一种声波通信系统的自动增益控制装置的制作方法

本实用新型涉及声波通信处理领域，具体涉及一种声波通信系统的自动增益控制装置。

背景技术：

声音能量的传播通常随距离平方成反比关系，传播距离增加一倍，能量就衰减到原来的四分之一，比如在五米外采集的声音能量和在一米处采集的声音能量相比差了25倍，但噪声并没有因为距离增加而降低，远距离传播之后，在一个封闭的空间里会出现多次反射和叠加，形成混响效果，因而导致信噪比下降很多。因此，在麦克风采集信号后，通常会使用自动增益控制(AGC, Automatic Gain Control)来对衰弱的信号进行增强处理。

根据信号类型，自动增益控制可以分为模拟增益调整和数字增益调整两种方式，模拟增益调整主要通过硬件电路实现，数字增益调整则通过软件处理来实现。对于声波数字信号的自动增益控制(AGC)，传统自动增益控制方法主要应用于通话场景中，通常会使用两种先验检测：基于周期信号能量均方根(RMS，Root Mean Square)的统计和基于语音活动检测(VAD，Voice Activity Detection)的统计。为了保证统计的代表价值和避免突发异常信号，先统计帧周期内的语音采样的能量值，再取平均，然后对比此帧的RMS平均值和预设能量上限阈值，调整此帧增益。为了避免能量突变，对连续若干帧的能量增益调整通常采用缓慢线性上升的方式，或者使用递归平滑滤波器(线性滤波器)来进行调整，经过一段时间的缓冲变化，最终升到上限阈值；基于VAD的统计也是以帧为单位进行的，当检测到语音活跃的帧则调整增益，语音不活跃的帧则不调整，同样为了避免能量突变，对于语音活跃的帧的能量调整也是线性缓变的。以上传统做法的好处在于可使语音信号的能量调整不会造成能量突变，从而使通话感觉音量平滑顺畅，而缺陷在于所有处理都是基于语音通话帧，而且帧的长度不能过短，再加之线性滤波器的处理需要收敛时间，因此传统做法的生效响应速度较慢。

当前移动智能终端存在两大阵营，安卓和IOS，安卓的碎片化比较严重：设备繁多，品牌众多，硬件版本各异，由此带来了在声波通信中不同的终端在发送数据的时候，存在声波幅度大小差别较大的问题，出现了设备兼容性的难题。而对于非通话应用的声音信号处理，例如声波通信中的同步，同步帧本身就比较短，当发送端音量较小时，如果AGC增强处理缓慢的话，就有可能会丢失同步帧，而声波通信中同步是建立通信的先决条件，因此以传统做法来处理会使得增强效果不佳，影响通信效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种声波通信系统的自动增益控制装置，摒弃以语音通话帧的长度来线性缓变处理，而是以声波通信数据帧的长度来处理，提高响应处理速度。

为实现以上技术目的，采用的技术方案是：

一种声波通信系统的自动增益控制装置，包括：声音采集单元、带通滤波器、A/D模数转换器、FFT模块、IFFT模块、声波通信数据帧检测模块、自动增益控制模块以及声波通信单元；

所述声音采集单元，用于采集声波信号并传输至带通滤波器；

所述带通滤波器，用于滤除噪音等无用信号频段，获取所需的信号频段，减少噪音等对有用信号的干扰；

所述A/D模数转换器，用于将声音模拟信号转换为数字信号；

所述FFT模块，用于将时域的数字信号转换成频域的信号，便于对信号的数字运算处理；

所述声波通信数据帧检测模块，用于对转换后的频域信号进行声波通信数据帧的检测与结果判断；

所述自动增益控制模块，用于对判断为声波通信数据帧的信号进行相应的增益处理；

所述IFFT模块，用于将频域的信号转换成时域的数字信号；

所述声波通信单元，用于完成声波通信协议的解析处理。

进一步的，所述声音采集单元为麦克风，所述麦克风为硅麦克风或驻极体麦克风。

进一步的，所述带通滤波器的滤波频段为10-18kHz。

进一步的，所述声波通信单元包括同步模块、解调制模块、解码模块及校验模块。

本实用新型提供的一种声波通信系统的自动增益控制装置，其工作原理是：通过声音采集单元采集声波信号，利用带通滤波器进行滤波，获取有效声波频段，然后通过A/D模数转换器将模拟信号转换为数字信号，再通过声波通信数据帧检测模块对转换后的数字信号进行声波通信数据帧的检测与结果判断，当结果判断为声波通信数据帧时，根据设定的目标幅度值对当前信号进行增益调整。与传统以语音通话帧的长度来线性缓变处理相比，本实用新型以声波通信数据帧的长度来处理，在保证处理后信号不产生频谱失真的前提下，缩短了处理生效时间和提高了处理速度，对信号形成可见而安全的增益。此外，本实用新型方案采用滤波器进行滤波，截选出有效声波信号，并对判断为非声波通信数据帧的信号不做增益处理而直接输出，大大提高了处理效率。

