TWI822030B - 雜訊整型式數位自動增益控制系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種雜訊整型式數位自動增益控制系統，包括一音訊接收裝置、一類比-數位轉換器、一數位音訊增益自適應生成裝置、以及一增益調整裝置。該類比-數位轉換器用以將該音訊接收裝置的類比音訊轉換為數位音訊。該數位音訊增益自適應生成裝置依據一回授音訊產生虛擬升降波訊號，並依據該虛擬升降波訊號生成輸出代碼並進一步轉換成增益倍率，藉以使增益倍率的不連續雜訊被推到高頻，使得低頻部分的解析度大幅提升，依據該增益倍率控制該數位音訊的增益，轉換成一播放音訊後傳送至音訊輸出裝置。

Description

雜訊整型式數位自動增益控制系統

本發明係涉及一種數位自動增益控制系統，尤指一種雜訊整型式數位自動增益控制系統。

自動增益控制（Automatic Gain Control）在各種行業中運用廣泛，尤其是運用在實際使用的音頻會議系統中，由於性別或講話者的習慣，會導致音頻系統輸出端的音量幅度產生巨大的差別，例如當講話者距離麥克風較遠時，會輸出較小的音量；講話者距離麥克風較近時，會輸出較大的音量。由於這樣的情況會使在相同會議中的所有與會者出現突然大聲/小聲的情況，而造成與會者的困擾。

藉此，使用自動增益控制能自動給予增益補償，當講話者聲音過大的時候，會自動降低增益，使會議中的聲音都維持在一定的音量下；反之，當講話者聲音過小的時候，會自動提升增益，使會議中的聲音都維持在一定的音量下上，藉此使與會者能夠順暢地進行會議。

但自動增益控制調整會由於調整速率產生不順暢的情況，因此會使會議中的與會者感到不適。

本發明的主要目的，在於提供一種雜訊整型式數位自動增益控制系統，包括一音訊接收裝置、一類比-數位轉換器、一數位音訊增益自適應生成裝置、以及一增益調整裝置。該音訊接收裝置用以接收聲音並將其轉換為類比音訊。該類比-數位轉換器連接至該音訊接收裝置，該類比-數位轉換器用以接收該類比音訊，並將其轉換為數位音訊。該數位音訊增益自適應生成裝置連接至該類比-數位轉換器以接收該數位音訊。該數位音訊增益自適應生成裝置包括一虛擬升降波生成模組、一連接至該虛擬升降波生成模組的雜訊整形模組、一連接至該雜訊整形模組的映射模組、以及一連接至該映射模組的增益調整模組，該虛擬升降波生成模組由一音訊回授裝置接收回授音訊並依據該回授音訊是否超出預設音量範圍輸出虛擬升降波訊號，該雜訊整形模組依據該虛擬升降波生成模組的該虛擬升降波訊號產生輸出代碼，該映射模組係依據該輸出代碼映射獲得更新後的增益倍率，其中，該雜訊整形模組的輸入及輸出係符合以下算式： ； ； 其中，x[n]為該虛擬升降波訊號於n階時的數值，y[n]為n階時的該輸出代碼，w[n]為x[n]及y[n]中間的轉移函數，Nbits_Quantizer()為多位階量化器的函式。該增益調整裝置係連接至該類比-數位轉換器以及該數位音訊增益自適應生成裝置，依據該增益倍率控制該數位音訊的增益，依據該增益將該數位音訊轉換成一播放音訊後傳送至一音訊輸出裝置。

綜上所述，比起習知技術，本發明可以經由雜訊整型將不連續的雜訊推到高頻，使得低頻部分的解析度提升，較先前技術能使調整過程較為平滑且迅速，避免音量調整速率所造成的不適。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下。再者，本發明中之圖式，為說明方便，其比例未必照實際比例繪製，該等圖式及其比例並非用以限制本創作之範圍，在此先行敘明。

