摘要：對擴(kuò)聲系統(tǒng)來講，要求聲場穩(wěn)定，盡可能抑制各種干擾和噪聲，特別是嘯叫聲，同時(shí)要求聲場均勻，聲信號(hào)清晰。傳統(tǒng)的擴(kuò)聲系統(tǒng)很難做到聲場的穩(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)定聲場的目的，通過仿真，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
對傳統(tǒng)的室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)來講，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(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)聲場特性
對室內(nèi)擴(kuò)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(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)），這種聲場特性可用圖 1[1]表示。
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(hào)，保持室內(nèi)聲場的穩(wěn)定和語言信號(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)對期望信號(hào)來講有較大的信噪比，而對期望信號(hào)以外的無用信號(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]：
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)到抑制無用信號(hào)的目的。框圖如圖3：
本設(shè)計(jì)中，首先對傳聲器感應(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)均為語音信號(hào)，經(jīng)過低通濾波后，使輸出信號(hào)的頻率限定在 3400Hz以內(nèi)，然后對各路信號(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)過濾波后的模擬音頻信號(hào)，要進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。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(hào)損失，特別是對于小信號(hào)來講，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小（這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，市場上的 AD7870、AD7870A是不錯(cuò)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(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理，對于擴(kuò)聲系統(tǒng)來講，在有效抑制各種無用信號(hào)（取決于算法的有效性）的前提下，對實(shí)時(shí)性要求很高，這對數(shù)字信號(hào)處理器的選擇就有一定的要求，對于數(shù)字信號(hào)處理器件來講，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，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（對應(yīng)無用信號(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。）
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。
從仿真結(jié)果來看，對于有用信號(hào)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(hào)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(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(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)聲場的無用信號(hào)得到很好的抑制。