专利名称：信号自动增益调整方法与应用该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号自动增益调整方法与应用该方法的装置，尤其涉及应用在声 音信号接近爆音状态时，能够维持于一临界值之下，避免现有的自动增益机制产生的不稳 定情况。
背景技术：
自动增益控制(Automatic gain controLAGC)技术应用于很多的电子装置上，尤 其是用在具有音频输出的装置上。在自动增益控制的机制下，会回馈电子装置输出信号的 平均值，用以调整输入信号的增益(gain)，能够降低过大的音量，或是提升过小的音量，使 信号强度分布过广的输出音频不至于在过大或过小音量间震荡而产生不舒服的聆听感受。自动增益控制也可应用于录音的技术，通过上述自动调整信号过大时的增益，能 有更好得录音品质。比如，录音当中突有个很大而非预期的声响，可能造成聆听录音的人极 度的惊吓，所以当下即刻调整增益的机制可以遏止这种状况。自动增益控制机制中设定有一预设增益值。播放声音时，当声音音量超过一门 槛值时，会产生爆音，此时一般的自动增益控制机制会由闲置状态启动，进入一启动时间 (Attack time)，随时间递减一增益值，于一特定时间之后，进入保持时间(Hold time)，这 段时间并不调整增益值，维持一段时间后，再进入释放时间(Release time)，以逐步递增增 益值至自动增益控制机制中的预设增益值。之后，自动增益控制机制又回到闲置状态，增益 可为正值或负值。图1显示为经过传统自动增益控制处理的信号。声音信号原处于一稳定输出的状 态，当声音强度(如音量)大于最大临界值(max threshold)时，即启动自动增益控制机制， 如上段所述，将进入启动时间，使增益递减。之后进入保持时间，再于一特定时间后，进入释 放时间。但此图显示，当声音强度于接近最大临界值时，由于释放时间内的增益将逐步加上 一增益(enhance gain)，使得声音强度又会超过最大临界值。如此一来，因为自动增益控制机制会由于超过最大临界值会进入启动时间，声音 强度再减掉特定增益值，之后再进入保持时间与释放时间，又加上增益。但是，在此机制下， 可能因为声音徘徊在最大临界值，导致在短时间内多次进入减掉增益的启动时间与加上增 益的释放时间，产生如图1所示的锯齿状噪声或削(Clip)波的产生，其中产生不少噪声，如 图中所指的噪声101。如果声音强度一直在最大临界值附近游走，那么锯齿状波形或削波会 周期性的产生，让听的人不舒服。图2则显示现有的自动增益控制机制在释放时间时会产生噪声的波形示意图。此 图显示为放大图1的一部分，明显可知，当保持时间维持一段时间后，即进入欲将增益加回 原预设增益值的释放时间，而可能因为声音信号强度徘徊于最大临界值附近，而很快即又 产生爆音，再进入启动时间，以递减增益，使之不超过最大临界值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种信号自动增益调整的机制，使有引用自动增益控制 (AGC)的音频装置能有更好的播放与录音品质，尤其当输入的声音强度在临界值附近游走 时，不会产生因为其中释放时间与启动时间之间在短时间之内切换产生的噪声，本发明的 信号自动增益调整的机制可应用于游戏机、游戏软件、声音播放/录音装置、模数转换器 (ADC/DAC)、麦克风等需要避免经音频增益调整产生噪声的装置上。其中信号自动增益调整方法的实施例包括先接收信号，主要实施例可针对声音信 号，并进行取样，在一般自动增益控制机制下，原始信号会加上一固定增益值(正值或负 值)，得出新信号，之后随时判断新信号的强度是否大于一最大临界值，也就是可能会出现 爆音的临界值。若是新信号的强度不大于最大临界值，即继续以在当下自动增益机制下的增益值 输出信号，并继续接收信号；若是新信号的强度大于最大临界值，则启动自动增益控制机 制，进入一启动时间(Attach time)，并自动渐次降低增益，递减新信号的强度，直到小于或 等于最大临界值，再进入保持时间(Hold time)。本发明于此时进入保持时间后，一般增益 值不变，但执行预加一预测增益值的步骤，借此能够预测经预加预测增益值的信号强度是 否大于一预设门槛值，若经预加预测增益值的信号强度大于此预设门槛值，会继续判断是 否大于最大临界值，若仍大于最大临界值，即进入启动时间，进行递减增益值的工作；此时， 经预加增益的信号大于预设门槛值，但不大于最大临界值，仍保持在保持时间内。在保持时间内，若是经预加预测增益值的信号强度不大于预设门槛值时，经保持 增益一段时间后，执行自动增益控制程序，进入释放时间(Releasetime)，以递增增益值， 直到经递增的信号强度不大于最大临界值，且能恢复到原本的自动增益机制下的增益值， 也就是信号强度等于原始的信号加上原本自动增益机制下的固定增益值(可为正值或负 值)。在上述增益调整的时段，同时输出经递增或递减的信号，并继续接收信号的步骤。本发明的有益效果在于，本发明信号自动增益调整方法为通过先增加增益的信号 强度来预测下一时间的信号是否会产生有非预期的突波，进而执行增益调整，以避免不适 当的信号输出，可以消除不舒服的爆音。
