维普资讯 http://www.cqvip.com 第９卷第１２期 ２００７年１２月 黪黎缔 痢 Ｖｏ１．９ Ｎｏ．１２ Ｄｅｅ．２００７ 基于ＤＳＰ的自适应音量控制方案 胡泽鑫，朱晓明，李广明，张海涛 （西安电子科技大学ＩＳＮ国家重点实验室，陕西 西安 ７１００７１） 摘 要：为了在会场、餐厅、超市等场合取得较好的声场效果，文中提出了一种基于ＤＳＰ硬 件平台、并采用自适应对消算法的自动音量控制方案。相对于传统的自动音量控制方法，该 方案的最大优点是能够保证非常高的控制灵敏度（调整步长为１．５ ｄＢ）并可有效防止自激。 关键字：自动音量控制；自适应滤波；ＤＳＰ；ＮＬＭＳ算法 ０引言 但是传统的自动音量控制很容易产生自激。 其原因是拾音器拾得的声音信号不仅有会场的噪 在会场、餐厅、教室等场合，噪声的大小往 声，还有会场音响设备放出的演讲者的话音。假 往会随着人群的变化而增大或者减小。当现场噪 设在某一时刻，会场噪声加大，ＡＧＣ产生了一个 声很小时，功放倍数过大会使会场声音过大，使 增大增益的控制信号，功放放大倍数加大，随即 与会者产生不适；而当噪声过大时，又可能会因 会场的音响设备放出的声音也加大。拾音器使得 为功放放大倍数不够而将演讲者的声音湮没在噪 的声音信号也会相应加大，这时由于ＡＧＣ电路不 声当中，难以达到预期效果。本文提出的自动音 能识别加大的音量是噪声还是演讲者的话音，因 量控制模块就是为了解决这一问题而设计的，它 而会依然产生增加的控制信号送给功放。这样功 可根据现场噪声自动调节功放的放大比率，从而 放、音响设备和ＡＧＣ电路三者就组成一个闭环， 达到一个比较好的声音效果。 从而形成自激，使功放放大倍数不断加大，最终 １ 自动音量控制原理和新方案的提出 导致整个系统崩溃。通常消除自激的办法是减小 拾音器和ＡＧＣ电路的灵敏度，但是这样又会导致 传统的自动音量控制原理如图１所示。图中， 不能准确的跟踪会场噪声的变化而影响整个系统 演讲者的话音经过功放以后，通过音响设备发送 的性能。总之，传统的自动音量控制电路很难在 到会场。会场安装有拾音器，可用来采集会场的 避免自激和系统灵敏度之间找到平衡点，因而其 噪声情况。一般情况下，拾音器可将声音信号转 实际应用会受到很大的限制。为此，本文介绍一 化成电平信号后送人ＡＧＣ（自动音量控制１电路。 种基于ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９的ＤＳＰ硬件平台，并采用 然后由ＡＧＣ产生控制信号来控制功放的放大倍 自适应对消算法来去除拾音器中演讲者话音自激 数，从而控制会场的声音效果。ＡＧＣ是一项比较 现象的自动音量控制方案。其原理如图２所示。 成熟的技术，通常的ＡＧＣ控制电路有电平峰值自 本方案在现场安排了两路拾音器，一路置于 动增益控制、功率峰值自动增益控制等。 离音响设备比较近的地方，称作近端拾音器，其 采集的音频信号可以近似看作是纯净的语音信 演讲者话音Ｈ功放Ｈ音响设备 １鼻霰ｌ于 ．．．．．一 图１传统的自动音量控制原理图 现场信噪比 收稿日期：２００７一Ｏ８—０８ 图２改进型自动音量控制系统原理图 ．ｅｃｄａ，ｃ￣２ＯＯ７．１２电子元器件主用 ５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第９卷第１２期 电手元器件主用 Ｖｏ１．９ Ｎｏ．１２ ２０ｏ７年１２月 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｄｅｃ．２Ｏ０ｒ７ 号；另一路置于会场中央，称作远端拾音器，其 局，声波可能会存在折射、回声等杂音，这样， 采集的音频信号是混有演讲者话音和会场噪音的 远端采集到的信号实际上是一个混有杂音的信 音频信号。远端音频和近端音频同时送入自适应 号，但是，由于近端采集到的信号也混有同样的 对消器，由自适应对消器将远端音频中混有的演 杂音，因此，经过对消后，它们对自适应滤波的 讲者话音消除，剩下会场的纯噪声信号。并由此 效果不会产生大的影响。经过实测，近端信号混 进一步计算出现场的信噪比。