一种音频信号处理装置、方法和存储介质与流程
本发明涉及电子电路技术领域，尤其是一种音频信号处理装置、方法和存储介质。
背景技术：
在音频分析等领域，通常使用输入输出电路接收外部设备的音频信号，将其进行模数转换和滤波等预处理后输入到处理器中，由处理器对音频信号进行测量幅值变换、频率变换、合成、频谱分析以及降噪等处理，处理器还可能将经过处理的音频信号通过输入输出电路传送到外部设备。输入输出电路作为处理器的外围电路，由于其组成部件的物理特性，不可避免地受到环境温度和其工作时发热的影响，导致其电学性能发生变动，导致处理器接收到的音频信号或者处理器发送出去的音频信号产生偏差。
现有技术通常是在输入输出电路中增加负反馈电路等用于纠正温度漂移的电路，但是这增加了硬件的复杂度，并且增加了使用成本。而且从原理上来说，负反馈电路只能在一定程度上减轻温度漂移的影响，而不能抵消其影响，因此现有技术对于纠正温度漂移、提高音频信号处理结果精度来说的改善效果有限。
技术实现要素：
针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种音频信号处理装置、方法和存储介质。
一方面，本发明实施例包括一种音频信号处理装置，包括：
输入输出电路，用于接收第一音频信号，和/或输出第二音频信号；
温度传感器，用于检测所述输入输出电路的温度；
处理器，用于从所述输入输出电路获取所述第一音频信号，对所述第一音频信号进行处理，获得所述第二音频信号，将所述第二音频信号传送到所述输入输出电路；还用于获取与所述输入输出电路的温度相应的校准参数，根据所述校准参数对所述第一音频信号和/或第二音频信号进行校准；
存储器，用于存储所述输入输出电路的温度、校准参数以及它们之间的对应关系。
进一步地，所述音频信号处理装置还包括：
第一检测电路，用于对所述输入输出电路的输入端处进行信号检测，从而获得第一电学参数；
第二检测电路，用于对所述输入输出电路的输出端处进行信号检测，从而获得第二电学参数。
进一步地，所述处理器还用于获取多个所述第一电学参数和多个所述第二电学参数，通过拟合算法对各所述第一电学参数和第二电学参数进行拟合，从而获得所述校准参数。
进一步地，所述拟合算法为最小二乘法。
进一步地，所述处理器还用于在获取多个所述第一电学参数和多个所述第二电学参数时，获取所述输入输出电路的温度，并将所述输入输出电路的温度、校准参数以及它们之间的对应关系存储到所述存储器中。
进一步地，所述处理器还用于在获取多个所述第一电学参数和多个所述第二电学参数时，向所述输入输出电路加载多个负载，从而使得所述输入输出电路的温度分别达到多个目标值，并将各所述目标值下测得的所述输入输出电路的温度、校准参数以及它们之间的对应关系存储到所述存储器中。
另一方面，实施例中还包括一种音频信号处理方法，在使用输入输出电路接收第一音频信号和/或输出第二音频信号的过程中，执行以下步骤：
检测所述输入输出电路的温度；
获取与所述输入输出电路的温度相应的校准参数；
根据所述校准参数对所述第一音频信号和/或第二音频信号进行校准。
进一步地，所述音频信号处理方法还包括以下步骤：
对所述输入输出电路的输入端处进行信号检测，从而获得多个第一电学参数；
对所述输入输出电路的输出端处进行信号检测，从而获得多个第二电学参数。
通过拟合算法对各所述第一电学参数和第二电学参数进行拟合，从而获得所述校准参数。
进一步地，所述音频信号处理方法还包括以下步骤：
在获取多个所述第一电学参数和多个所述第二电学参数时，向所述输入输出电路加载多个负载，从而使得所述输入输出电路的温度分别达到多个目标值；
获取并存储各所述目标值下测得的所述输入输出电路的温度、校准参数以及它们之间的对应关系。
另一方面，本发明实施例还包括一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行实施例所述的音频信号处理方法。