於本發明中所述的「裝置」、「器」、「模組」及其對應執行的功能，可以由單一晶片或複數個晶片的組合協同執行，該等晶片配置的數量非屬本發明所欲限定的範圍。此外，所述的晶片可以為但不限定於處理器（Processor）、中央處理器（Central Processing Unit, CPU）、微處理器（Microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor, DSP）、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits, ASIC） 、可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device, PLD）等裝置的組合，於本發明中不予以限制。前述的晶片可各別或共有記憶單元，該記憶單元用以協助進行資料的保存。所述的記憶單元於一可行的實施例中可以為（但不限定於）快取記憶體（Cache memory）、動態隨機存取記憶體（DRAM）、持續性記憶體（Persistent Memory）等可以做為儲存資料和取出資料用途之裝置或其組合，於本發明中不予以限制。

以下針對本發明的其中一實施例進行說明，請一併參閱「圖1」、「圖2」以及「圖3」，為雜訊整型式數位自動增益控制系統的方塊示意圖、數位音訊增益自適應生成裝置的方塊示意圖以及雜訊整型模組的方塊示意圖，如圖所示。

請先參酌「圖1」，本實施例揭示雜訊整型式數位自動增益控制系統100，主要包括音訊接收裝置10、類比-數位轉換器20、回授音訊裝置30、數位音訊增益自適應生成裝置40、增益調整裝置50、以及音訊輸出裝置60。

所述的音訊接收裝置10主要用於接收環境中的聲音訊號（例如使用者的說話聲音）。於一實施例中，該音訊接收裝置10例如可以是但不限定於麥克風、拾音器、或是其他可以用以接收環境音波的裝置，於本發明中不予以限制。

所述的類比-數位轉換器20（Digital to analog converter, DAC）用以將音訊接收裝置10的聲音訊號由類比訊號轉換成數位訊號，並輸出一數位音訊至該數位音訊增益自適應生成裝置40。

所述的回授音訊裝置30用於將聲音偵測裝置70所接收到的音訊回授至數位音訊增益自適應生成裝置40，藉以形成一個閉迴路系統。於一實施例中，該回授音訊裝置30例如可以是一回授控制器（Feedback Controller）或是任意的回授電路，於本發明中不予以限制。於一實施例中，該回授音訊裝置30可以經由一設置於該音訊輸出裝置60附近的聲音偵測裝置70（例如麥克風）擷取該音訊輸出裝置60的輸出以獲得該回授音訊，並回授至該數位音訊增益自適應生成裝置40的虛擬升降波模組（後面將予以說明）；於另一實施例中，該回授音訊裝置30係經由該增益調整裝置50的輸出獲得該播放音訊並將該播放音訊作為該回授音訊回授至該數位音訊增益自適應生成裝置40的虛擬升降波模組。

所述的數位音訊增益自適應生成裝置40係連接至該類比-數位轉換器20以及該回授音訊裝置30以接收該數位音訊以及回授音訊。請參酌「圖2」，該數位音訊增益自適應生成裝置40主要包括虛擬升降波生成模組42、一設置於該虛擬升降波生成模組42輸出的雜訊整形模組44、以及一設置於該雜訊整形模組44輸出端的映射模組46。

所述虛擬升降波生成模組 42的輸入連接至該回授音訊裝置30的輸出，該虛擬升降波生成模組42由該回授音訊裝置30接收回授音訊並依據該回授音訊是否超出預設音量範圍輸出虛擬升降波訊號。具體而言，該虛擬升降波生成模組42可以經由儲存裝置（圖未示）儲存預設音量範圍，該預設音量範圍可以在出廠時設定，或是由使用者依據實際情境所設定，於本發明中不予以限制。該虛擬升降波生成模組42於接收到該回授音訊高於該預設音量範圍的上限值時輸出虛擬下降波訊號；該虛擬升降波生成模組42接收到該回授音訊低於該預設音量範圍的下限值時輸出虛擬上升波訊號。

