基于FPGA的音頻響度控制

吳旭旭，喻金華，肖鐵軍

(1.江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.南京視威電子科技股份有限公司，江蘇 南京 210038)

?

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(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)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(wèn)題，響度控制的實(shí)質(zhì)是給定音頻要求下響度大小優(yōu)化問(wèn)題。為滿足實(shí)時(shí)性需求，采用Xilinx公司的Spartan6系列FPGA，改進(jìn)了響度控制算法以適合在FPGA上實(shí)現(xiàn)。該算法采用了分段處理的方法，以及Xilinx眾多的結(jié)構(gòu)化的IP核，保證了運(yùn)算的速度和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在FPGA上運(yùn)行穩(wěn)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(tái)的信號(hào)源和制作標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同的節(jié)目聲音差別較大的問(wèn)題。若兩個(gè)節(jié)目聲音大小差別較大，在節(jié)目切換時(shí)，尤其是在電視節(jié)目中穿插的廣告，此處的音頻響度一般高于其他節(jié)目。聲音的突變會(huì)使得觀眾感到不適和煩躁，這就是常見(jiàn)的響度問(wèn)題[1]。

響度問(wèn)題已嚴(yán)重影響了節(jié)目的播出效果和用戶收看電視節(jié)目的體驗(yàn)。因此，響度控制成為現(xiàn)如今在播出系統(tǒng)中急需解決的一個(gè)問(wèn)題[2]。

隨著觀眾對(duì)于影視音的要求越來(lái)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(shí)現(xiàn)的，其靈活性不足，且價(jià)格昂貴。FPGA靈活易于編程的特點(diǎn)適合進(jìn)行音頻相關(guān)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(jù)不同頻率段的響度的特點(diǎn)進(jìn)行分段式的響度控制進(jìn)而在FPGA上實(shí)現(xiàn)。

1 響度

響度是人耳對(duì)于聲響的主觀感受。人耳對(duì)于響度的感知是由聲音的振幅和頻率共同作用產(chǎn)生的。通過(guò)大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析發(fā)現(xiàn)：人耳對(duì)于3 ～5 kHz 頻率段的聲音較為敏感，對(duì)低頻的聲音不敏感。所以，本文將人耳可以聽(tīng)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(jí)與響度級(jí)的數(shù)值接近，與頻率的關(guān)系較小。由于人耳對(duì)于不同頻率聲音敏感程度不同，故本文通過(guò)根據(jù)分段式的方法進(jìn)行音頻響度的控制和處理。

2 響度測(cè)量

由于缺少合適的客觀指標(biāo)，電視節(jié)目中響度問(wèn)題始終困擾著觀眾和光電行業(yè)的工作人員。為此國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)制定了BS.1770系列標(biāo)準(zhǔn)[3]，推薦了一種基于RLB的加權(quán)的響度測(cè)量算法[4-5]。

(1)用一個(gè)滑動(dòng)矩形窗，從待測(cè)音頻中，截取一段時(shí)長(zhǎng)為T的響度塊，進(jìn)行K計(jì)權(quán)濾波。K計(jì)權(quán)濾波器由前置濾波器和RLB濾波器串聯(lián)而成，前置濾波器用來(lái)模仿人頭部高頻擱架式抬升的頻率響應(yīng)，而RLB濾波器則用來(lái)模仿人耳低頻滾降的聽(tīng)覺(jué)特性

Y(jω)=X(jω)·FK(jω)

(1)

(2)在計(jì)算出濾波后，各聲道音頻樣本的均方能量

(2)

(3)對(duì)各聲道的均方值進(jìn)行加權(quán)累加、取對(duì)數(shù)值，就可獲得響度電平。不同聲道的加權(quán)值不同，如圖1所示。

(3)

圖1 ITU-R BS.1770 響度算法框圖

滑動(dòng)矩形窗的長(zhǎng)度雖然為秒級(jí)，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(shí)時(shí)測(cè)量的要求。

3 響度控制

響度的測(cè)量和控制模塊是在Xilinx公司的ISE14.4軟件環(huán)境下，使用Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)響度控制電路進(jìn)行描述，并以Xilinx公司的xc6slx45t-3fgg484為核心芯片的FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)級(jí)功能驗(yàn)證。

該模塊支持兩種輸入信號(hào)：SDI信號(hào)和HDMI信號(hào)。若輸入的是加嵌著音頻的SDI信號(hào)，需要將I2S音頻信號(hào)從SDI數(shù)據(jù)流中解嵌出來(lái)。而若數(shù)據(jù)輸入的端口是HDMI，數(shù)據(jù)流中帶有I2S串行信號(hào)，可直接使用。