本发明的有益效果是：实施例中所述的音频信号处理装置，由处理器对输入输出电路的温度进行监测，并根据温度查询相应的校准参数来对第一音频信号和第二音频信号进行校准；其中对第一音频信号的校准抵消了输入输出电路温度变化带来的性能变化导致的偏差，从而改善音频信号处理装置接收外部设备提供第一音频信号这一过程的质量；对第二音频信号的校准可以用于对抗输入输出电路温度变化带来的性能变化导致的偏差，从而改善音频信号处理装置向外部设备提供第二音频信号这一过程的质量。总之，实施例中所述的音频信号处理装置无需增加额外的电路模块，因此电路结构简单，使用和维护成本低；能够克服外界温度或工作发热产生的温度变化导致的硬件性能变化的影响，从而改善音频信号处理的效果，在处理器性能足够强大的情况下，处理器对第一音频信号和第二音频信号的校准过程是实时进行的，能够提供更加精确的校准效果。进一步地，实施例中所述的音频信号处理装置还具有通过处理器来更新校准参数的功能，使得基于校准参数来实现的校准过程能够适应装置硬件老化带来的性能改变，方便日后的维护，延长音频信号处理装置的使用寿命。
附图说明
图1为实施例中所述音频信号处理装置的结构示意图；
图2为实施例中所述第一缓冲器和第一低通滤波器组成的电路图；
图3为实施例中所述单端差分转换器的电路图；
图4为实施例中所述模数转换器的电路图；
图5为实施例中所述第一缓冲器、第二缓冲器和第三缓冲器的电路图；
图6为实施例中所述数模转换器的电路图；
图7为实施例中所述第二低通滤波器的电路图；
图8为实施例中设有第一检测电路和第二检测电路的音频信号处理装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例中，所述音频信号处理装置的结构如图1所示，其由输入输出电路、温度传感器、处理器和存储器组成。
所述音频信号处理装置的工作原理是：所述输入输出电路是所述处理器的外围电路，所述输入输出电路通过第一接口来接收外部输入的第一音频信号，通过第二接口发送到处理器中，由处理器进行滤波、合成和转换等处理，得到第二音频信号，然后处理器通过第二接口将第二音频信号发送到输入输出电路，输入输出电路通过第一接口将第二音频信号返回到外部设备。
在所述音频信号处理装置的工作过程中，在接收第一音频信号时，所述输入输出电路通过第一接口一端接收第一音频信号，通过第二接口一端向处理器发送第一音频信号，此时第一接口一端是所述输入输出电路的输入端，第二接口一端是所述输入输出电路的输出端；在输出第二音频信号时，所述输入输出电路通过第二接口一端接收处理器发送的第二音频信号，通过第一接口一端发送音频信号，此时第二接口一端是所述输入输出电路的输入端，第一接口一端是所述输入输出电路的输出端。
参照图1，本实施例中，所述音频信号输入输出电路包括第一接口、第一缓冲器、第一低通滤波器、单端差分转换器、模数转换器、第二缓冲器、第二接口、第三缓冲器、数模转换器、第二低通滤波器。
所述第一缓冲器的输入端与所述第一接口的一端连接，所述第一缓冲器的输出端依次通过所述第一低通滤波器、单端差分转换器、模数转换器、第二缓冲器与所述第二接口的一端连接；
所述第三缓冲器的输入端与所述第二接口的另一端连接，所述第三缓冲器的输出端依次通过所述数模转换器、第二低通滤波器与所述第一接口的另一端连接。
所述第一接口和第二接口是以i2s形式设置的。
本实施例中使用的第一缓冲器的电路图如图2的左半部分所示，包括第一运放u1、第十二电阻r12、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第十七电阻r17和瞬态抑制管tvs；
所述第一运放u1的同相输入端依次通过第十二电阻r12和瞬态抑制管tvs接地；所述第十二电阻r12的一端用作所述第一缓冲器的输入端；
所述第一运放u1的输出端依次通过第十五电阻r15和第十七电阻r17接地；所述第十七电阻r17的一端用作所述第一缓冲器的输出端；
所述第一运放u1的输出端与反相输入端之间通过第十六电阻r16连接。
第一缓冲器具有高输入阻抗和低输出阻抗，起到阻抗匹配作用。由第一缓冲器输出的音频信号进入第一低通滤波器。
本实施例中使用的第一低通滤波器的电路图如图2的右半部分所示，包括第二运放u2、第十一电阻r11、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第三十一电容c31和第三十二电容c32；
所述第二运放u2的同相输入端接地；
所述第三十一电容c31、第十一电阻r11和第十四电阻r14组成反馈电路，所述第二运放u2的输出端与反相输入端之间通过反馈电路连接；
所述反馈电路的一端接地，并通过第十三电阻r13引出作为所述第一低通滤波器的输入端；
所述第二运放u2的输出端用作所述第一低通滤波器的输出端。
第一低通滤波器可以滤除音频信号中的低频噪声，使得音频信号更加纯净。
本实施例中使用的单端差分转换器的电路图如图3所示，其核心部件是一个型号为ap8138的转换芯片，其输入端与第一低通滤波器的输出端连接。第一低通滤波器输出的音频信号为单端信号，由单端差分转换器转换成为差分信号，从而抑制共模信号，提高音频信号的质量。