所述的雜訊整形模組44依據該虛擬升降波生成模組42的該虛擬升降波訊號（虛擬上升波或虛擬下降波）產生輸出代碼。請參酌「圖3」，於一實施例中，雜訊整形模組44包括第一加法器A1、第二加法器A2、第一延遲器D1、第二延遲器D2、第三延遲器D3、第一乘法器M1、第二乘法器M2、以及多位階量化器NQ。該第一加法器A1的輸入端連接至虛擬升降波生成模組 42的輸出、第一乘法器M1的輸出、第二乘法器M2的輸出、以及第三延遲器D3的輸出；該第二加法器A2的輸入端連接至該第一加法器A1的輸出、以及該多位階量化器NQ的輸出，其中該第二加法器A2的輸入端與該第一加法器A1的輸出之間進一步包括有一反向器(圖未示)以構成減法迴路；該第一延遲器D1的輸入端連接至該第二加法器A2的輸出，該第一乘法器M1的輸入連接至該第一延遲器D1的輸出以構成一階延遲回授迴路；該第二延遲器D2的輸入端連接至該第一延遲器D1的輸出，該第二乘法器M2的輸入連接至該第二延遲器D2的輸出以構成二階延遲迴路，其中該第二乘法器M2的輸出與該第一加法器A1進一步包括一反向器(圖未示)以構成減法迴路；該第三延遲器D3的輸入端連接至該第二延遲器D2的輸出以構成三階延遲迴路；該多位階量化器NQ的輸入端連接至該第一加法器A1的輸出，藉以將第一加法器A1的輸出(例如w[n])轉換為量化代碼。

所述的第一加法器A1、第二加法器A2可以包括但不限定於加法器（Adder）、半加器（Half Adder）、全加器（Full adder）、波紋進位加法器、超前進位加法器實現、或其它用於執行加法運算的數位電路、邏輯閘或其組合，於本發明中不予以限制。

所述的第一延遲器D1、第二延遲器D2、第三延遲器D3可以包括但不限定於積分器（Integrator）、計數器（Counter）等可以做為訊號延遲或積分用途之電路或其組合，於本發明中不予以限制。

所述的第一乘法器M1、第二乘法器M2可以包括但不限定於運算放大器（op amp） 、或由複數個加法器所構成的電路、或其他類似的裝置，於本發明中不予以限制。

請復參閱「圖2」，所述的映射模組46的輸入連接至雜訊整形模組44的輸出，所述的映射模組46可以為具有關聯陣列查找功能（查找表）的處理器或算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit, ALU），於本發明中不予以限制。映射模組46依據該輸出代碼映射獲得更新後的增益倍率，並將該增益倍率傳送至該增益調整裝置50。

增益調整裝置50係連接至該類比-數位轉換器20以及該數位音訊增益自適應生成裝置40，依據該增益倍率控制該數位音訊的增益，並將增益後的該數位音訊轉換成一播放音訊後傳送至音訊輸出裝置60；音訊輸出裝置60所輸出的聲音或接收到的播放音訊，經由該回授音訊裝置30回授至數位音訊增益自適應生成裝置40，藉此實現閉迴路控制。於另一實施例中，該增益調整裝置50可以將播放音訊傳送至記憶單元或通訊模組等，此部份端看實施的標的物不同，非屬本發明所欲限制的範圍。

以上針對本發明硬體架構的一具體實施例進行說明，有關於本發明的工作程式將於下面進行更進一步的說明。請參閱「圖4」，為本發明雜訊整型式數位自動增益控制系統的工作流程示意圖，如圖所示。

首先，本發明雜訊整型式數位自動增益控制系統100啟動（步驟S201）。

此時，音訊接收裝置10接收聲音，並將該聲音轉換為類比音訊（步驟S202）；轉換後的類比音訊傳送至類比-數位轉換器20，該類比-數位轉換器20將類比音訊轉換為數位音訊（步驟S203）。

