《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要: 本文提出利用現(xiàn)代陣列信號(hào)處理技術(shù),結(jié)合 DSP和有效的算法,達(dá)到穩(wěn)定聲場(chǎng)的目的,通過(guò)仿真,驗(yàn)證了該方案的可行性。將該設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)中,不會(huì)增加大的成本,卻可達(dá)到好的效果。
Abstract:
Key words :

  摘要:對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)來(lái)講,要求聲場(chǎng)穩(wěn)定,盡可能抑制各種干擾和噪聲,特別是嘯叫聲,同時(shí)要求聲場(chǎng)均勻,聲信號(hào)清晰。傳統(tǒng)的擴(kuò)聲系統(tǒng)很難做到聲場(chǎng)的穩(wěn)定。本文提出利用現(xiàn)代陣列信號(hào)處理技術(shù),結(jié)合 DSP和有效的算法,達(dá)到穩(wěn)定聲場(chǎng)的目的,通過(guò)仿真,驗(yàn)證了該方案的可行性。將該設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)中,不會(huì)增加大的成本,卻可達(dá)到好的效果。

  1、引言

  對(duì)傳統(tǒng)的室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)來(lái)講,其模式一般為傳聲器拾音,然后將此信號(hào)送入功率放大器進(jìn)行放大,再送入音箱放音,這種擴(kuò)聲系統(tǒng)對(duì)噪聲沒(méi)有作任何處理,導(dǎo)致室內(nèi)聲場(chǎng)特性變壞,甚至影響到聽(tīng)眾準(zhǔn)確地聽(tīng)清期望信號(hào)。本文給出一種改進(jìn)的擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,采用傳聲器陣列,利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),在不影響信號(hào)實(shí)時(shí)性的前提下,盡可能抑制無(wú)用信號(hào)。

  2、基于 DSP的室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)

  2.1室內(nèi)聲場(chǎng)特性

  對(duì)室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)來(lái)講,其聲場(chǎng)特性比較復(fù)雜,到達(dá)傳聲器的信號(hào)可能有期望信號(hào)、混響信號(hào)、干擾信號(hào)、噪聲信號(hào),甚至揚(yáng)聲器的重放信號(hào)(跟室內(nèi)音響的位置和其指向性有關(guān)),這種聲場(chǎng)特性可用圖 1[1]表示。

聲場(chǎng)特性

  在這些信號(hào)中,除了期望信號(hào)(我們需要的)之外,其余的所有信號(hào)都會(huì)影響聲音信號(hào)的清晰度,因此這些信號(hào)都可認(rèn)為是噪聲,特別是音響的重放信號(hào),有可能經(jīng)過(guò)聲反饋而引起嘯叫,嚴(yán)重影響到室內(nèi)聲場(chǎng)的穩(wěn)定性。因此,如何消除或盡可能減少這些不需要的信號(hào),保持室內(nèi)聲場(chǎng)的穩(wěn)定和語(yǔ)言信號(hào)的清晰度,是室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)首先要考慮和解決的問(wèn)題。

  2.2 本設(shè)計(jì)方案中的信號(hào)模型

  本文提出的擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,采用現(xiàn)代陣列信號(hào)處理技術(shù),利用傳感器陣列,結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和相應(yīng)的算法,使陣列輸出的信號(hào)對(duì)期望信號(hào)來(lái)講有較大的信噪比,而對(duì)期望信號(hào)以外的無(wú)用信號(hào),均有較大的衰減(理想結(jié)果是衰減到零)。處理示意圖如圖 2[2]:

處理示意圖

處理示意
       3 本方案的硬件設(shè)計(jì)

  3.1 設(shè)計(jì)框圖

  本擴(kuò)聲系統(tǒng)中,采用傳聲器陣列和數(shù)字信號(hào)處理器,按照相關(guān)算法,達(dá)到抑制無(wú)用信號(hào)的目的。框圖如圖3:

設(shè)計(jì)框圖

  本設(shè)計(jì)中,首先對(duì)傳聲器感應(yīng)到的信號(hào)作低通濾波,由于室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)一般的期望信號(hào)均為語(yǔ)音信號(hào),經(jīng)過(guò)低通濾波后,使輸出信號(hào)的頻率限定在 3400Hz以內(nèi),然后對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換,便于后面的數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理,各路信號(hào)經(jīng)過(guò)加權(quán)求和后,輸出的信號(hào)送入后續(xù)的功率放大器進(jìn)行放大,進(jìn)而送入音箱放音。這里關(guān)鍵就是權(quán)值的自動(dòng)更新,只要采用有效的算法,DSP會(huì)自動(dòng)將權(quán)值進(jìn)行修正,使得期望信號(hào)得以正確輸出,而將無(wú)用信號(hào)盡可能抑制。