然后由ＡＧＣ控制模 有跟远端同样的回声等杂音，反而有利于对消器 块根据信噪比进行功率峰值自动增益控制。 对ｓ（ｎ）的消除，这也是本方案采用现场采集的 由于本系统采用现场信噪比进行增益控制， 近端信号作为自适应滤波器的参考信号．而没有 并采用数字信号处理算法对噪声进行实时跟踪． 直接从功放采集纯话音信号的原因。另一方面． 所以．本方案提出的新型自动音量控制系统不会 近端采集到的ｓ。（ｎ）实际上也混有少量的现场噪 产生自激．同时还能达到非常高的控制灵敏度 声，也就是说，自适应滤波器出来的Ｙ（ｎ）也混 （调整步长达１．５ ｄＢ）。实际上，本方案的难点主要 有少量的噪声信号。经过对消器后．部分的噪声 是自适应对消和基于ＤＳＰ硬件平台的构建。 信号也可能会被消除．但由于本系统要得到的直 接结果只是现场的信噪比变化情况．最终目的是 ２自适应对消原理 要消除自激．所以损失部分的噪声信号不会对整 个系统的自适应音量控制效果产生太大的影响。 自适应对消的基本原理如图３所示。 ㈨其 中是由远端麦克风采集的会场中央声场信号，该 ３系统硬件组成结构 信号混有演讲者的语音ｓ。（ 和现场的噪声 （ 。 ｓ （ｎ）是由近端麦克风采集的信号，可以近似的 本系统由前端采集单元、ＭＤ变化单元、中 看作是只含有演讲者的声音。ｓ （ｎ）经过自适应 心处理单元和控制字输出单元构成。其系统硬件 滤波器后可模拟出现场的演讲者声音Ｙ（ｎ），然后 结构框图如图４所示。其中前端采集单元由远端、 经过减法运算 （ｎ）－ｙ（ｎ））后得到现场的噪声 近端两路带前端放大的全向拾音麦克风构成； 信号 （ｎ）。这样，就可以用 （ｎ）和Ｙ（ｎ）来计算 Ｄ单元选用ＴＩ公司的ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３（以下简称Ａ． 现场的信噪比，并由此进行ＡＧＣ处理，从而产生 ＩＣ２３１芯片；中心处理单元选用定点ＤＳＰ芯片 相应的控制字。 ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９Ａ（以下简称５５０９１的原因是该 ＤＳＰ可用ＪＴＡＧ仿真器方便地进行调试。 ＤＳＰ的上电自举单元采用串行ＦＬＡＳＨ存储芯 一— 片ＡＴ２５Ｆ２０４８。该芯片可通过ＳＰＩ模式与 一 ＝＝＝＝ ＝＝： ｙ（ｎ ）Ｉ ——ｌ兰＝，‘ —‘‘’‘＝ 。＝竺 ：：ｌ ‘‘一 ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９的多通道缓冲串口０（ＭＣＢＳＰＯ）实 图３ 自适应对消原理图 处理时可采用５１２阶自适应滤波器对语音信 凰且 号进行８ ｋＨｚ的采样，ＤＳＰ处理芯片的处理周期大 模数转换器ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３ 约为１０ ＢＳ．为了系统的稳定，可用８０％的采样间 隔来进行滤波器运算，也就是说，在每个采样间 隔里．ＤＳＰ能处理约１００００条单周期指令。 另外．由于语音信号很强的相关性会导致滤 ｌ ！ＩＩ Ｉ 波器的收敛速度降低．而该系统要求的实时性比 ＦＬＡＳＨ ２５Ｆ２０４８ 圃匝 控制字输出单元 ＭＡＸ３１ｏ０ 较强，运算速度要求比较快，因此，该自适应滤 ＤＳＰ处理器 【ＡＸ４８５ Ｔ Ｉｓ３２ＯＶＣ５５Ｏ９Ａ 波器中采用了变步长去相关运算的自适应滤波技 术来优化系统性能。 ＪＴＡＧ仿真器 ＪＴＡＧ控制Ｉ ｌ电源模块 电源 ３ ３Ｖ １ ６Ｖ 通过笔者的现场测试，由于会场的实际布 图４ 自适应音量控制模块硬件系统框图 ６ 电子元嚣件主用 ２００７．１２ ｔ ．ｅｃ￣ｃｎ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第９卷第ｌ２期 ２００７年ｌ２月 姆霪缔瘗痢 Ｖｏ１．９ Ｎｏ．１２ ＤｅＣ．２００７ 现无缝连接以简化设计。另外，ＡＴ２５Ｆ２０４８还可 提供写保护ｆ将自举表烧写到ＦＬＡＳＨ即可进行写 ３．