图1显示为经过传统自动增益控制处理的信号图；图2显示现有的自动增益控制机制在释放时间时会产生噪声的波形示意图；图3A显示为在现有自动增益控制机制下的信号波形图；图;3B显示为在本发明自动增益控制机制下的信号波形图；图3C显示进入启动时间、保持时间与释放时间的增益变化示意图；图4为通过本发明信号自动增益调整方法处理过的信号图；图5为本发明信号自动增益调整方法的概念流程图；图6为本发明信号自动增益调整方法的实施例流程图。其中，附图标记说明如下爆音101最大临界值标示301，302模数转换单元703 爆音303
执行方向304，305
具体实施例方式自动增益控制机制主要特色是在信号发展时，检测到爆音时，能够迅速进入一启 动时间(Attack time)，逐渐减少增益，并于一定时间后，进入一保持时间(Hold time)，此 时为固定增益的状态，再于一段时间后，进入释放时间(Release time)，期间是递增增益的 阶段，使增益值能够恢复到原有正常运作的值。自动增益控制机制主要用途是能够通过自动增益的调整来遏止声音强度，如音 量，在超过最大临界值时产生的爆音现象，主要的方式是通过信号检测，当有取样的信号超 过最大临界值时，能够马上进入启动时间，自动调降增益，将超过最大临界值的信号拉回， 以避免连续的爆音。但是，若是声音信号强度持续出现在接近最大临界值的附近时，会因为自动增加增 益的关系，常常出现爆音，虽有自动增益控制能够实时进入启动时间，但是又可能因为下次进 入释放时间，因为递增增益的关系，又再一次产生爆音，如此信号在临界值左右时，常会发生 声音信号上上下下自动调整的情况，而产生信号不稳定，或是造成聆听上不舒服的困扰。请参考图3A，其显示为在现有自动增益控制机制下的信号波形图，其中波形为持 续输出的信号，纵轴上的最大临界值标示为301与302，信号超过最大临界值就会产生爆 音，最初显示虽波形有起伏变化，但是保持时间并未有增益的调整，若进入释放时间，会递 增增益值。当信号慢慢增加而产生突波时，如图中所框出的爆音303，即刻进入启动时间，降 低增益，以锐利下降的波形反应。亦可参考图2。而应用本发明自动增益控制机制下的信号波形图，则可参考图3B，主要是因为通 过预先增加增益的方式预测下一个时间的信号强度，借此将信号限制于特定门槛之下，除 了免除爆音外，更能免除一段时间接近临界值时，因为现有自动增益控制下可能产生连续 增益调整而产生连续爆音刺耳的问题。再参考图3C，图3C显示进入启动时间、保持时间与释放时间的增益变化示意图。 一般启动自动增益控制机制前，系统处于闲置时间(idle)，此时增益值可能维持一定值，当 有信号超过最大临界值时，即启动此自动增益控制。如图所示的范例，闲置时间增益为+5，当启动自动增益控制时，即进入一启动时间 (Attack Time)，此时如图中虚线表示的增益变化，增益将由原来的+5逐渐递减0.5，成为 +4. 5、+4. 0至设定的低点(gain = -2. 0)，也就进入一保持时间(Hold Time)。进入保持时间后，增益维持不变，此例为-2.0，于一段时间(可能仅为微秒(ms)) 后，进入释放时间(Release Time)。在释放时间中，增益将递增，如此例递增值为+0. 5，增 益将由-2. 0,-1. 5,-1. 0改变至+5. 0，为预设的高点，即进入闲置时间。特别的是，本发明所提出的自动增益控制机制，是在保持时间中，通过预加一预测 增益值判断是否下一个时间可能会产生超过最大临界值，也就是产生爆音的情况。经预测 后，若是会产生爆音，则会强制进入启动时间，即如图中虚线304显示的执行方向，若是不 会有爆音，则循着标准的自动增益控制的程序，进入释放时间，如图中虚线305所标示的执 行方向。本发明提供的信号自动增益调整方法，主要是在自动增益控制算法之下，在保持时间加入预测信号强度的机制，其中特征包括建立一种回馈机制决定是否要从保持时间进 入释放时间，并利用可调的预测值，预测下一时间的声音信号强度。若预测的声音信号强度 大于此预测值，随即进入启动时间，下调增益值，避免声音强度在接近最大临界值时频繁在 保持时间、释放时间与启动时间中循环，减少边界值增益的调整，达到降低锯齿状噪声及削 (Clip)波的功能，如图4显示的通过本发明信号自动增益调整方法处理过得信号图。本发 明可以让输入的声音振幅在边缘值附近游走时，不会产生爆音。