单端差分转换器输出的差分信号由图4所示的模数转换器接收。模数转换器的核心是一个型号为cs5361的芯片，它可以将模拟形式的音频信号转换成为数字形式的音频信号，并输出到第二缓冲器中。第二缓冲器可以起到阻抗匹配作用，使得i2s标准的第二接口与音频处理器连接时，可以将数字形式的音频信号低损耗地发送到音频处理器中，供音频处理器进行处理和分析。
音频处理器将经过变换后的音频信号或者对音频信号进行处理所得的数据返回到第二接口中，由第三缓冲器接收。第三缓冲器也起到阻抗匹配作用。优选地，本实施例中，第一缓冲器、第二缓冲器和第三缓冲器都具有相同的结构，也就是它们的电路图都如图5所示，这样可以降低电路设计复杂度，提高电路工作的稳定性。
第三缓冲器输出的数字信号进入图6所示的数模转换器中进行数模转换。数模转换器的核心是一个型号为cs4344的芯片，它可以将数字信号转换成为模拟信号，并输出到第二低通滤波器中。
参照图7，所述第二低通滤波器包括第三运放u3、第四十七电阻r47、第四十八电阻r48、第四十九电阻r49、第五十电阻r50、第五十一电阻r51、第五十二电阻r52、第六十九电容c69、第七十电容c70、第七十一电容c71和第七十二电容c72；
所述第六十九电容c69、第四十七电阻r47和第四十九电阻r49组成反馈电路，所述第三运放u3的输出端与反相输入端之间通过反馈电路连接；
所述反馈电路的一端通过第七十一电容c71接地，并通过第四十八电阻r48引出作为所述第二低通滤波器的输入端；
所述第三运放u3的同相输入端通过第五十一电阻r51引出，并通过第五十二电阻r52和第七十二电容c72组成的并联电路接地；
所述第三运放u3的输出端通过第七十电容c70引出用作所述第二低通滤波器的输出端。
图7所示的第二低通滤波器可以接收数模差分器输出的差分信号，滤除低频噪声，并输出单端信号至第一接口中，供音频信号源或者其他设备获取。
所述温度传感器可以安装在第一缓冲器、第一低通滤波器等输入输出电路的任一组成部件上，从而测量这一组成部件的工作温度；所述温度传感器也可以由多个分部组成，每一分部分别安装在输入输出电路的各组成部件上，每个分部分别测量对应组成部件的工作温度，然后求取它们的平均值进行输出。
所述处理器除了进行对第一音频信号的处理过程之外，同时还从温度传感器读取其测得的温度，然后从存储器处查询与该温度相应的校准参数，然后使用所查询到的校准参数对第一音频信号和/或第二音频信号进行校准。
所述校准是线性校准，所述校准参数具体由校准因子k和偏移量b组成。本实施例中，将接收第一音频信号的过程所使用的校准因子和偏移量分别记为k1和b1，将输出第二音频信号的过程所使用的校准因子和偏移量分别记为k2和b2。
每一对(k,b)都与温度传感器所测得的一个温度对应，它们之间的映射关系被存储在存储器中。
所述校准过程具体为：
(a1)对于接收第一音频信号的过程：处理器获取输入输出电路发送过来的第一音频信号y1；由于第二接口处的第一音频信号y1是经过输入输出电路中的第一缓冲器、第一低通滤波器、单端差分转换器、模数转换器和第二缓冲器传递过来的，其电压和电流等电学参数相对于第一接口一端接收到的信号而言发生了偏差，这种偏差与第一缓冲器和第一低通滤波器等输入输出电路组成部件的工作温度或环境温度有关。通过公式
(a2)对于输出第二音频信号的过程：处理器对经过修正后的第一音频信号
在处理器的性能足够强大的情况下，处理器对第一音频信号进行处理并得到第二音频信号的过程是在很短的时间内实现的，这段时间内输入输出电路或其部件的温度可以视为不变，因此，对于一组第一音频信号及其被处理所得的第二音频信号，处理器对第一音频信号进行修正所使用的校准参数(k1,b1)与对第二音频信号进行修正所使用的校准参数(k2,b2)都对应同一温度。
参照图8，本实施例中，所述音频信号处理装置还设置有第一检测电路和第二检测电路。其中第一检测电路与图1中的第一接口连接，用于检测输入输出电路在这一端所接收或输出的音频信号的电压或电流等参数，本实施例中将其称为第一电学参数；第二检测电路与图1中的第二接口连接，用于检测输入输出电路在这一端所接收或输出的音频信号的电压或电流等参数，本实施例中将其称为第二电学参数。
所述处理器还用于获取多个所述第一电学参数和多个所述第二电学参数，使用最小二乘法等拟合算法对各所述第一电学参数和第二电学参数进行拟合，从而获得所述校准参数。