２数据采集处理单元 本单元的核心芯片是ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３（以下简 保护），以保证ＤＳＰ上电自举加载的可靠性。 系统的音量控制字采用ＲＳ４８５方式输出。 称ＡＩＣ２３）。这是ＴＩ公司推出的一款高性能立体声 编解码音频芯片。该芯片与５５０９ ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ电压兼 容，能够实现与５５０９的ＭＣＢＳＰ无缝连接。其接口 原理框图如图５所示。 ＡＩＣ２３的控制接口采用Ｉ２Ｃ模式控制，ＳＣＬＫ 和ＳＤＩＮ是ＡＩＣ２３控制端口的移位时钟和数据输入 端，可分别与５５０９的Ｉ２Ｃ模块端口ＳＣＬ和ＳＤＡ相连。 收发时钟信号ＣＬＫＸ１和ＣＬＫＲ１由ＡＩＣ２３的串行数 ＲＳ一４８５标准采用差分电平传输信号，传输距离最 远可达３０００米，非常适合工业环境下的应用。由 于ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９不带ＵＡＲＴ功能，故应选用专门 的ＵＡＲＴ芯片ＭＡＸ３１００，并与ＭＡＸ４８５组合使用。 ３．１中心处理单元 中心处理单元为本系统的最重要单元。它主 要完成自适应滤波算法、信噪比的计算以及控制 字的映射产生和输出等功能。该单元采用ＴＩ公司 的ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９Ａ为核心芯片。这是一款高性 能的定点ＤＳＰ芯片，可工作于２００ ＭＨｚ频率，具 据传输时钟ＢＣＬＫ提供，并由ＡＩＣ２３的帧同步信号 ＬＲＣＩＮ、ＬＲＣＯＵＴ启动串口数据传输。 ＡＩＣ２３是立体声编码芯片，其左右声道可分 别用于采集近端和远端信号。为了减少５５０９的中 断次数，笔者在这里对ＭＣＢＳＰ的数据接收做了巧 有高达４００ＭＩＰＳ的处理速度，而功耗仅１００ ｍＷ。 ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９的主要性能如下： 妙的处理。５５０９的ＭＣＢＳＰ支持最高３２位的数据传 ◇带有３２ Ｋ ｘ１６位ＤＡＲＡＭ和９６ Ｋ ｘ１６位 ＳＡＲＡＭ： 输，本系统的音频信号采用１６位编码，故可在一 次中断中把左右声道的信号同时送到ＭＣＢＳＰ口， 并在高１６位存左声道的ｌ６位数据，而在低ｌ６位存 储右声道的１６位数据，这样，一次中断就能完成 ◇带有３２ Ｋｘ１６ＲＯＭ； ◇带有１６位ＨＰＩ： ◇有３个定时器：其中有２个通用定时器和一 个看门狗； ◇有３个ＭＣＢＳＰ： 两路信号的采集，从而为自适应滤波运算提供了 宝贵的ＣＰＵ处理时间。 ４结束语 本文对自 适应对消原理和硬件系统构架作了 介绍。基于ＤＳＰ的硬件平台进行处理的成本很低。 由于采用的是纯数字信号的ＡＧＣ （下转第１Ｏ页） ◇带有ｌ６位ＥＭＩＦ和Ｉ２Ｃ接口： 此外，该芯片还具有处理能力强、集成度 高、扩展方便、功耗低、可靠性高等特点，可实 现该系统中控制器和处理器的所有功能。 ３ ２７ ．Ｃ９ Ｃ １０ ＳＩＯＧＮＤ ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３ Ｃ１５ 图５ ⅡⅣ３２０ＡＩＣ２３与ＴＭ￥３２０ＶＣ５５０９的接口原理图 Ｗ＇ｌ１．ｒｌｌｈｅｃｄａ．ｃｒｔ＇ ２００７．１２电手元器件主用 ７ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第９卷第１２期 电手元器件主用 ＶｏＩ．９ Ｎｏ．１２ ２０ｏ７年１２月 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｄｅｃ．２００７ 干扰的能力，因此最大传输速率可达１０ Ｍｂ／ｓ．最 大距离可达１２００ ｍ。该电路中只有１个发送器。 但可有多个接收器。该标准允许驱动器的输出范 围为±２ ±６ Ｖ，接收器输入电平可低至＋２００ ｍＶ。 系统的信息记录与交警管理中心的连接任务 可交由计算机网络完成。