上述可调的预测值(Prejhreshold)，其一实施例可等于最大临界值 (Threshold)减去一预测增益值(pre_gain)，也就是Pre_Threshold = Threshold_pre_gain请参考图5显示本发明利用预加预测增益值的信号自动增益调整方法的概念流 程图，而实际应用并不限制于声音信号处理。此流程主要显示在本发明自动增益调整机制下进入启动时间、保持时间与释放时 间的判断方式。步骤开始之前，将由一音频装置(包括音频输出装置、录音装置)接收原始 信号，系统还引用一增益值，对信号进行取样(sampling)，由取样的声音信号执行本发明信 号自动增益调整方法，期间，同时调整增益与输出经增益调整的信号。此机制接着如步骤S501所示，由程序进入保持时间后开始，此时系统的增益可为 正值或负值，在本发明提供的机制下，先将取样的信号预加一预测增益值(步骤S503)，得 出用于预测的新信号，并判断此新信号强度是否大于所预先针对特定系统设定的预设门槛 值(步骤S505)，此预设门槛值可为比最大临界值(也就是接近爆音的上限值)为小的值， 借以规范增益的调整范围。若步骤S505的判断为否，表示此时信号经过预先加上预测增益值后仍不会大于 预设门槛值，若是预加预测增益值后，声音信号强度不会大于预设门槛值，表示此时输出的 声音信号相对来讲比较不会产生爆音，则执行步骤S513，进入一般自动增益控制流程。此时 增益则根据一般信号自动增益控制而调整，比如，由保持时间进入释放时间，增益将以递增 方式调整，再经闲置时间后，又再一次进入步骤S501所示的保持时间中，再执行本发明所 提出的自动增益调整程序。经步骤S505判断后，若为是，表示经预加增益后，信号强度大于预设门槛值，则再 判断是否大于最大临界值(步骤S507)，最大临界值为系统产生不稳定信号的临界值，此时 以最大临界值判断是否主动进入启动时间。若为否，表示此时信号经预加增益放大后，虽已 大于预设门槛值，但仍未大于最大临界值，则持续保持在保持时间中(步骤S501)，持续以 预加增益的方式判断是否会有不稳定信号。若判断为是，表示信号经预加增益放大后，不仅大于预设门槛，更会大于最大临界 值，此时表示信号在实际状况(非预加信号)下可能在经过增益调整后会超过最大临界值， 即自动进入启动时间(步骤S509)，就当下的增益值再递减增益(步骤S511)。接下来再回 到步骤S507，判断信号经递减增益调整后，是否仍大于最大临界值，直到小于或等于最大临 界值时，再由启动时间进入保持时间(步骤S501)。特别的是，上述预测增益值与在启动时间内递减的增益值(此可为一固定差值 Δ)为依需求的可调整值，实施例可参考图6。以下列举一例，此例设定最大临界值100(为音量单位，如dB)，进入保持时间时，也就是执行本发明自动增益调整的程序中，当下的增益值(gain)为-2(可为dB)，预测增 益值为+3，预设门槛值则为95，进入保持时间的音量分别为100、90与95等三例，如表1所 示表 权利要求
1.一种信号自动增益调整方法，其特征在于所述的方法包括步骤 接收一原始信号，并引用一增益值；取样该信号；预加一预测增益值，得出一用于预测的新信号；判断经预加该预测增益值的该用于预测的新信号的强度是否大于一预设门槛值； 若该用于预测的新信号的强度不大于该预设门槛值，则输出该原始信号经一自动增益 控制调整后的信号；若该用于预测的新信号的强度大于该预设门槛值，再判断该新信号是否大于一最大临 界值；若该用于预测的新信号不大于该最大临界值，则输出该原始信号经该自动增益控制调 整后的信号；以及若该用于预测的新信号大于该最大临界值，则递减该增益值，并输出该原始信号经增 益调整的信号。
2.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的信号为一音频装置 接收的声音信号。
3.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预测增益值、该增 益值与该预设门槛值为依需求的可调整值。
4.如权利要求3所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预设门槛值为比该 最大临界值小的值。
5.如权利要求4所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的最大临界值为一接 近爆音的上限值。
6.如权利要求3所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的增益值为一正值或一负值。
7.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预加一预测增益值 的步骤为执行该信号自动增益调整方法进入一保持时间。
8.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若该用于预测的新信号 的强度不大于该预设门槛值，该信号自动增益调整方法进入一释放时间。
