基于DSP的室内扩声系统设计

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]：
 

理的目的就是正确接收期望信号，同时很好的抑制 J个无用信号[3]。

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

    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 AD7870、AD7870A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。