基于DSP的室內(nèi)擴聲系統(tǒng)設(shè)計
1、引言
對傳統(tǒng)的室內(nèi)擴聲系統(tǒng)來講，其模式一般為傳聲器拾音，然后將此信號送入功率放大器進行放大，再送入音箱放音，這種擴聲系統(tǒng)對噪聲沒有作任何處理，導(dǎo)致室內(nèi)聲場特性變壞，甚至影響到聽眾準(zhǔn)確地聽清期望信號。本文給出一種改進的擴聲系統(tǒng)設(shè)計方案，采用傳聲器陣列，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，在不影響信號實時性的前提下，盡可能抑制無用信號。
2、基于 DSP的室內(nèi)擴聲系統(tǒng)
2.1室內(nèi)聲場特性
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對室內(nèi)擴聲系統(tǒng)來講，其聲場特性比較復(fù)雜，到達(dá)傳聲器的信號可能有期望信號、混響信號、干擾信號、噪聲信號，甚至揚聲器的重放信號（跟室內(nèi)音響的位置和其指向性有關(guān)），這種聲場特性可用圖 1[1]表示。
在這些信號中，除了期望信號（我們需要的）之外，其余的所有信號都會影響聲音信號的清晰度，因此這些信號都可認(rèn)為是噪聲，特別是音響的重放信號，有可能經(jīng)過聲反饋而引起嘯叫，嚴(yán)重影響到室內(nèi)聲場的穩(wěn)定性。因此，如何消除或盡可能減少這些不需要的信號，保持室內(nèi)聲場的穩(wěn)定和語言信號的清晰度，是室內(nèi)擴聲系統(tǒng)首先要考慮和解決的問題。
2.2 本設(shè)計方案中的信號模型
本文提出的擴聲系統(tǒng)設(shè)計方案，采用現(xiàn)代陣列信號處理技術(shù)，利用傳感器陣列，結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù)和相應(yīng)的算法，使陣列輸出的信號對期望信號來講有較大的信噪比，而對期望信號以外的無用信號，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]：
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理的目的就是正確接收期望信號，同時很好的抑制 J個無用信號[3]。 3 本方案的硬件設(shè)計
3.1 設(shè)計框圖本擴聲系統(tǒng)中，采用傳聲器陣列和數(shù)字信號處理器，按照相關(guān)算法，達(dá)到抑制無用信號
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本設(shè)計中，首先對傳聲器感應(yīng)到的信號作低通濾波，由于室內(nèi)擴聲系統(tǒng)一般的期望信號均為語音信號，經(jīng)過低通濾波后，使輸出信號的頻率限定在 3400Hz以內(nèi)，然后對各路信號進行模數(shù)變換，便于后面的數(shù)字信號處理器進行處理，各路信號經(jīng)過加權(quán)求和后，輸出的信號送入后續(xù)的功率放大器進行放大，進而送入音箱放音。這里關(guān)鍵就是權(quán)值的自動更新，只要采用有效的算法，DSP會自動將權(quán)值進行修正，使得期望信號得以正確輸出，而將無用信號盡可能抑制。
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的頻率限定在 3400Hz以內(nèi)。經(jīng)過濾波后的模擬音頻信號，要進行數(shù)字化處理過程即 A/D變換，即通過抽樣、量化、編碼，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。在此過程中，由于量化存在量化誤差（噪聲），因此不可避免地產(chǎn)生信號損失，特別是對于小信號來講，有可能完全丟失，因此，如果 A/D變換器件動態(tài)范圍不足，就會造成很多有用的小信號被量化為零。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小（這也是器件選擇的一個原則）。當(dāng)然，在本方案中，由于直接處理的模擬信號頻率較低，市場上的 AD7870、AD7870A是不錯的 A/D變換器，其精度均為 12bit。
經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將各路數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理模塊進行處理，對于擴聲系統(tǒng)來講，在有效抑制各種無用信號（取決于算法的有效性）的前提下，對實時性要求很高，這對數(shù)字信號處理器的選擇就有一定的要求，對于數(shù)字信號處理器件來講，選擇時要考慮其運算的速度、精度，以及存儲器的大小等。
本設(shè)計方案中， DSP芯片選用 Ti公司的 TMS320VC5509A,內(nèi)部集成了一個 C54x內(nèi)核， 128KBΧ16位片上 RAM存儲器，具有最大 8MB Χ16位的外部存儲空間。其主要特點有 [4]：
CPU：兩個乘法累加單元（ MAC）；40位的算術(shù)邏輯單元和一個 16位的算術(shù)邏輯單元；多總線結(jié)構(gòu)等。
存儲器：128KBΧ16位片上 RAM存儲器；8MB Χ16位的外部存儲空間等。
片上外設(shè)：2個 20位定時器；6通道直接存儲器存取控制器（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假定有兩個我們需要的信號，其輸入信噪比為 34dB（實際擴聲系統(tǒng)中可以達(dá)到），兩個期望望信號入射角分別為 30度和 70度時的仿真結(jié)果，可見，在兩個有用信號方向上，傳聲器陣列有較大的功率譜輸出，而在其余方向上（對應(yīng)無用信號），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。）
圖 5是在輸入信噪比為 25dB，期望信號入射角分別為 15度時的仿真結(jié)果。
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[!--empirenews.page--]從仿真結(jié)果來看，對于有用信號來講，有較大的輸出結(jié)果（也可理解為有較大的信噪比），而對無用信號來講，均被衰減到很小的結(jié)果，可見算法的有效性。
4結(jié)束語
對室內(nèi)擴聲系統(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)的擴聲系統(tǒng)，理論上來講，確實也可以起到改善性能的目的，同時，系統(tǒng)也不是非常復(fù)雜，只要在擴聲系統(tǒng)中增加陣列處理部分（可以集成到功放中），然后經(jīng)過相反的處理過程即可。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：現(xiàn)代信號處理技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)擴聲系統(tǒng)中，在擴聲系統(tǒng)中增加陣列信號處理部分，利用高效有效的算法，結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù)，利用數(shù)字信號處理器件，使室內(nèi)聲場的無用信號得到很好的抑制。
參考文獻(xiàn)：
[1]．Jacob Benesty，Jingdong Chen，Yiteng Huang．Microphone Array Signal Processing．Springer Topics in Signal Processing，Volume 1．2008 [978-3-540-78611-5]． [2]．趙玉軍，趙穎，龐偉正．基于恒模算法的智能天線系統(tǒng)波束形成 [J]，成都信息工程學(xué)院學(xué)報，2004(3)：381-383． [3]．張賢達(dá)，保錚．通信信號處理 [M]．北京：國防工業(yè)出版社．2000.12． [4]．汪春梅，孫洪波． TMS320C55xDSP原理及應(yīng)用 [M]．北京：電子工業(yè)出版社． 2008.7． [5]．Kainam Thomas Wong．Self-Initiating MUSIC-Based Direction Finding and Polarization Estimation in Spatio-Polarizational Beamspace[J]．IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 48, NO. 8, AUGUST 2000． [6]．崔園，張軍鵬．一種新的相干源波達(dá)方向估計算法[J]．微機算機信息． 2007，7-1：303-304．
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