9.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若该用于预测的新信号 大于该预设门槛值与该最大临界值，该信号自动增益调整方法进入一启动时间。
10.如权利要求1所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若该用于预测的新信号 大于该预设门槛值，但不大于该最大临界值，该信号自动增益调整方法进入一保持时间。
11.一种信号自动增益调整方法，其特征在于所述的方法包括步骤 接收一原始信号；取样该原始信号；该原始信号经一自动增益控制机制，引用一固定增益值调整该信号，得出一新信号； 该原始信号经增加该固定增益值调整后，判断该新信号的强度是否大于一最大临界值；若该新信号的强度不大于该最大临界值，则继续接收与输出信号的步骤； 若该新信号的强度大于该最大临界值，则进入一启动时间，并将该新信号的强度递减一第一增益值，并输出经增益调整的信号；判断该经递减该第一增益值的新信号的强度是否大于该最大临界值； 若是在该启动时间内的信号大于该最大临界值，则继续递减该第一增益值，并输出经 增益调整的信号，直到经调整的信号不大于该最大临界值；若是在该启动时间内的信号不大于该最大临界值，进入一保持时间； 进入该保持时间后，经增益调整的信号预加一预测增益值； 判断经预加该预测增益值的信号强度是否大于一预设门槛值； 若该经预加该预测增益值的信号强度大于该预设门槛值，则继续判断经预加增益值 的信号强度是否大于该最大临界值，并以该第一增益值调整增益，直到不大于该最大临界 值；若该经预加该预测增益值的信号强度不大于该预设门槛值，则经保持一段时间后，进 入一释放时间，以递增一第二增益值调整增益，并输出经增益递增的信号； 该信号经递增该第二增益值后，判断是否大于该最大临界值； 若大于该最大临界值，则进入该启动时间，并以递减该第一增益值调整增益，并输出经 增益递减的信号；以及若小于或等于该最大临界值，且其强度等于该原始信号加上该固定增益值，则输出经 递增增益调整的信号，与继续接收信号。
12.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的固定增益为一正 值或一负值。
13.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若经该固定增益值调 整的新信号的强度不大于该最大临界值，则该自动增益控制机制处于一闲置状态。
14.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，当该经该固定增益调 整的信号强度大于该最大临界值时，将以一限制器限制该输出信号，以免超过该最大临界值。
15.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，若经增益调整的信号 强度并不等于该原始的信号加上该固定增益值的强度，则仍继续于该释放时间递增该第二 增益值的步骤。
16.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于，于进入该保持时间后， 即保持当下已经递减的增益值，并不变动。
17.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预设门槛值为比 该最大临界值小的值，使输出信号能限制在一范围内。
18.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的信号为一音频装 置接收的声音信号。
19.如权利要求11所述的信号自动增益调整方法，其特征在于所述的预测增益值、该 第一增益值、该第二增益值与该预设门槛值为依需求的可调整值。
20.一种应用权利要求11所述的信号自动增益调整方法的装置。
全文摘要
本发明公开了一种信号自动增益调整方法与应用该方法的装置，主要用于信号于临界值附近调整增益时，能够防止连续增减增益产生的信号不稳定的问题，较佳实施例利用自动增益控制机制，于输出信号之前，在一保持时间先预先增加一预测增益值，用以预先判断信号强度是否会超过预设门槛值，能够在不超过此预设门槛值的状况下调整出适当的增益值，包括自动进入启动时间，以逐渐降低增益，或是执行一般增益调整的机制，进入释放时间，以逐渐提高增益。信号自动增益调整方法是通过预测增益值后，自动进行增益调整，使信号限制于一门槛之下，除了防止突波外，更能产生稳定的信号。
文档编号H03G3/20GK102118135SQ200910215800
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者李安邦, 苏纯贤, 陈志龙 申请人:骅讯电子企业股份有限公司