數位音訊增益自適應生成裝置40中的虛擬升降波生成模組42由回授音訊裝置接收回授音訊並依據該回授音訊是否超出預設音量範圍輸出虛擬升降波訊號（步驟S204）。於本發明雜訊整型式數位自動增益控制系統100啟動時，由於尚無前一階的回授音訊，因此增益調整裝置50可以直接將音訊接收裝置10所接收的原音訊號直接輸出，而無須經過後面步驟S205-S208的調整。下述步驟S208中所獲得的回授音訊將用於修正下一階播放音訊。

於本實施例中，數位音訊增益自適應生成裝置40接收到該回授音訊高於該預設音量範圍的上限值時輸出虛擬下降波訊號；該虛擬升降波生成模組接收到該回授音訊低於該預設音量範圍的下限值時輸出虛擬上升波訊號。下降波訊號於一實施例中可以為由1(最大)至0(最小)之間的下降區間；上升波訊號於一實施例中可以為由0(最小)至1(最大) 之間的上升區間。於其他實施例中，上升段訊號與下降段訊號的峰值與波型（例如三角波、弦波等）可根據實際內容調整，於本發明中不予以限制。

該雜訊整形模組44依據該虛擬升降波生成模組的該虛擬升降波訊號產生輸出代碼（步驟S205）。具體而言，雜訊整形模組44於接收到虛擬升降波訊號時，係依據下面的算式獲得輸出代碼。該雜訊整形模組的輸入及輸出係符合以下算式： ； ； 其中， x[n]為該虛擬升降波訊號於n階時的數值，y[n]為n階時的該輸出代碼，w[n]為x[n]及y[n]中間的轉移函數，bits_Quantizer()為多位階量化器的函式。

依據上面的算式，其中該 的函式如下： ； 其中，M為多位階量化器預設的位階數值，floor()為一floor函數。

映射模組46依據該輸出代碼映射獲得更新後的增益倍率（步驟S206）。於一實施例中，該映射模組46的輸入及輸出係符合以下算式： ； ； 其中， 為第 階段輸入至該映射模組46的該輸出代碼， 為第 階段映射輸出的該增益倍率，Z為正整數， 為預設的音量增益步增值（單位為dB）。

接續，增益調整裝置50依據該增益倍率控制該數位音訊的增益，依據該增益將該數位音訊轉換成一播放音訊（步驟S207）。於一實施例中，增益調整裝置的輸入及輸出係符合以下算式： ； 其中， 為該映射模組第 階段輸入至該增益調整裝置50的該增益倍率， 為第 階段輸入至該音量調整模組38的數位音訊， 為該音量調整模組38於第 階段輸出的該播放音訊。所述的播放音訊將輸入至音訊輸出裝置60（或記憶單元、通訊模組等），本發明輸出的修正音訊訊號所應用的領域非屬本發明所欲限制的範圍，於此敘明。

於上面的步驟中，播放音訊已完成一階調整，此時回授音訊裝置進一步將所獲得的回授音訊，回授至該虛擬升降波生成模組（步驟S208），並重複執行步驟S202~步驟S208，執行下一階調整、並獲得下一階回授音訊構成閉迴路，直至雜訊整型式數位自動增益控制系統關閉。

綜上所述，比起習知技術，本發明可以經由雜訊整型將不連續的雜訊推到高頻，使得低頻部分的解析度提升，較先前技術能使調整過程較為平滑且迅速，避免音量調整速率所造成的不適。

以上已將本發明做一詳細說明，惟，以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。

100:雜訊整型式數位自動增益控制系統 10:音訊接收裝置 20:類比-數位轉換器 30:回授音訊裝置 40:數位音訊增益自適應生成裝置 42:虛擬升降波生成模組 44:雜訊整形模組 A1:第一加法器 A2:第二加法器 D1:第一延遲器 D2:第二延遲器 D3:第三延遲器 M1:第一乘法器 M2:第二乘法器 NQ:多位階量化器 46:映射模組 50:增益調整裝置 60:音訊輸出裝置 70:聲音偵測裝置 步驟S201~步驟S208