附图说明

图1是声波通信系统的自动增益控制装置示意图；

图2是声波通信单元组成结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是本实用新型的声波通信系统的自动增益控制装置示意图，本实用新型的一种声波通信系统的自动增益控制装置，包括：声音采集单元1、带通滤波器2、A/D模数转换器3、FFT模块4、声波通信数据帧检测模块5、自动增益控制模块6、IFFT模块7以及声波通信单元8。

图2是本实用新型的声波通信单元组成结构示意图，本实用新型的声波通信单元包括：同步模块81、解调制模块82、解码模块83及校验模块84。

利用本实用新型的声波通信系统的自动增益控制装置进行增益控制的方法原理如下：

S1：首先通过声音采集单元1采集声波信号，本实施例中声音采集单元为麦克风，麦克风采用硅麦克风或驻极体麦克风，麦克风将采集到的声波信号输出给运算放大器进行放大，然后将放大的信号输入带通滤波器2进行滤波，带通滤波器将滤除10KHz以下的低频信号及18KHz以上的高频信号，经过带通滤波器滤波后获得10-18KHz范围内的有效声波频段的信号，不仅大大减少了噪音等对有用信号的干扰，同时还提高了处理效率；

S2：将滤波后获得的10-18KHz范围内有效声波频段的模拟信号通过A/D模数转换器3转换为数字信号；

S3：对转换后的数字信号进行声波通信数据帧的检测。

本实用新型的自动增益控制装置进行声波通信数据帧检测的方法步骤具体如下：

S31：首先根据采样频率读取数字信号，本实施例中，采样频率预先设为256个，如未完成256个样点采集，则返回继续采集，当完成256个样点采集后即完成一个FFT运算框采样，作为当前运算窗框；

S32：采用FFT转换模块4从A/D模数转换器3中一次性读取256个PCM样点并做频域转换；对信号做频域转换后再进行增益调整处理，使增益调整更具针对性，只对有用的信号频段做出调整，不仅提高了处理效率，还可以最大限度地避免频谱失真的情况发生；

S33：然后通过声波通信数据帧检测模块5对频域转换后的采样信号进行声波通信数据帧检测与结果判断：

S331：采用正态分布方式提取预定数量的声波通信的载波频点值，本实施例中预定的提取载波频点值数量为20个，并分别计算取得各自对应的幅度值PKamp；载波频点值的提取方式也可按随机的方式进行，载波频点值的提取个数取决于声波通信单元8中解调制模块82所采用的调制方式，具体的，提取的个数范围为5~40个；

S332：计算上述20个频点幅度值PKamp的累加和：

PKSUM= PKamp0+PKamp1+PKamp2……PKamp19，再将频点幅度值的累加和与预先设定的阈值进行比较，从而判断数字信号是否为声波通信数据帧；

使用PKSUM进行声波通信数据帧判断的判断式如下：

if PKSUM≥PKTHD，then VA=1，则判断该窗框信号为数据帧；

if PKSUM＜PKTHD，then VA=0，则判断该窗框信号为非数据帧；

其中，PKTHD是设定的阈值；

S4：若判断结果为数据帧时，则生成增益调整数据，声波通信数据帧检测模块5将增益调整数据输出至自动增益控制模块6的增益调整输入端，自动增益控制模块6根据声波通信数据帧检测模块5传输的增益调整数据对FFT转换模块4输出的频域信号进行相应的增益处理；具体地，增益调整数据通过比较当前运算窗框和前一运算窗框的数字信号参数得出。

自动增益控制模块6进行相应的增益处理后，将信号输出给IFFT模块7；IFFT模块7再将经增益处理后的频域信号转换成时域的数字信号，最终输出经增益调整的声波通信数据给声波通信单元8；由声波通信单元8完成声波通信协议的解析处理；之后进入下一运算框的采样数值读取和运算。

若判断结果为非数据帧时，则将自动增益控制模块6的增益设置为初始值，具体地，该初始值为声波通信系统获得的实验值；之后进入下一运算框的采样数值读取和运算。

综上可知，本实用新型提供的一种声波通信系统的自动增益控制装置，通过声音采集单元采集声波信号，利用带通滤波器进行滤波，获取有效声波频段，然后通过A/D模数转换器将模拟信号转换为数字信号，再通过声波通信数据帧检测模块对转换后的数字信号进行声波通信数据帧的检测与结果判断，当结果判断为声波通信数据帧时，根据设定的目标幅度值对当前信号进行增益调整。与传统以语音通话帧的长度来线性缓变处理相比，本实用新型以声波通信数据帧的长度来处理，在保证处理后信号不产生频谱失真的前提下，缩短了处理生效时间和提高了处理速度，对信号形成可见而安全的增益。此外，本实用新型方案采用滤波器进行滤波，截选出有效声波信号，并对判断为非声波通信数据帧的信号不做增益处理而直接输出，大大提高了处理效率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而并实用新型并不局限于此。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。