地鐵車廂中廣播自適應(yīng)音量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雷星蒙 孫婧楠 肖曼琳

摘 要 自適應(yīng)音量廣播系統(tǒng)適用于地鐵車廂中所播放的業(yè)務(wù)廣播，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)可辨識(shí)度高、適宜人耳收聽(tīng)的音量區(qū)間內(nèi)，進(jìn)行廣播音量的自動(dòng)控制。由于在采集環(huán)境噪聲的過(guò)程中會(huì)拾取到播放音，所以在利用Matlab軟件設(shè)計(jì)的自適應(yīng)算法中，包含了NLMS回波抑制法去除播放音，從而獲得實(shí)際的環(huán)境噪聲。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出某一小段時(shí)間內(nèi)的噪聲和原始廣播的平均能量，計(jì)算兩者差值，和既定的自適應(yīng)增益進(jìn)行比較，在原始廣播信號(hào)基礎(chǔ)上疊加增益，播放出適應(yīng)當(dāng)下情況的廣播音量。系統(tǒng)硬件部分以STC89C52芯片為處理器核心，將由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)會(huì)進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)算。

關(guān)鍵詞 音量；廣播系統(tǒng)；地鐵

中圖分類號(hào) TN93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）208-0066-02

廣播系統(tǒng)多安裝于人流集中的地方，比如機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭、商場(chǎng)等公共場(chǎng)合。它常常用于播報(bào)實(shí)時(shí)信息和緊急疏散信息，或播放背景聲。不過(guò)，由于在公共場(chǎng)合下，類似車輛啟動(dòng)制動(dòng)造成的噪音、嘈雜的人聲會(huì)影響廣播效果，因此在不同的情況下廣播音量的分貝是需要調(diào)整的。同樣，地鐵車廂作為乘客密度大的場(chǎng)所，噪音是無(wú)序并多變的，手動(dòng)調(diào)節(jié)廣播系統(tǒng)音量是不現(xiàn)實(shí)的，因此廣播音量自適應(yīng)系統(tǒng)的出現(xiàn)可以實(shí)時(shí)處理環(huán)境噪音和播放聲音能量不匹配的情況，首先保證人耳能清晰辨別廣播內(nèi)容，有效地保障和提高信息的傳播效率；其次保證乘客收聽(tīng)的舒適度，減少公共廣播對(duì)環(huán)境的污染。

1 系統(tǒng)的背景

地鐵車廂中的廣播內(nèi)容主要包括背景音樂(lè)、業(yè)務(wù)宣傳服務(wù)廣播和應(yīng)急廣播。大致來(lái)說(shuō)，音量自適應(yīng)功能的適用于前兩類廣播內(nèi)容，其中業(yè)務(wù)廣播對(duì)此功能的需求尤為明顯。

目前，相關(guān)的自適應(yīng)系統(tǒng)在聲音處理上通常被稱為“信噪比自適應(yīng)”。這是指從現(xiàn)場(chǎng)拾取的音源信噪比信號(hào)中辨別出噪聲信號(hào)，并且按照噪聲增益規(guī)律保持合適的擴(kuò)聲音量。其應(yīng)用有大環(huán)路的信噪比自適應(yīng)電路、局部功能的信噪比自適應(yīng)電路等[ 1 ]。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

自適應(yīng)音量廣播系統(tǒng)適用于地鐵車廂中所播放的業(yè)務(wù)廣播，包括安全提示、到站提醒等。但音量自動(dòng)調(diào)節(jié)的范圍是需要控制的。在地鐵車廂廣播系統(tǒng)中，當(dāng)廣播音量低至65dB時(shí)，即使環(huán)境噪聲再小，音量也不宜隨之降低，否則會(huì)影響內(nèi)容的識(shí)別；當(dāng)廣播音量升至90dB時(shí)，音量也不宜隨之增大，一是可能會(huì)導(dǎo)致超負(fù)荷運(yùn)行或是產(chǎn)生高度失真，二是造成對(duì)環(huán)境的噪聲污染。因此，在地鐵車廂中播放的廣播音量應(yīng)在65dB～90dB的區(qū)間中。

車廂中音量自動(dòng)控制的噪聲信號(hào)取自現(xiàn)場(chǎng)，按照從現(xiàn)場(chǎng)獲取的真實(shí)噪聲信號(hào)與播放中的廣播信號(hào)進(jìn)行比較，自主調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器播放信號(hào)的聲壓，從而保證兩者之間存在較為穩(wěn)定的分貝差值。

其中廣播信號(hào)y（t）和環(huán)境噪聲信號(hào)n（t）之間存在固定的相對(duì)關(guān)系，經(jīng)過(guò)信道的信號(hào)z（t）=y（t）+n（t），由MIC收集。

3 系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)

若要實(shí)現(xiàn)聲壓級(jí)的自動(dòng)控制，就需要分辨出現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境的噪聲信號(hào)的聲壓級(jí)。但是，在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，由于正在播放的廣播音頻信號(hào)與周圍環(huán)境噪聲同時(shí)存在，播放音的回波，往往會(huì)被拾取成為噪聲的一部分，因而獲取的噪聲信號(hào)能量會(huì)高于真實(shí)情況。這會(huì)導(dǎo)致環(huán)境噪聲的誤判偏大，現(xiàn)場(chǎng)的廣播音量隨之被調(diào)高，一而再再而三的誤判將導(dǎo)致自適應(yīng)系統(tǒng)的失靈，甚至造成嚴(yán)重的環(huán)境噪聲污染。因此自適應(yīng)控制系統(tǒng)在真實(shí)噪聲信號(hào)與播放中的廣播信號(hào)進(jìn)行比較之前，需要將播放中音頻信號(hào)的回波抑制掉。