由于人耳可聽(tīng)到的聲音的頻率的范圍是20 Hz～20 kHz。在這一頻域內(nèi)，人耳較為敏感的區(qū)域是3～5 kHz。同時(shí)，人耳對(duì)于低頻段的聲音感知能力較差，而高頻段聲音過(guò)高會(huì)使人覺(jué)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(duì)音頻的響度進(jìn)行控制和處理。使用低通和高通濾波器將可聽(tīng)到的音頻范圍進(jìn)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(zhuǎn)換得到的24位并行音頻信號(hào)通過(guò)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(qū)域。

音頻數(shù)據(jù)通過(guò)低通濾波器1，可得到20 Hz～3 kHz的低頻段聲音。通過(guò)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(shí)現(xiàn)

相對(duì)于FIR濾波器，IIR濾波器通帶內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng)較小且易于實(shí)現(xiàn)。使用FPGA實(shí)現(xiàn)特定的濾波要求，IIR濾波器比FIR濾波器需要的階數(shù)更低且資源占用更少。所以本文采用IIR濾波器進(jìn)行頻率分割。

首先，在Matlab中預(yù)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(shù)和濾波器的系數(shù)

(4)

然后，對(duì)得到的傳遞函數(shù)進(jìn)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(shí)器和乘法器實(shí)現(xiàn)需要的濾波器。

3.2 中間頻段

通過(guò)濾波器組的得到此頻率段的音頻和經(jīng)過(guò)響度測(cè)量模塊得到此段音頻響度值，通過(guò)查找表的方法獲得系數(shù)，從而進(jìn)行計(jì)算和處理。具體處理流程如圖4所示。

圖4 調(diào)整控制模塊

由于人耳的預(yù)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(yù)期響度值為-25 LKFS。

本文取響度的動(dòng)態(tài)范圍為5 LKFS。則在-22.55～27.55 LKFS范圍內(nèi)，調(diào)整系數(shù)設(shè)置為1，此響度范圍內(nèi)數(shù)據(jù)不作處理。

建立的查找表分為兩個(gè)部分。當(dāng)未處在響度動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行縮放處理；在允許的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)將系數(shù)設(shè)置為常數(shù)1，即不做處理。限幅器可較好的解決音頻數(shù)據(jù)溢出問(wèn)題。

本文使用查找表的方法進(jìn)行計(jì)算和處理，響度測(cè)量模塊的得到的響度值，通過(guò)查找表得到調(diào)整系數(shù)coef，輸入到調(diào)整模塊。在調(diào)整模塊內(nèi)，音頻數(shù)據(jù)乘以調(diào)整系數(shù)，實(shí)現(xiàn)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(xì)節(jié)，若沒(méi)有此段的音頻過(guò)低或過(guò)少，聲音將會(huì) “干澀”，不夠飽滿。適當(dāng)?shù)母鶕?jù)頻率進(jìn)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(wèn)題。

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

從仿真可看出，F(xiàn)FT核可較好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在時(shí)域和頻域之間的轉(zhuǎn)換，只要在轉(zhuǎn)換到頻域時(shí)，根據(jù)頻率的不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)即可。此方法可較好的解決低頻段不同頻率增強(qiáng)/衰弱的問(wèn)題。

圖5 FFT和IFFT變換仿真

3.4 實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)使用HDMI和SDI兩種輸入信號(hào)。音頻信號(hào)通過(guò)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(kāi)發(fā)板進(jìn)行提取和處理。使用響度測(cè)量工具取15 min測(cè)量可知，調(diào)試后的音頻響度處于合理的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，基本符合預(yù)期效果。

圖6 使用響度測(cè)量工具取15 min測(cè)試前后結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)時(shí)性要求且較好的解決聲音的低頻和高頻問(wèn)題，避免了音頻數(shù)據(jù)的失真。本文結(jié)合FPGA特點(diǎn)將音頻數(shù)據(jù)根據(jù)頻率的不同進(jìn)行分段式處理，根據(jù)人耳對(duì)于不同頻率聲音感知的不同，分頻率段進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在FPGA上運(yùn)行穩(wěn)定，有較好的響度控制效果。

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

[2] 鄧向東,張建東,崔俊生,等.電視節(jié)目伴音響度一致性方案研究[J].廣播與電視技術(shù),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(yīng)用[J].音響技術(shù),2011(3):21-24.

[7] 毛京麗,李文海.數(shù)據(jù)通信原理[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2000.

[8] 楊永昌,楊瑞,王凱.快速傅立葉變換算法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),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(yīng)用[J].通信技術(shù),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(shè)計(jì)。喻金華(1984-)，男，碩士，工程師。研究方向：FPGA設(shè)計(jì)。肖鐵軍(1963-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：嵌入式計(jì)算及系統(tǒng)。

TN79；TP302

A

1007-7820(2016)12-023-03