基于SOPC的嵌入式數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
技術(shù)是SOC(System on Chip)技術(shù)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的一種全新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)可以快速開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，用以搭建基于總線的系統(tǒng)。它包含了一系列的模塊，例如NiosⅡ處理器、存儲(chǔ)器、總線、JTAG等IP核，還有包含操作系統(tǒng)內(nèi)核的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具。它可以將處理器、存儲(chǔ)器、I／O接口、硬件協(xié)處理器和普通的用戶邏輯等功能模塊都集成到一個(gè)FPGA芯片里，構(gòu)建一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。
在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)層面：最底層是硬件層面，即物理硬件電路的原理圖設(shè)計(jì)，包括各功能IC的外圍電路設(shè)計(jì)；中間層是SOPC系統(tǒng)層，其設(shè)計(jì)主要有NiosⅡ軟核處理器的配置和添加，選擇各種可定制的外設(shè)IP核和自定義所需模塊，將定制好的各個(gè)外設(shè)模塊與Avalon總線進(jìn)行連接，并為分配外設(shè)地址及中斷，最后經(jīng)編譯、綜合生成可在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的SOPC系統(tǒng)模塊；最上層的是軟件層，主要是NiosⅡ軟核處理器運(yùn)行的軟件程序，是用C／C++代碼編寫的，包括μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。
本系統(tǒng)選用的FPGA芯片是Altera公司所推出的CycloneⅡ系列的EP2C20Q240C8。該芯片采用90 nm工藝制造，最大可用I／O管腳142個(gè)并內(nèi)嵌26個(gè)乘法器塊，支持使用Altera公司的SOPC Builder工具嵌入NiosⅡ軟核處理器。系統(tǒng)整體架構(gòu)，如圖1所示。

2 數(shù)字音頻AGC算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
嵌入式數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的核心就是音頻AGC算法的設(shè)計(jì)，音頻AGC是音頻自動(dòng)增益控制算法，是一種根據(jù)輸入音頻信號(hào)水平自動(dòng)動(dòng)態(tài)地調(diào)整增益的機(jī)制，AGC算法的好壞直接反映在處理后輸出的音頻聽(tīng)覺(jué)感知效果。
2．1 算法基本思想
文中提出一種多參數(shù)融合帶反饋機(jī)制的音頻AGC處理算法，在保證輸出電平滿足條件的情況下，能有效解決傳統(tǒng)AGC中過(guò)沖或過(guò)衰現(xiàn)象，并能夠抑制背景噪聲的提升，能根據(jù)人耳聽(tīng)覺(jué)特性輸出音量穩(wěn)定平衡的音頻信號(hào)。
用yi(n)代表經(jīng)過(guò)AGC處理的第i幀數(shù)字音頻信號(hào)；xi(n)代表這一幀原始的數(shù)字音頻信號(hào)；Gi表示這一幀的音頻增益因子，音頻AGC處理可以用如式(1)表示

2．2 關(guān)鍵特征參數(shù)提取
計(jì)算音頻增益因子Gi的關(guān)鍵是對(duì)當(dāng)前數(shù)字音頻的狀態(tài)判斷。由于人耳對(duì)音量的主觀感覺(jué)是從聲音響度上來(lái)體現(xiàn)的，而響度是由發(fā)聲體振動(dòng)幅度的大小來(lái)決定，并且人耳對(duì)不同頻率聲音的感應(yīng)是不平坦的，所以人耳感知的聲音響度是頻率和聲壓級(jí)的函數(shù)曲線?；谌硕捻懚雀兄匦?，AGC算法中音頻增益因子Gi的計(jì)算需要綜合考慮聲音的振幅、短時(shí)能量和頻率這3個(gè)特征。
經(jīng)過(guò)數(shù)字化的音頻信號(hào)實(shí)際上是一個(gè)時(shí)變信號(hào)，為了能對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行分析，可以假設(shè)音頻信號(hào)在幾十ms的短時(shí)間內(nèi)是平穩(wěn)的。為了得到短時(shí)音頻信號(hào)，要對(duì)音頻信號(hào)分幀處理，分幀是連續(xù)的。為避免AGC系統(tǒng)處理后的因音頻分幀延遲帶來(lái)的畫音不同步現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)將分幀定為20 ms。數(shù)字電視的音頻采樣率為48 kHz，所以一幀內(nèi)的音頻樣值數(shù)有960點(diǎn)。
音頻信號(hào)的振幅可以用峰值表示，即由一幀音頻信號(hào)內(nèi)的絕對(duì)值最大項(xiàng)來(lái)表示，用Pi代表第i幀數(shù)字音頻信號(hào)xi(n)的幀內(nèi)峰值，那么

短時(shí)能量可以有效判斷信號(hào)幅度的大小，音頻信號(hào)的短時(shí)能量Ei定義如下

短時(shí)能量由于對(duì)信號(hào)進(jìn)行平方運(yùn)算，考慮到處理器的性能和實(shí)時(shí)性的保證，可以采用絕對(duì)值之和代替平方和來(lái)表示短時(shí)能量的變化，使運(yùn)算簡(jiǎn)化，其公式為