃骱头答伝芈方M成?？勺?cè)鲆娣糯笃鞲鶕?jù)反饋回路的幅度以及閾值按照一定的算法調(diào)整增益值。一般情況下，當(dāng)輸入可變?cè)鲆娣糯笃鞯男盘?hào)幅度增大時(shí)，反饋回路控制其增益按一定關(guān)系減?。粶p小時(shí)，其增益則按一定關(guān)系增大[2]。這樣可以保證AGC放大后得到的輸出信號(hào)的幅度基本恒定。數(shù)字AGC的反饋部分由數(shù)字處理實(shí)現(xiàn)，與模擬AGC相比，降低調(diào)試難度而且增強(qiáng)了穩(wěn)定性、收斂性和精確性[3]。

根據(jù)數(shù)字AGC中增益值調(diào)整的算法，可以將數(shù)字AGC分為固定步長(zhǎng)AGC、可變步長(zhǎng)AGC兩類。固定步長(zhǎng)AGC算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，物理意義明確，但是調(diào)節(jié)時(shí)間隨著輸入變化的增大而增大，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況；可變步長(zhǎng) AGC算法增益調(diào)整靈活，收斂速度較快，調(diào)節(jié)時(shí)間不會(huì)隨著輸入變化量的大小而改變，但是一般需要除法，對(duì)數(shù)運(yùn)算等計(jì)算，實(shí)現(xiàn)時(shí)資源消耗量大。隨著微電子技術(shù)日益發(fā)展，F(xiàn)PGA可提供的資源量大大增加，大多采用可變步長(zhǎng)算法。

2 音頻AGC的算法設(shè)計(jì)

1)輸出動(dòng)態(tài)范圍的確定。根據(jù)實(shí)際情況，若AGC的期望值取為定值，那么輸出的信號(hào)的幅度值將無限地趨近期望值，但是會(huì)一直變化調(diào)整，這就會(huì)導(dǎo)致輸出端的幅度不穩(wěn)定。因此，可以以期望值為中心，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的范圍。一旦經(jīng)AGC輸出的信號(hào)處于該范圍中，認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，增益值將不再改變，這樣可以使輸出信號(hào)的幅度得到穩(wěn)定。如果設(shè)計(jì)的這種穩(wěn)定范圍足夠小，那么不會(huì)對(duì)人的聽覺效果產(chǎn)生影響[4]。該區(qū)間的上界稱為期望值上限，該區(qū)間的下界稱為期望值下限。研究數(shù)據(jù)表明，幅度在0.1 dB范圍內(nèi)變化人爾無法察覺。設(shè)定該范圍為期望值加減0.1 dB。為了保護(hù)電路，期望值一般設(shè)為輸出信號(hào)滿偏值減0.25 dB。

2)增益調(diào)整速度的確定。在正常的語(yǔ)音信號(hào)中，信號(hào)幅度的大小是不停變化的。為了體現(xiàn)出語(yǔ)音信號(hào)這種幅度的正常變化，不能將所有的信號(hào)幅度都快速拉高到期望值區(qū)間，應(yīng)該保持增益不變或者只變化很小的范圍。那樣才能分辨出人說話時(shí)的語(yǔ)調(diào)，不會(huì)產(chǎn)生“失真”[5]。而如果由于其它因素導(dǎo)致語(yǔ)音信號(hào)的平均幅度比較小，就需要將增益值增大，使得語(yǔ)音信號(hào)整體幅度增大，這樣不會(huì)對(duì)聲音信號(hào)造成失真。而相對(duì)來說，聲音信號(hào)的幅度正常變化比非正常變化要快得多。所以，音頻AGC的增益值需要跟隨這種慢的變化而忽略快變化。由于可變步長(zhǎng)AGC算法增益調(diào)整時(shí)間可以控制，故采用可變步長(zhǎng)算法。當(dāng)增益調(diào)整時(shí)間相對(duì)語(yǔ)音信號(hào)正常變化時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)，那么增益基本不會(huì)改變，根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)定增益調(diào)整時(shí)間為4 s。如果輸出信號(hào)很大，增益需要快速減小，否則可能燒毀器件。當(dāng)檢測(cè)到輸出信號(hào)大于期望值上限時(shí)，增益調(diào)整時(shí)間設(shè)為0.5 ms[6]。

