数据转换/信号处理中的基于AGC算法的音频信号处理方法及FPGA实现
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2020-10-19
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数据转换数据转换/信号处理中的基于信号处理中的基于AGC算法的音频信号处理方法及算法的音频信号处理方法及
FPGA实现实现
随着现代通信技术的广泛使用，通信企业问的竞争不断加剧，为提升自身的竞争优势，通信企业需要将其通信
信号的质量提升，并提高通信系统各项指标的稳定性、安全性、高效性。在音频信号处理方法及FPGA实现中，
采用AGC算法，可提高音频信号系统和音频信号输出的稳定性，解决了AGC调试后的信号失真问题。本文针对
基于实用AGC算法的音频信号处理方法与FPGA实现，及其相关内容进行了分析研究。 1 实用AGC算法在实
际应用中的原理 在通信设备使用过程中，语音通信是重要的组成部分，而在语言通信中音频信号的质量，
决定着人们对通信系统的选择。当前在通信音频信号处理中会采用AGC，其可保证信号输出的稳定性，降低信
号输
随着现代通信技术的广泛使用，通信企业问的竞争不断加剧，为提升自身的竞争优势，通信企业需要将其通信信号的质量
提升，并提高通信系统各项指标的稳定性、安全性、高效性。在音频信号处理方法及FPGA实现中，采用AGC算法，可提高音
频信号系统和音频信号输出的稳定性，解决了AGC调试后的信号失真问题。本文针对基于实用AGC算法的音频信号处理方法
与FPGA实现，及其相关内容进行了分析研究。
1 实用实用AGC算法在实际应用中的原理算法在实际应用中的原理
在通信设备使用过程中，语音通信是重要的组成部分，而在语言通信中音频信号的质量，决定着人们对通信系统的选择。
当前在通信音频信号处理中会采用AGC，其可保证信号输出的稳定性，降低信号输出的干扰。通过实际验证，实用AGC算法
与普通的AGC算法存在一定的差异，实用AGC算法是普通AGC算法的基础上产生，其不仅可将信号传输中的干扰因素有效降
低，还可保证音频信号在传输中的稳定性，准确地将音频信号的幅度变化情况显示出来。随着科技的发展，数字处理技术，在
音频信号处理中的应用，可降低信号的干扰，实现FPGA。
自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)。其主要由增益放大器以及反馈回路两部分组成。在其工作过程中，增益
放大器组成部分，根据系统中反馈回路的幅度、阈值，采用一定的AGC算法，对增益值进行调整。即AGC通过放大电路中自
动增益信号的强度，调整信号的自动控制。在信号强度增加时，AGC系统反馈回路的控制，按照一定关系进行相应的减小;反
之，当AGC系统增益放大器中信号幅度降低时，反馈回路的增益，将按照两者之间存在的一定关系，进行相应的增大。通过
此方法，在AGC算法放大调整后，确保了通信系统信号输出的幅度可基本维持在恒定的状态。文中将AGC算法应用于音频信
号处理中，可实现FPGA，并可有效降低音频信号输出时的干扰，保证信号的稳定。
2 基于基于AGC算法的音频信号处理设计算法的音频信号处理设计
在音频信号处理过程中，应用AGC算法分为4个步骤：
步骤1 确定音频信号输出的动态范围。在设计基于使用AGC算法的音频信号处理中，需根据音频信号的实际情况而定。若
在设计过程中，实用AGC系统中期望值为一个定值时，此时音频信号输出的幅度将趋近AGC系统的这一期望值。在趋近这一
期望值的过程中，输出信号会不断地调整，进而造成信号输出端幅度的不稳定，所以为保证音频信号输出的稳定性，可在
AGC期望值的基础上，以期望值为中心，设计并确定音频信号输出稳定的一个动态范围。当AGC算法调整中，音频信号的幅
度在这一动态范围内，则可认定音频信号的输出幅度是稳定的。一般情况下，音频信号输出幅度范围是AGC系统期望值加减
0.1 dB，同时为了对音频信号输出的电路进行保护，需要将AGC系统的期望值，设置为音频信号输出满值下减少0.25 dB。
步骤2 确定增益调整速度。在正常语音通信中，语言信号的幅度在不停变化，为了确定、保证并呈现语音信号幅度的正常
变化趋势，需确保其增益不变或是在一个较小的范围内变化，由此才可保证音频信号传输中的幅度不失真。在音频信号传输过
程中受到的干扰，使得音频信号的平均幅度相对较小，所以需将其增益值加大，确保信号的整体幅度增加，以此保证音频信号
不失真。实用AGC在音频信号中的应用，其增益值需遂慢而快，随着信号幅度的慢变化而进行忽快的变化。当音频信号增益
调整的时间与音频信号正常情况下的调整时间相比较长时，此时的增益值不会发生较大变化，需根据音频信号输出的特点，设
定其增益调整的时间为4 s。若音频信号输出较大时，此时的增益需快速减小，若不进行减小调整，则会造成器件的损坏。而
当信号的输出值大于期望值的上限时，增益值调整时间需设定为0.5 ms。
实用AGC算法的增益值计算公式为
基于AGC算法的音频信号处理方法及FPGA实现
其中，A(n+1)是对信号传输调整后的增益值;A(n)是调整前的增益值;Ain是信号幅度值;A0是期望幅度值;2-a为一个常数。
其中a值不同，AGC的调整速度也不同，根据实用AGC算法的实际要求，信号输出幅度小于期望值上限时，a=16，增益的调
整将变慢，若a=3，此时的增益调整速度则将加快。
步骤3 确定输入信号的动态范围。在音频信号输入的过程中，若设定的输入值范围过大，将会使信号在传输过程中，产生
较大的噪声，影响信号的输入、输出质量。相反若音频输入信号的设定的范围较小，因信号较小，会被忽略，进而造成音频输
入信号的失真。根据音频信号的输入时间情况，将36 dB的信号强度确定为噪声。使用AGC算法，将音频信号的输入动态范围
确定，可根据噪声存在的时间，判断噪声是否发生在音频信号传输的间隙，若噪声存在的时间相对较小，则可将其看成是音频
信号的间隙。通常噪声的判断时间设定为5 s最佳。根据噪声存在的时间及信号输入的实际情况，将音频信号最小值到噪声门
限之间约6 dB的范围，确定为音频信号输入的动态范围。在这一范围内噪声对音频信号的干扰强度较，因此需要将增益值固
定。
步骤4 对增益值的大小进行限制。为避免发生增益过大，将信号传输器件或设备烧毁，需要将其增益值控制在一个范围
内，若AGC计算得出的值，大于该范围的上限，此时增益值取最大值，反之取最小值。根据音频信号的实际传输情况，增益
范围在-3～30 dB。
通过以上4个步骤，可将实用AGC算法在音频信号处理中的应用流程，设计如图1所示。
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