基于FPGA的音頻響度控制

吳旭旭，喻金華，肖鐵軍

(1.江蘇大學 計算機學院，江蘇 鎮江 212013；2.南京視威電子科技股份有限公司，江蘇 南京 210038)

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基于FPGA的音頻響度控制

吳旭旭1，喻金華2，肖鐵軍1

(1.江蘇大學 計算機學院，江蘇 鎮江 212013；2.南京視威電子科技股份有限公司，江蘇 南京 210038)

響度控制是音頻播放中的值得注意問題，響度控制的實質是給定音頻要求下響度大小優化問題。為滿足實時性需求，采用Xilinx公司的Spartan6系列FPGA，改進了響度控制算法以適合在FPGA上實現。該算法采用了分段處理的方法，以及Xilinx眾多的結構化的IP核，保證了運算的速度和可靠性。實驗結果表明，該設計在FPGA上運行穩定，有較好的響度控制效果。

FPGA；響度控制；分段處理

日常生活中，由于電視臺的信號源和制作標準問題，經常會出現不同的節目聲音差別較大的問題。若兩個節目聲音大小差別較大，在節目切換時，尤其是在電視節目中穿插的廣告，此處的音頻響度一般高于其他節目。聲音的突變會使得觀眾感到不適和煩躁，這就是常見的響度問題[1]。

響度問題已嚴重影響了節目的播出效果和用戶收看電視節目的體驗。因此，響度控制成為現如今在播出系統中急需解決的一個問題[2]。

隨著觀眾對于影視音的要求越來越高，眾多音頻處理廠商推出了自己的響度處理控制模塊，其控制模塊多是硬件實現的，其靈活性不足，且價格昂貴。FPGA靈活易于編程的特點適合進行音頻相關的處理。因此，研究基于FPGA的響度控制具有重要意義。本文根據不同頻率段的響度的特點進行分段式的響度控制進而在FPGA上實現。

1 響度

響度是人耳對于聲響的主觀感受。人耳對于響度的感知是由聲音的振幅和頻率共同作用產生的。通過大量數據的統計與分析發現：人耳對于3 ～5 kHz 頻率段的聲音較為敏感，對低頻的聲音不敏感。所以，本文將人耳可以聽到的聲音分為20 Hz～3 kHz的低頻段，3～5 kHz的敏感頻段和5～20 kHz的高頻段。各頻率的聲壓級與響度級的數值接近，與頻率的關系較小。由于人耳對于不同頻率聲音敏感程度不同，故本文通過根據分段式的方法進行音頻響度的控制和處理。

2 響度測量

由于缺少合適的客觀指標，電視節目中響度問題始終困擾著觀眾和光電行業的工作人員。為此國際電信聯盟(International Telecommunication Union，ITU)制定了BS.1770系列標準[3]，推薦了一種基于RLB的加權的響度測量算法[4-5]。

(1)用一個滑動矩形窗，從待測音頻中，截取一段時長為T的響度塊，進行K計權濾波。K計權濾波器由前置濾波器和RLB濾波器串聯而成，前置濾波器用來模仿人頭部高頻擱架式抬升的頻率響應，而RLB濾波器則用來模仿人耳低頻滾降的聽覺特性

Y(jω)=X(jω)·FK(jω)

(1)

(2)在計算出濾波后，各聲道音頻樣本的均方能量

(2)

(3)對各聲道的均方值進行加權累加、取對數值，就可獲得響度電平。不同聲道的加權值不同，如圖1所示。

(3)

圖1 ITU-R BS.1770 響度算法框圖

滑動矩形窗的長度雖然為秒級，但每次截取的音頻片斷都有所重疊，因此響度電平的示值仍然能以較高的頻率更新顯示，可滿足實時測量的要求。

3 響度控制

響度的測量和控制模塊是在Xilinx公司的ISE14.4軟件環境下，使用Verilog HDL語言對響度控制電路進行描述，并以Xilinx公司的xc6slx45t-3fgg484為核心芯片的FPGA開發板進行硬件實現級功能驗證。

該模塊支持兩種輸入信號：SDI信號和HDMI信號。若輸入的是加嵌著音頻的SDI信號，需要將I2S音頻信號從SDI數據流中解嵌出來。而若數據輸入的端口是HDMI，數據流中帶有I2S串行信號，可直接使用。

由于人耳可聽到的聲音的頻率的范圍是20 Hz～20 kHz。在這一頻域內，人耳較為敏感的區域是3～5 kHz。同時，人耳對于低頻段的聲音感知能力較差，而高頻段聲音過高會使人覺得聲音較為刺耳。

圖2 響度控制的流程

基于上述原因，本文決定使用分頻段處理的方式對音頻的響度進行控制和處理。使用低通和高通濾波器將可聽到的音頻范圍進行分割為3段，如圖3所示。

圖3 頻率的分割

從圖3可知，串并轉換得到的24位并行音頻信號通過高通濾波器1和低通濾波器2，得到3～5 kHz的人耳敏感的頻率區域。

音頻數據通過低通濾波器1，可得到20 Hz～3 kHz的低頻段聲音。通過高通濾波器1和高通濾波器2的音頻頻率是5～20 kHz。這樣人耳可感知的音頻就被人為分為了3段：低頻段(20 Hz～3 kHz)，中間頻段(3～5 kHz)，高頻段(5～20 kHz)。

