基于激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)

王曉蒙

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院， 陜西 西安 710018)

0 引言

隨著信號(hào)處理技術(shù)、聲音采集技術(shù)的不斷成熟，出現(xiàn)了許多音頻信號(hào)，相對(duì)于其他信號(hào)，音頻信號(hào)具有一定的優(yōu)點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如智能導(dǎo)航、語音識(shí)別、智能監(jiān)測(cè)等[1-3]。在音頻信號(hào)的實(shí)際應(yīng)用過程中，包括許多關(guān)鍵技術(shù)，如音頻信號(hào)的采集，音頻信號(hào)的識(shí)別等，因此設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)一直是人們追求的目標(biāo)，成為信號(hào)處理與分析領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)[4-6]。

近年來，眾多學(xué)者對(duì)音頻信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的音頻信號(hào)處理技術(shù)相當(dāng)成熟，而國(guó)內(nèi)的音頻信號(hào)處理研究相對(duì)較晚[7]，有學(xué)者提出了基于DSP的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)通過DSP搭建音頻信號(hào)處理平臺(tái)，但是該系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理過程比較復(fù)雜，音頻信號(hào)處理時(shí)間長(zhǎng)[9]；有學(xué)者提出了基于虛擬儀器技術(shù)的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)[10]，采用虛擬儀器對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采集，然后通過一定技術(shù)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和處理，該方法的音頻信號(hào)處理效率明顯提升，但是音頻信號(hào)處理誤差比較大，無法獲得理想的音頻信號(hào)處理結(jié)果[11]。

針對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)存在音頻信號(hào)處理誤差大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等不足，以提高音頻信息處理正確率，設(shè)計(jì)了基于激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)，并與其他音頻信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，本文系統(tǒng)是一種正確率高，實(shí)時(shí)性好的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)。

1 激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的總體框架

激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)包括2個(gè)部分：硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)，其功能模塊劃分為：發(fā)射信號(hào)模塊、信號(hào)接收模塊、信號(hào)處理模塊、音頻放大模塊、音頻信號(hào)識(shí)別模塊和音頻信號(hào)輸出模塊。激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)工作原理為：首先采用激光傳感器采集信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送到音頻信號(hào)處理模塊，然后在音頻信號(hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)放大操作、分類識(shí)別，最后將音頻信號(hào)通過輸出模塊輸出，激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 激光傳感器的音頻信號(hào)處理框圖

1.2 音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的總體方案

激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的核心為信號(hào)主控模塊，對(duì)系統(tǒng)中的其他模塊進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)，它們處于一種同步狀態(tài)。因此，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案為激光傳感器負(fù)責(zé)接收和發(fā)射信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過音頻處理電路進(jìn)行放大操作，信號(hào)主控模塊通過一定指令作用于系統(tǒng)的揚(yáng)聲器，通過揚(yáng)聲器輸出不同頻率的音頻，信號(hào)主控模塊周期性得到激光傳感器采集的信號(hào)，激光傳感器音頻信號(hào)接收模塊劃為7個(gè)通道，每一個(gè)通道表示一種音符，具體如表1所示。

表1 激光傳感器接收通道對(duì)應(yīng)的音符

2 激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的主控制器

在音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的主控制器中，主控制芯片為STM32F103C8T6，內(nèi)核為采用嵌入技術(shù)的Cortex-M3，有多個(gè)引腳和接口，接口的類型包括外部終端接口和通信接口，主控制芯片的電壓低，這樣使得音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的工作成本低，而且可以根據(jù)音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行智能電壓調(diào)節(jié)，保證主控制芯片長(zhǎng)期處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，使得音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的輸出更加可靠。

2.1.2 音頻信號(hào)采集的激光傳感器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)音頻信號(hào)處理系統(tǒng)最大的區(qū)別是本文引入了激光傳感器進(jìn)行音頻信號(hào)的采集，即負(fù)責(zé)音頻信號(hào)的接收和發(fā)送。激光傳感器的主要部分包括二極管、鏡頭、驅(qū)動(dòng)電路，其中二極管的工作波長(zhǎng)為405-1 550 nm，鏡頭通過光學(xué)原理改變發(fā)散角和光斑值，驅(qū)動(dòng)電路主要負(fù)責(zé)電流和功率控制，電流控制單元保證輸入電流處于恒定范圍，功率控制可以智能、自適應(yīng)地根據(jù)輸入電流調(diào)節(jié)輸出光功率。