可以应用无线连接的方 式将记录系统存储的违章车辆信息通过手提电脑 下载到计算机中，也可以利用城域网或电话线与 ｉ Ｙ ｌ 交警管理中心相连并直接进行数据的实时传输。 Ｉ开启闪光灯ｌ Ｉ ５ 结束语 ［壶口 本文设计的闯红灯自动记录系统用微型线圈 臣 取代传统环型磁感线圈。通过大量实验证明：该 Ｎ 方案既可大大减少工程安装的工作量。又不会阻 ．碍交通，对路面的创伤也很小，而且检测车辆通 过准确。同时所设计的系统还舍弃了摄像机记录 违章车辆的方法，而是采用数码相机记录现场， 图３拍摄相机的控制流程 辑“１”，而当ＡＡ 线的电平比ＢＢ 线的电平低于 这样既有效节省了记录设备的存储空间，同时图 片清晰度较视频图像也有了较大改善。 ２００ｍＶ时表示逻辑“０”。很明显，这种方式和 ＲＳ一２３２采用单端接收器和单端发送器，只用一条 参考文献 信号线传送信息，并且根据该信号线上电平相对 于公共的信号地电平的大小来决定逻辑的“１” ［１】 孔志宏．闯红灯自动记录系统的应用［Ｊ】．山西科技， 和“０”是不相同的。ＲＳ一４２２接口标准的电路由 ２００５，（２）：７２￣７３． ［２】 臧利林，贾磊，等．基于环形线圈车辆检测系统的研究 发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器 与设计［Ｊ】．仪器仪表学报，２００４，２５（４）：３３０． 组成。它通过平衡发送器把逻辑电平变换成电位 ［３】 林凌，韩晓斌，等．微型感应线圈车辆传感器［Ｊ】．传感技 差，以完成时段的信息传送；同时通过差动接收 术学报，２００６，１９（４）：９９６． 器把电位差变成逻辑电平。来实现终端信息的接 ［４】 崔子谦．智能车辆流量检测器的设计与实现［Ｊ］．物流 收。ＲＳ一４２２标准采用双线传输大大增强了抗共模 科技，２００４，２７（１０８）：２０． （上接第７页） 控制，故能有效的提高控制精度并预防自激。若 ［４】 龚耀寰．自适应滤波（第二版）［Ｍ】．北京：电子工业出 采用ＴＩ的６０００系列浮点ＤＳＰ，效果将更佳。 版社．２００３．５６－５７． ［５】 陈少平，朱翠涛．一种改进的噪声抵消ＬＭＳ自适应 参考文献 算法［Ｊ】．中南民族大学学报（自然科学版），２００２，２１ （２）：２６－２８． ［１】Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＴＭＳ３２０Ｃ５５ｘ ＤＳＰ ＣＰＵ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ［６】 丁玉美，阔永红，高新波．数字信号处理一时域离散随机 Ｇｕｉｄｅ［Ｍ】．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２００４． 信号处理［Ｍ】．西安：西安电子科技大学出版社， 【２］Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９ Ｆｉｘｅｄ－Ｐｏｉｎｔ Ｄｉｇｉｔａｌ ２００３，１２． Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ ＩＭ】：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， ［７】 雷鸣．一种改进的声回声抵消算法［Ｊ］．ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖ ２００４． （Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈ），２００１，Ｖｏ Ｌ４１，Ｎｏ．１． ［３】Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３ Ｄａｔａ Ｍａｎｕａｌ［Ｍ】： ［８】 申敏．ＤＳＰ原理及其在移动通信中的应用［Ｍ】．北京：人 Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２００４． 民邮电出版社．２００２． １Ｏ 电子元器件主用 ２００７．１２ ．ｇｃｄ￣ｃｎ