AGC增益值調(diào)整算法計(jì)算公式如下：

3)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的確定。輸入動(dòng)態(tài)范圍太大，會(huì)導(dǎo)致大量噪聲被放大，輸出信號(hào)質(zhì)量差，而輸入動(dòng)態(tài)范圍太小會(huì)使得小信號(hào)被忽略，產(chǎn)生失真[7]。考慮實(shí)際情況，定義比輸入信號(hào)的最大值小36 dB的信號(hào)為噪聲。如果輸入一直是噪聲，應(yīng)該將增益置為 0，不傳輸噪聲。而在人說話的間隙，輸入的信號(hào)也完全是噪聲，此時(shí)不能將增益值置為0，否則根據(jù)上述需要緩慢增大增益的要求，在聲音信號(hào)增大時(shí)不能有效地放大。根據(jù)噪聲信號(hào)持續(xù)的時(shí)間，可以判斷該噪聲是否為聲音信號(hào)的間隙，如果時(shí)間比較短，則認(rèn)為是聲音信號(hào)的間隙。時(shí)間長(zhǎng)短的判決門限的選取需適當(dāng)，太長(zhǎng)會(huì)使得聲音信號(hào)結(jié)束之后還會(huì)有很長(zhǎng)一段的噪聲輸出，太短則使得誤判較嚴(yán)重，不能高質(zhì)量地傳輸語(yǔ)音信號(hào)。時(shí)間判決門限設(shè)定為5 s比較合適。在音頻信號(hào)最小值與噪聲門限之間，留有6 dB的范圍，在此區(qū)間，噪聲對(duì)信號(hào)的幅度影響很大，因此固定增益值，即不放大噪聲，也不屏蔽信號(hào)。

4)增益大小的限制。為了避免增益過大，信號(hào)突變燒毀器件，將增益限制在一個(gè)范圍內(nèi)，如果計(jì)算得到的增益大于這個(gè)范圍的最大值，增益取最大值，反之，增益取最小值。最大增益定為30 dB，最小增益定為-3 dB。

綜上所述，音頻AGC算法的流程如圖1所示。

圖1 AGC增益控制算法流程

3 音頻AGC的算法的仿真

信號(hào)輸出幅度變化規(guī)律的matlab仿真分析。根據(jù)上述增益調(diào)整算法，如果直接按照y(n) = x (n) × G (n)求輸出信號(hào)，當(dāng)信號(hào)突然由很小變得很大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，為了避免這種現(xiàn)象，給信號(hào)增加一個(gè)延時(shí)，即按照 y (n ) = x (n- 32)× G(n)計(jì)算輸出，可以很好地解決過沖的問題，雖然會(huì)對(duì)信號(hào)由小變大時(shí)產(chǎn)生一些不利的影響，但是在可以接受的范圍內(nèi)。仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 輸入信號(hào)增大輸出幅度變化

