基于SOPC的嵌入式數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
技術(shù)是SOC(System on Chip)技術(shù)和電子設(shè)計自動化技術(shù)相結(jié)合的一種全新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，為設(shè)計者提供了一個可以快速開發(fā)設(shè)計及驗證的系統(tǒng)設(shè)計平臺，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)核的嵌入式軟件開發(fā)工具。它可以將處理器、存儲器、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FPGA芯片里，構(gòu)建一個可編程的片上系統(tǒng)。
在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上數(shù)字音頻AGC系統(tǒng)的設(shè)計主要包括3個層面：最底層是硬件層面，即物理硬件電路的原理圖設(shè)計，包括各功能IC的外圍電路設(shè)計；中間層是SOPC系統(tǒng)層，其設(shè)計主要有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，將定制好的各個外設(shè)模塊與Avalon總線進行連接，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軟核處理器運行的軟件程序，是用C／C++代碼編寫的，包括μC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，設(shè)備的驅(qū)動程序和應(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個并內(nèi)嵌26個乘法器塊，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)計與實現(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，音頻AGC是音頻自動增益控制算法，是一種根據(jù)輸入音頻信號水平自動動態(tài)地調(diào)整增益的機制，AGC算法的好壞直接反映在處理后輸出的音頻聽覺感知效果。
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中過沖或過衰現(xiàn)象，并能夠抑制背景噪聲的提升，能根據(jù)人耳聽覺特性輸出音量穩(wěn)定平衡的音頻信號。
用yi(n)代表經(jīng)過AGC處理的第i幀數(shù)字音頻信號；xi(n)代表這一幀原始的數(shù)字音頻信號；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
計算音頻增益因子Gi的關(guān)鍵是對當(dāng)前數(shù)字音頻的狀態(tài)判斷。由于人耳對音量的主觀感覺是從聲音響度上來體現(xiàn)的，而響度是由發(fā)聲體振動幅度的大小來決定，并且人耳對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的計算需要綜合考慮聲音的振幅、短時能量和頻率這3個特征。
經(jīng)過數(shù)字化的音頻信號實際上是一個時變信號，為了能對音頻信號進行分析，可以假設(shè)音頻信號在幾十ms的短時間內(nèi)是平穩(wěn)的。為了得到短時音頻信號，要對音頻信號分幀處理，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的畫音不同步現(xiàn)象，本設(shè)計將分幀定為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。
音頻信號的振幅可以用峰值表示，即由一幀音頻信號內(nèi)的絕對值最大項來表示，用Pi代表第i幀數(shù)字音頻信號xi(n)的幀內(nèi)峰值，那么

短時能量可以有效判斷信號幅度的大小，音頻信號的短時能量Ei定義如下

短時能量由于對信號進行平方運算，考慮到處理器的性能和實時性的保證，可以采用絕對值之和代替平方和來表示短時能量的變化，使運算簡化，其公式為