3.1 濾波器的實現

相對于FIR濾波器，IIR濾波器通帶內平穩波動較小且易于實現。使用FPGA實現特定的濾波要求，IIR濾波器比FIR濾波器需要的階數更低且資源占用更少。所以本文采用IIR濾波器進行頻率分割。

首先，在Matlab中預先模擬出想要的濾波器的濾波特性，得到濾波器的傳遞函數和濾波器的系數

(4)

然后，對得到的傳遞函數進行z變換，得到濾波器的差分方程

(5)

在得到濾波器差分方程的情況下，使用延時器和乘法器實現需要的濾波器。

3.2 中間頻段

通過濾波器組的得到此頻率段的音頻和經過響度測量模塊得到此段音頻響度值，通過查找表的方法獲得系數，從而進行計算和處理。具體處理流程如圖4所示。

圖4 調整控制模塊

由于人耳的預期的響度值是-23 LKFS，考慮到此段只有3～5 kHz的聲音，取此處的預期響度值為-25 LKFS。

本文取響度的動態范圍為5 LKFS。則在-22.55～27.55 LKFS范圍內，調整系數設置為1，此響度范圍內數據不作處理。

建立的查找表分為兩個部分。當未處在響度動態范圍內時，設置參數進行縮放處理；在允許的動態范圍內將系數設置為常數1，即不做處理。限幅器可較好的解決音頻數據溢出問題。

本文使用查找表的方法進行計算和處理，響度測量模塊的得到的響度值，通過查找表得到調整系數coef，輸入到調整模塊。在調整模塊內，音頻數據乘以調整系數，實現音頻控制。

3.3 低頻段和高頻段

低頻段有著較多的低頻聲音，豐富的聲音細節，若沒有此段的音頻過低或過少，聲音將會 “干澀”，不夠飽滿。適當的根據頻率進行增益是有必要的。而高頻段的衰減可較好地解決音頻刺耳的問題。

采用Xilinx自帶的FFT IP核變換的方法[4-5]進行增益處理。首先，使用FFT核將音頻變換到頻域。在頻域內，根據頻率的不同分別進行增益。增益處理后的音頻通過IFFT變換到時域完成處理[8-9]。

從仿真可看出，FFT核可較好地實現數據在時域和頻域之間的轉換，只要在轉換到頻域時，根據頻率的不同進行適當的增強即可。此方法可較好的解決低頻段不同頻率增強/衰弱的問題。

圖5 FFT和IFFT變換仿真

3.4 實驗效果

實驗使用HDMI和SDI兩種輸入信號。音頻信號通過HDMI接口或者SDI接口輸入給搭載一片Xilinx公司xc6slx45t-3fgg484 FPGA芯片的開發板進行提取和處理。使用響度測量工具取15 min測量可知，調試后的音頻響度處于合理的動態范圍內，基本符合預期效果。

圖6 使用響度測量工具取15 min測試前后結果

4 結束語

本文研究了基于FPGA的響度控制的方法，不但能滿足響度處理的實時性要求且較好的解決聲音的低頻和高頻問題，避免了音頻數據的失真。本文結合FPGA特點將音頻數據根據頻率的不同進行分段式處理，根據人耳對于不同頻率聲音感知的不同，分頻率段進行處理。實驗結果表明，在FPGA上運行穩定，有較好的響度控制效果。

[1] 葉志陽.電視伴音響度控制的探討[J].現代電視技術,2008(8):107-109.

[2] 鄧向東,張建東,崔俊生,等.電視節目伴音響度一致性方案研究[J].廣播與電視技術,2011,38(z1):26-28.

[3] ITU-R BS.645 ,Test signals and metering to be used on international sound programme connections[M].Grace:ITU-R BS,2010.

[4] ITU-R BS.1771-1,Requirements for loudness and true-peak indicating meters[M].ITU-R BS,2012.

[5] EBU Tech.Practical guidelines for distribution systems in accordance with EBU R 128 [M].Swissland:EBU Technology Company,2011.

[6] 魏輝.響度控制器原理及應用[J].音響技術,2011(3):21-24.

[7] 毛京麗,李文海.數據通信原理[M].北京:北京郵電大學出版社,2000.

[8] 楊永昌,楊瑞,王凱.快速傅立葉變換算法及其實現技術[J].邢臺職業技術學院學報,2006,23(3):36-38.

[9] 劉鋼.快速傅里葉變換在聲音均衡和頻譜中的應用[J].通信技術,2008,41(7):250-251.

Loudness Control Based on FPGA

WU Xuxu1，YU Jinhua2，XIAO Tiejun1

(1.School of Computer Science and Telecommunications Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Nanjing SWIT Electronics Co., Ltd, Nanjing 210038, China)

Loudness control is the significant problem in audio zone, essentially it is loudness distortion optimization under the constraint of audio requirement. In order to meet high-speed applications, loudness control algorithm was designed and implemented on the platform of Spartan6 Xilinx FPGA. This algorithm applies the method of segment control and lots of Xilinx IP cores to ensure the speed and the reliability. The experiment result shows that the design gains a good control result and runs stably on FPGA.

FPGA; loudness control; segment control

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.007

2016- 02- 22

吳旭旭(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：FPGA設計。喻金華(1984-)，男，碩士，工程師。研究方向：FPGA設計。肖鐵軍(1963-)，男，教授，碩士生導師。研究方向：嵌入式計算及系統。

TN79；TP302

A

1007-7820(2016)12-023-03