圖3 輸入信號(hào)減小輸出幅度變化

圖2 為輸入信號(hào)由小突然變大時(shí)輸出信號(hào)幅度變化情況；圖3為輸入信號(hào)由大突然變小時(shí)輸出信號(hào)幅度變化情況。由圖 2(a)可知，輸出信號(hào)大于輸出信號(hào)幅度上限值時(shí)，增益調(diào)整的節(jié)拍約為60個(gè)節(jié)拍。同時(shí)可知信號(hào)由小突然變大，增益有一個(gè)從大到小衰減的過程，如果不延時(shí)，大信號(hào)與大增益相乘，必然會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)很大；信號(hào)延時(shí)是為了在增益減小到一定程度之后再和大信號(hào)相乘，這樣輸出不會(huì)過大。對(duì)比圖 2(b)可知，經(jīng)過延時(shí)之后，輸出的最大幅度減小了很多，維持在理想幅度上方的時(shí)間也短了很多，但是有一段時(shí)間處于理想幅度下方，可以忍受信號(hào)變小的失真，而不能忍受信號(hào)過大導(dǎo)致燒毀器件。由圖 3(a)可知，輸出信號(hào)比理想幅度下限小時(shí)，調(diào)整時(shí)間約為600 000個(gè)節(jié)拍。由圖 3(b)可知，信號(hào)如果信號(hào)由大變小的時(shí)候，由于延時(shí)的存在，會(huì)使得輸出信號(hào)先變大，后變小，同樣存在一段時(shí)間內(nèi)輸出較大的問題，但是由于信號(hào)增益變大時(shí)較緩慢，如果延時(shí)較小，在增益增大不多時(shí)就與減小后的信號(hào)相乘，那么雖然存在輸出較大，但是與理想幅度相當(dāng)接近，不會(huì)燒毀器件。總的來說，信號(hào)的延時(shí)需要取適當(dāng)?shù)闹?，一般延時(shí)32個(gè)節(jié)拍。

4 音頻AGC的算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于 alter公司的stratix_ii GX芯片，音頻采樣A/D采用A/D7655，處理完成之后射頻輸出采用A/D9957進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。

FPGA內(nèi)部信號(hào)處理流程[8]如圖4所示。

圖4 FPGA信號(hào)處理流程

音頻信號(hào)通過A/D7655采樣進(jìn)來，進(jìn)行數(shù)字濾波，得到I/Q兩路數(shù)字信號(hào)。根據(jù)用I/Q信號(hào)計(jì)算出當(dāng)前信號(hào)的幅度值 Ain[9]。反饋的幅度值 A (n ) = Ain(n) × G (n)，然后綜合 Ain及A來對(duì)增益進(jìn)行調(diào)整。雖然輸出信號(hào)小于輸出上限時(shí)，調(diào)整時(shí)間有4 s，但是，當(dāng)信號(hào)幅度變化時(shí)，增益的初期調(diào)整還是很快，對(duì)增益的改變較大，這與要求忽略信號(hào)的快變化矛盾，故文中的 Ain信號(hào)不用實(shí)時(shí)的信號(hào)，而是將輸入信號(hào)按512個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行分組，每組中的最大值作為 Ain信號(hào)，那么實(shí)際上就忽略了信號(hào)在512個(gè)點(diǎn)內(nèi)的幅度的變化。

調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅度，示波器上顯示的輸出信號(hào)的變化如圖5所示。

圖5 輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化

圖5 中a、b兩個(gè)光標(biāo)是用示波器測(cè)量時(shí)得到的，c、d、e、f是為了方便敘述后期添加上去的。a、b兩個(gè)光標(biāo)之間是信號(hào)突然減小后保持不變時(shí)輸出信號(hào)變化情況；c、d兩個(gè)光標(biāo)之間是輸入信號(hào)快速變化時(shí)輸出情況；e，f兩個(gè)光標(biāo)之間是輸入信號(hào)突然增大時(shí)輸出信號(hào)變化情況。由圖5可知，輸入信號(hào)減小后，經(jīng)過 4 s左右可以將輸出信號(hào)調(diào)整到期望值；輸入信號(hào)快速變化時(shí)，輸出會(huì)跟隨輸入的變化而變化；輸入信號(hào)突然增大時(shí)，輸出信號(hào)不會(huì)有明顯的變化。AGC功能基本實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

文中根據(jù)實(shí)際的語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)AGC算法[10]基礎(chǔ)上，提出了一種適應(yīng)語(yǔ)音通信的新型的靈活的AGC算法，并對(duì)該算法進(jìn)行了仿真，在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上，對(duì)該算法在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的問題進(jìn)行了詳盡的分析并提出解決方案，最后用VHDL語(yǔ)言在基于 FPGA的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)該算法[11]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法具有良好的性能，可以以較小的失真為代價(jià)，使得輸出的信號(hào)幅度平穩(wěn)性得到極大的提升。該算法已成功運(yùn)用于某語(yǔ)音通信的發(fā)射機(jī)中。

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