基于DSP的室内扩声系统设计

发布时间:2010年07月21

  摘要:对扩声系统来讲,要求声场稳定,尽可能抑制各种干扰和噪声,特别是啸叫声,同时要求声场均匀,声信号清晰。传统的扩声系统很难做到声场的稳定。本文提出利用现代阵列信号处理技术,结合 DSP和有效的算法,达到稳定声场的目的,通过仿真,验证了该方案的可行性。将该设计方案应用于室内扩声系统中,不会增加大的成本,却可达到好的效果。

  1、引言

  对传统的室内扩声系统来讲,其模式一般为传声器拾音,然后将此信号送入功率放大器进行放大,再送入音箱放音,这种扩声系统对噪声没有作任何处理,导致室内声场特性变坏,甚至影响到听众准确地听清期望信号。本文给出一种改进的扩声系统设计方案,采用传声器阵列,利用数字信号处理技术,在不影响信号实时性的前提下,尽可能抑制无用信号。

  2、基于 DSP的室内扩声系统

  2.1室内声场特性

  对室内扩声系统来讲,其声场特性比较复杂,到达传声器的信号可能有期望信号、混响信号、干扰信号、噪声信号,甚至扬声器的重放信号(跟室内音响的位置和其指向性有关),这种声场特性可用图 1[1]表示。


  在这些信号中,除了期望信号(我们需要的)之外,其余的所有信号都会影响声音信号的清晰度,因此这些信号都可认为是噪声,特别是音响的重放信号,有可能经过声反馈而引起啸叫,严重影响到室内声场的稳定性。因此,如何消除或尽可能减少这些不需要的信号,保持室内声场的稳定和语言信号的清晰度,是室内扩声系统首先要考虑和解决的问题。

  2.2 本设计方案中的信号模型

  本文提出的扩声系统设计方案,采用现代阵列信号处理技术,利用传感器阵列,结合数字信号处理技术和相应的算法,使阵列输出的信号对期望信号来讲有较大的信噪比,而对期望信号以外的无用信号,均有较大的衰减(理想结果是衰减到零)。处理示意图如图 2[2]:




       3 本方案的硬件设计

  3.1 设计框图本扩声系统中,采用传声器阵列和数字信号处理器,按照相关算法,达到抑制无用信号的目的。框图如图3:



  本设计中,首先对传声器感应到的信号作低通滤波,由于室内扩声系统一般的期望信号均为语音信号,经过低通滤波后,使输出信号的频率限定在 3400Hz以内,然后对各路信号进行模数变换,便于后面的数字信号处理器进行处理,各路信号经过加权求和后,输出的信号送入后续的功率放大器进行放大,进而送入音箱放音。这里关键就是权值的自动更新,只要采用有效的算法,DSP会自动将权值进行修正,使得期望信号得以正确输出,而将无用信号尽可能抑制。

  3.2 器件选择

  本方案中,传声器选用一般的全向传声器即可,低通滤波器选用普通低通滤波器即可,在此增加滤波器的目的是将声信号的频率限定在 3400Hz以内。经过滤波后的模拟音频信号,要进行数字化处理过程即 A/D变换,即通过抽样、量化、编码,将模拟信号转化为数字信号。在此过程中,由于量化存在量化误差(噪声),因此不可避免地产生信号损失,特别是对于小信号来讲,有可能完全丢失,因此,如果 A/D变换器件动态范围不足,就会造成很多有用的小信号被量化为零。因此,在满足采样频率条件下,应该选择采样精度较高的 A/D变换器,使得量化失真尽可能小(这也是器件选择的一个原则)。当然,在本方案中,由于直接处理的模拟信号频率较低,市场上的 AD7870AD7870A是不错的 A/D变换器,其精度均为 12bit。

  经过模数转换后,将各路数字信号送入数字信号处理模块进行处理,对于扩声系统来讲,在有效抑制各种无用信号(取决于算法的有效性)的前提下,对实时性要求很高,这对数字信号处理器的选择就有一定的要求,对于数字信号处理器件来讲,选择时要考虑其运算的速度、精度,以及存储器的大小等。

  本设计方案中, DSP芯片选用 Ti公司的 TMS320VC5509A,内部集成了一个 C54x内核, 128KBΧ16位片上 RAM存储器,具有最大 8MB Χ16位的外部存储空间。其主要特点有 [4]:

  CPU:两个乘法累加单元( MAC);40位的算术逻辑单元和一个 16位的算术逻辑单元;多总线结构等。

  存储器:128KBΧ16位片上 RAM存储器;8MB Χ16位的外部存储空间等。

  片上外设:2个 20位定时器;6通道直接存储器存取控制器(DMA)等。

  3.3仿真结果

  本仿真假设传声器阵列由 4个传声器组成线阵,采用 MUSIC算法[5][6],相邻传声器之间的距离为 8cm,频率为 2kHz,仿真分为两种情况,图 4假定有两个我们需要的信号,其输入信噪比为 34dB(实际扩声系统中可以达到),两个期望望信号入射角分别为 30度和 70度时的仿真结果,可见,在两个有用信号方向上,传声器阵列有较大的功率谱输出,而在其余方向上(对应无用信号),功率谱很小 [4]。(图中横轴表示入射角度,纵轴表示阵列输出功率谱密度。)


  图 5是在输入信噪比为 25dB,期望信号入射角分别为 15度时的仿真结果。


  从仿真结果来看,对于有用信号来讲,有较大的输出结果(也可理解为有较大的信噪比),而对无用信号来讲,均被衰减到很小的结果,可见算法的有效性。

  4结束语

  对室内扩声系统性能的改善,可以采用的方法很多,比如,建筑声学方法,电声方法等,本文提出的基于 DSP技术的扩声系统,理论上来讲,确实也可以起到改善性能的目的,同时,系统也不是非常复杂,只要在扩声系统中增加阵列处理部分(可以集成到功放中),然后经过相反的处理过程即可。当然,如何更有效地改善系统性能,还有待科研工作者继续努力。本文作者创新点:现代信号处理技术应用于室内扩声系统中,在扩声系统中增加阵列信号处理部分,利用高效有效的算法,结合数字信号处理技术,利用数字信号处理器件,使室内声场的无用信号得到很好的抑制。



  来源:zhengxiaoxiao
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