自適應(yīng)濾波器在不同情況下對(duì)于性能的要求是有所區(qū)別的，它的性能主要取決于其自適應(yīng)算法。所以，在平穩(wěn)狀態(tài)中，對(duì)算法的關(guān)鍵性能參數(shù)（收斂速度、收斂性、穩(wěn)態(tài)誤差）進(jìn)行分析是十分必要的。與此同時(shí)，還需要考慮計(jì)算難度對(duì)運(yùn)行效率的影響。

回波抑制常用的方法有遞推最小二乘算法RLS、最小均方誤差算法LMS、歸一化最小均方誤差算法NLMS等。RLS算法雖然對(duì)非穩(wěn)信號(hào)的適應(yīng)性好，但計(jì)算難度高，不適合實(shí)時(shí)性的應(yīng)用；LMS算法計(jì)算復(fù)雜度低，在平穩(wěn)信號(hào)的環(huán)境中的收斂性好，但穩(wěn)態(tài)誤差和收斂速度不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)；NLMS則在保留LMS優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，收斂速度更快，穩(wěn)態(tài)誤差更小[ 2 ]。

因此，為了減少計(jì)算復(fù)雜度，需要先進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算估計(jì)回波的延時(shí)，再對(duì)輸入的音頻源進(jìn)行延時(shí)預(yù)處理，然后利用NLMS自適應(yīng)濾波算法提取真實(shí)的噪聲信號(hào)。

其中，x（n）為播放源信號(hào)，y（n）為環(huán)境噪聲，z（n）為經(jīng)過(guò)自適應(yīng)系統(tǒng)處理的信號(hào)。

4 系統(tǒng)的工作步驟

1）播放音頻源文件。

系統(tǒng)輸入的音頻源文件信號(hào)的平均能量是已知并且恒定的。

2）檢測(cè)環(huán)境噪聲，計(jì)算出真實(shí)環(huán)境噪聲的大小。

（1）利用互相關(guān)算法計(jì)算出檢測(cè)到的噪聲信號(hào)和音頻源信號(hào)的互相關(guān)，估計(jì)得出回波信號(hào)的延時(shí)。

（2）對(duì)輸入的音頻源信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理。

（3）利用NLMS自適應(yīng)濾波算法抑制檢測(cè)到的噪聲信號(hào)中的回波信號(hào)，從中拾取真正的環(huán)境噪聲信號(hào)。

3）比較真正的環(huán)境噪聲大小和廣播音量大小，調(diào)節(jié)播放音量。

（1）對(duì)得到的噪聲信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，減少信號(hào)變化的劇烈程度。

（2）根據(jù)設(shè)定的增益來(lái)調(diào)節(jié)播放音。

5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1）噪聲采集裝置。利用MIC模塊收集所需要的語(yǔ)音信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再利用采集裝置中的三極管將弱信號(hào)放大和濾波器濾波采樣。最后通過(guò)PCF8591芯片的A/D模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在單片機(jī)中。

2）PCF8591芯片。A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分采用PCF8591芯片，它可以進(jìn)行8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。在該芯片中，引腳AIN0-AIN3為模擬信號(hào)輸入端，A0到A2為引腳地址端。一般利用PCF8591的3個(gè)地址引腳A0，A1和A2進(jìn)行數(shù)據(jù)的模擬輸入與輸出，并將數(shù)據(jù)以串行方式通過(guò)I2C總線接口進(jìn)行傳輸。

3）STC89C52芯片。單片機(jī)的芯片采用STC89C52芯片，它是一種性能高、耗能低的8位CPU微控制器。它雖然采用傳統(tǒng)的51單片機(jī)內(nèi)核，但其內(nèi)部多了一個(gè)EEPROM空間，可以通過(guò)串口下載程序，執(zhí)行命令的速度更快。它的8位CPU和可編程Flash功能，可以在很多應(yīng)用系統(tǒng)上提供更加優(yōu)益的方法。STC89C52芯片會(huì)將由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)會(huì)進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)算。

4）語(yǔ)音模塊。設(shè)計(jì)中的播放模塊采用的是SYN6288芯片。它是一款語(yǔ)音合成芯片，通過(guò)異步串行通訊（UART）接口，在瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)與處理器間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。并且利用TxD和RxD以及GND實(shí)現(xiàn)串口通信。它可以接受STC89C52芯片運(yùn)算處理后的指令，并調(diào)整音量將已經(jīng)儲(chǔ)存好的語(yǔ)音播放出去。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的音量控制系統(tǒng)算法與硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于音量的調(diào)控較為準(zhǔn)確，可以在不同環(huán)境中應(yīng)用，能夠在非極端條件下實(shí)現(xiàn)音量的自動(dòng)調(diào)控，可較好地適應(yīng)環(huán)境噪聲，硬件性價(jià)比較高，適用面較廣。

參考文獻(xiàn)

[1]馬躍進(jìn).公共廣播信噪比自適應(yīng)聲壓自動(dòng)控制及應(yīng)用[J].北京：中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009（17）：53-55.

[2]趙凡，祁才君.一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)音量大小的音頻播放設(shè)備和方法：中國(guó)，102760461B[P]. 2012.05.28.

[3]江蘇蓬，楊雨涵，張震，等.自適應(yīng)智能語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)[J].北京：電子技術(shù)與軟件工程，2016（15）：57-58.