圖1，為本發明雜訊整型式數位自動增益控制系統的方塊示意圖。

圖2，為本發明中數位音訊增益自適應生成裝置的方塊示意圖。

圖3，為本發明中雜訊整型模組的方塊示意圖。

圖4，為本發明雜訊整型式數位自動增益控制系統的工作流程示意圖。

100:雜訊整型式數位自動增益控制系統

10:音訊接收裝置

20:類比-數位轉換器

30:回授音訊裝置

40:數位音訊增益自適應生成裝置

50:增益調整裝置

60:音訊輸出裝置

70:聲音偵測裝置

Claims (5)

1. 一種雜訊整型式數位自動增益控制系統，包括：一音訊接收裝置，用以接收聲音並將其轉換為類比音訊；一類比-數位轉換器，連接至該音訊接收裝置，該類比-數位轉換器用以接收該類比音訊，並將其轉換為數位音訊；一數位音訊增益自適應生成裝置，連接至該類比-數位轉換器以接收該數位音訊，包括一虛擬升降波生成模組、一連接至該虛擬升降波生成模組的雜訊整形模組、以及一連接至該雜訊整形模組的映射模組；該虛擬升降波生成模組由一回授音訊裝置接收回授音訊並依據該回授音訊是否超出預設音量範圍輸出虛擬升降波訊號，其中該虛擬升降波生成模組接收到該回授音訊高於該預設音量範圍的上限值時輸出虛擬下降波訊號，該虛擬升降波生成模組接收到該回授音訊低於該預設音量範圍的下限值時輸出虛擬上升波訊號；該雜訊整形模組依據該虛擬升降波生成模組的該虛擬升降波訊號產生輸出代碼，其中，該雜訊整形模組的輸入及輸出係符合以下算式：y[n]=Nbits_Quantizer(w[n])；w[n]=x[n]+(y[n-3]-w[n-3])-3×(y[n-2]-w[n-2])+3×(y[n-1]-w[n-1])； 其中，x[n]為該虛擬升降波訊號於n階時的數值，y[n]為n階時的該輸出代碼，w[n]為x[n]及y[n]中間的轉移函數，Nbits_Quantizer()為多位階量化器的函式；該映射模組係依據該輸出代碼映射獲得更新後的增益倍率，其中，該映射模組的輸入及輸出係符合以下算式：if Y[N]

   

   2^(Z-1) ,D[N]=[-(2^(Z-1)-Y[N])]×α；if Y[N]>2^(Z-1) ,D[N]=[2^(Z-1)+(Y[N]-2 ^Z )]×α；其中，Y[N]為第N階段輸入至該映射模組的該輸出代碼，D[N]為第N階段映射輸出的該增益倍率，Z為正整數，α為預設的音量增益步增值；以及一增益調整裝置，係連接至該類比-數位轉換器以及該數位音訊增益自適應生成裝置，依據該增益倍率控制該數位音訊的增益，依據該增益將該數位音訊轉換成一播放音訊。
2. 如請求項1所述的雜訊整型式數位自動增益控制系統，更進一步包括一音訊輸出裝置用以播放該播放音訊，該回授音訊裝置係經由一設置於該音訊輸出裝置附近的聲音偵測裝置擷取該音訊輸出裝置的輸出以獲得該回授音訊，並回授至該虛擬升降波生成模組。
3. 如請求項1所述的雜訊整型式數位自動增益控制系統，其 中，該回授音訊裝置係經由該增益調整裝置的輸出獲得該播放音訊並將該播放音訊作為該回授音訊回授至該虛擬升降波生成模組。
4. 如請求項1所述的雜訊整型式數位自動增益控制系統，其中，該Nbits_Quantizer()的函式如下：

   

   其中，M為多位階量化器預設的位階數值，floor()為一floor函數。
5. 如請求項1所述的雜訊整型式數位自動增益控制系統，其中，該增益調整裝置的輸入及輸出係符合以下算式：

   

   其中，D[N]為第N階段輸入至該音量調整模組的該增益倍率，M[N]為第N階段輸入至該音量調整模組的該數位音訊，V[N]為第N階段輸出的調整後的該播放音訊。

Images