  3.2 器件選擇

  本方案中,傳聲器選用一般的全向傳聲器即可,低通濾波器選用普通低通濾波器即可,在此增加濾波器的目的是將聲信號(hào)的頻率限定在 3400Hz以內(nèi)。經(jīng)過(guò)濾波后的模擬音頻信號(hào),要進(jìn)行數(shù)字化處理過(guò)程即 A/D變換,即通過(guò)抽樣、量化、編碼,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。在此過(guò)程中,由于量化存在量化誤差(噪聲),因此不可避免地產(chǎn)生信號(hào)損失,特別是對(duì)于小信號(hào)來(lái)講,有可能完全丟失,因此,如果 A/D變換器件動(dòng)態(tài)范圍不足,就會(huì)造成很多有用的小信號(hào)被量化為零。因此,在滿足采樣頻率條件下,應(yīng)該選擇采樣精度較高的 A/D變換器,使得量化失真盡可能?。ㄟ@也是器件選擇的一個(gè)原則)。當(dāng)然,在本方案中,由于直接處理的模擬信號(hào)頻率較低,市場(chǎng)上的 AD7870、AD7870A是不錯(cuò)的 A/D變換器,其精度均為 12bit。

  經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后,將各路數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理,對(duì)于擴(kuò)聲系統(tǒng)來(lái)講,在有效抑制各種無(wú)用信號(hào)(取決于算法的有效性)的前提下,對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高,這對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器的選擇就有一定的要求,對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理器件來(lái)講,選擇時(shí)要考慮其運(yùn)算的速度、精度,以及存儲(chǔ)器的大小等。

  本設(shè)計(jì)方案中, DSP芯片選用 Ti公司的 TMS320VC5509A,內(nèi)部集成了一個(gè) C54x內(nèi)核, 128KBΧ16位片上 RAM存儲(chǔ)器,具有最大 8MB Χ16位的外部存儲(chǔ)空間。其主要特點(diǎn)有 [4]:

  CPU:兩個(gè)乘法累加單元( MAC);40位的算術(shù)邏輯單元和一個(gè) 16位的算術(shù)邏輯單元;多總線結(jié)構(gòu)等。

  存儲(chǔ)器:128KBΧ16位片上 RAM存儲(chǔ)器;8MB Χ16位的外部存儲(chǔ)空間等。

  片上外設(shè):2個(gè) 20位定時(shí)器;6通道直接存儲(chǔ)器存取控制器(DMA)等。

   3.3仿真結(jié)果

  本仿真假設(shè)傳聲器陣列由 4個(gè)傳聲器組成線陣,采用 MUSIC算法[5][6],相鄰傳聲器之間的距離為 8cm,頻率為 2kHz,仿真分為兩種情況,圖 4假定有兩個(gè)我們需要的信號(hào),其輸入信噪比為 34dB(實(shí)際擴(kuò)聲系統(tǒng)中可以達(dá)到),兩個(gè)期望望信號(hào)入射角分別為 30度和 70度時(shí)的仿真結(jié)果,可見(jiàn),在兩個(gè)有用信號(hào)方向上,傳聲器陣列有較大的功率譜輸出,而在其余方向上(對(duì)應(yīng)無(wú)用信號(hào)),功率譜很小 [4]。(圖中橫軸表示入射角度,縱軸表示陣列輸出功率譜密度。)

 

仿真結(jié)果

  圖 5是在輸入信噪比為 25dB,期望信號(hào)入射角分別為 15度時(shí)的仿真結(jié)果。

仿真結(jié)果

  從仿真結(jié)果來(lái)看,對(duì)于有用信號(hào)來(lái)講,有較大的輸出結(jié)果(也可理解為有較大的信噪比),而對(duì)無(wú)用信號(hào)來(lái)講,均被衰減到很小的結(jié)果,可見(jiàn)算法的有效性。

  4結(jié)束語(yǔ)

  對(duì)室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)性能的改善,可以采用的方法很多,比如,建筑聲學(xué)方法,電聲方法等,本文提出的基于 DSP技術(shù)的擴(kuò)聲系統(tǒng),理論上來(lái)講,確實(shí)也可以起到改善性能的目的,同時(shí),系統(tǒng)也不是非常復(fù)雜,只要在擴(kuò)聲系統(tǒng)中增加陣列處理部分(可以集成到功放中),然后經(jīng)過(guò)相反的處理過(guò)程即可。當(dāng)然,如何更有效地改善系統(tǒng)性能,還有待科研工作者繼續(xù)努力。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)中,在擴(kuò)聲系統(tǒng)中增加陣列信號(hào)處理部分,利用高效有效的算法,結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),利用數(shù)字信號(hào)處理器件,使室內(nèi)聲場(chǎng)的無(wú)用信號(hào)得到很好的抑制。

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