激光傳感器音頻信號(hào)接收模塊劃為7個(gè)通道，每一個(gè)通道均有發(fā)射與接收功能，這樣構(gòu)成了7個(gè)音符線路，在正常狀態(tài)下，激光傳感器的輸出電壓范圍為0-5 V，激光傳感器的接收光譜區(qū)間為400-1 000 nm，在非理想環(huán)境下，如室外含噪聲的場(chǎng)景下，需適當(dāng)提高激光傳感器的功率，以提高音頻信號(hào)采集和輸出的穩(wěn)定性。

2.1.3 音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的聲音驅(qū)動(dòng)模塊

音頻信號(hào)的聲音驅(qū)動(dòng)模塊很重要，直接影響音頻信號(hào)的質(zhì)量，由于有時(shí)音頻信號(hào)比較弱，因此聲音驅(qū)動(dòng)電路通常包括一個(gè)音頻信號(hào)放大單元，負(fù)責(zé)將一個(gè)弱的音頻信號(hào)放大，并且使放大后的音頻不發(fā)生變形，該電路為TDA7297，TDA7297具體設(shè)置如表2所示。

表2 聲音驅(qū)動(dòng)電路TDA7297的參數(shù)

TDA7297的兩個(gè)輸入端和主控制芯片相連接，同時(shí)其輸出端與揚(yáng)聲器輸入端連接，揚(yáng)聲器得到信號(hào)后，可以產(chǎn)生相應(yīng)的音符。

2.2 音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件是音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的靈魂，硬件需要有與其相應(yīng)的軟件，才能夠得到比較理想的音頻信號(hào)處理結(jié)果。音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的軟件主要包括主控制程序、信號(hào)采樣時(shí)延程序、信號(hào)周期采集定時(shí)器、音頻信號(hào)數(shù)模變換程序、音頻信號(hào)識(shí)別和分類程序和音頻信號(hào)輸出，還包括一些中斷子程序等。主程序主要負(fù)責(zé)寄存器地址、變量的初始化和各子程序之間的協(xié)調(diào)。

3 音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試環(huán)境的設(shè)置

為了測(cè)試激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)有效性，對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：硬件為4核 Intel2.8 GHz的CPU，16 GB DDR2000的內(nèi)存；軟件為Win 10操作系統(tǒng)，MATLAB 2019工具箱。音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置

在相同仿真測(cè)試環(huán)境下，選擇基于DSP的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)和基于虛擬儀器技術(shù)的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

3.2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)象

采用不同的音頻信號(hào)作為測(cè)試對(duì)象，音頻信號(hào)變化曲線具體如圖2所示。

圖2 音頻信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選擇音頻信號(hào)處理的正確率和音頻信號(hào)處理時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 不同系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證音頻信號(hào)處理效果，每一種系統(tǒng)進(jìn)行5次音頻信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理正確率和誤差，結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 不同系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理正確率

圖4 不同系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理錯(cuò)誤率

分析圖3和圖4的音頻信號(hào)處理結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著迭代次數(shù)不斷增加，音頻處理正確率不斷增加，音頻信號(hào)處理誤差逐步下降；在相同的迭代次數(shù)時(shí)，本文系統(tǒng)的音頻處理正確率要高于兩種對(duì)比系統(tǒng)，減少了音頻信號(hào)處理誤差，獲得了更優(yōu)的音頻信號(hào)處理結(jié)果。

3.3.2 不同系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理實(shí)時(shí)性對(duì)比

為了進(jìn)一步測(cè)試音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，統(tǒng)計(jì)3種系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理時(shí)間，結(jié)果如表4所示。對(duì)表4的音頻信號(hào)處理時(shí)間進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，本文系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理時(shí)間最少，而對(duì)比系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，本文系統(tǒng)提高了音頻信號(hào)處理速度，具有更好的音頻信號(hào)處理實(shí)時(shí)性。

表4 不同系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理時(shí)間比較/s

4 總結(jié)

音頻信號(hào)處理系統(tǒng)直接影響音頻信號(hào)的質(zhì)量，因此一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了解決當(dāng)前音頻信號(hào)處理系統(tǒng)存在的一些局限性，獲得更優(yōu)的音頻信號(hào)處理結(jié)果，設(shè)計(jì)了基于激光傳感器的音頻信號(hào)處理系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)了音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，然后分別對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于本文采用光傳感器采集音頻信號(hào)，加快了音頻信號(hào)采集速度，獲得的音頻信號(hào)處理結(jié)果要優(yōu)于對(duì)比系統(tǒng)，具有更加廣泛的應(yīng)用范圍。