所述拟合过程具体为：
(b1)获取校准参数(k1,b1)的过程：校准参数(k1,b1)用于对处理器获取到的第一音频信号进行修正，处理器通过第一检测电路从第一接口处读取第一电学参数，同时通过第二检测电路从第二接口处读取第二电学参数，在获得多组第一电学参数与其相应的第二电学参数的情况下，以第一电学参数为横轴，以第二电学参数为纵轴，使用最小二乘法进行处理，可以得到校准参数(k1,b1)；
(b2)获取校准参数(k2,b2)的过程：校准参数(k2,b2)用于对处理器将要输出的第二音频信号进行修正，处理器通过第一检测电路从第一接口处读取第一电学参数，同时通过第二检测电路从第二接口处读取第二电学参数，在获得多组第一电学参数与其相应的第二电学参数的情况下，以第二电学参数为横轴，以第一电学参数为纵轴，使用最小二乘法进行处理，可以得到校准参数(k2,b2)。
处理器还可以通过温度传感器监测输入输出电路的温度。在输入输出电路处于不同温度的情况下，分别执行上述拟合过程(b1)和(b2)，得到如表1所示的多组校准参数(k1,b1)和(k2,b2)，并将其存储到存储器中。
表1
通过设置第一检测电路和第二检测电路，本实施例中的音频信号处理装置可以自行测得各种温度下的校准参数，并将温度与校准参数的对应关系存储到存储器中。在实际使用音频信号处理装置时，只要测得输入输出电路或其组成部件的温度t，便可以查询得到相应的校准参数(k1,b1)和(k2,b2)，从而用于对第一音频信号和第二音频信号的修正。
在计算校准参数(k1,b1)和(k2,b2)的过程中，输入输出电路的温度t随着其工作负荷以及所处的环境温度改变。所述处理器可以在输入输出电路的温度t的变化过程中，在不同的输入输出电路的温度t下分别测量多组第一电学参数和第二电学参数。
所述处理器也可以对输入输出电路的温度t的变化过程进行干预，其具体原理是，向输入输出电路发送大量的数据，从而使得输入输出电路的负载增大，促使输入输出电路的温度更快达到目标值。输入输出电路处于不同负载，在输入输出电路本身的发热与环境温度的共同作用下，输入输出电路的温度最终达到不同的目标值。在达到目标值后，处理器执行上述拟合过程(b1)和(b2)，从而测得该目标值下的校准参数。通过让处理器向输入输出电路加载负载，可以更高效率地获取到不同温度下的校准参数(k1,b1)和(k2,b2)。
本实施例中，所述存储器还可以用于存储音频信号存储装置的编号，以及每组校准参数(k1,b1)和(k2,b2)的测量日期。由处理器检查每组校准参数(k1,b1)和(k2,b2)的测量日期，每当经过一定时限之后，则重新执行上述拟合过程(b1)和(b2)，从而对每组校准参数(k1,b1)和(k2,b2)进行更新。对每组校准参数(k1,b1)和(k2,b2)的定期更新，可以适应音频信号存储装置经过一段时间的使用之后，输入输出电路的硬件特性变化而导致的温度漂移特性变化。
实施例2
本实施例中的音频信号处理方法，可以看做是实施例1中所述音频信号处理装置的使用方法或控制方法。在使用实施例1中所述音频信号处理装置接收第一音频信号和/或输出第二音频信号的过程中，执行本实施例中的音频信号处理方法方法，也就是由处理器执行以下步骤：
s1.检测所述输入输出电路的温度；
s2.获取与所述输入输出电路的温度相应的校准参数；
s3.根据所述校准参数对所述第一音频信号和/或第二音频信号进行校准。
进一步地，在执行所述步骤s1-s3之前或之后，处理器还执行以下步骤：
p1.对所述输入输出电路的输入端处进行信号检测，从而获得多个第一电学参数；
p2.对所述输入输出电路的输出端处进行信号检测，从而获得多个第二电学参数。
p3.通过拟合算法对各所述第一电学参数和第二电学参数进行拟合，从而获得所述校准参数。
在执行步骤s1-s3之前执行步骤p1-p3，可以为执行步骤s1-s3提供最新的校准参数；在执行步骤s1-s3之后执行步骤p1-p3，可以为后面再次执行步骤s1-s3提供最新的校准参数。
进一步地，在执行所述p1和p2时，处理器还执行以下步骤：
p4.向所述输入输出电路加载多个负载，从而使得所述输入输出电路的温度分别达到多个目标值；
p5.获取并存储各所述目标值下测得的所述输入输出电路的温度、校准参数以及它们之间的对应关系。
通过执行上述步骤s1-s3、p1-p5，可以达到如实施例1所述的有益效果。
可以编写用于执行所述音频信号处理方法各步骤的计算机程序，并将计算机程序存储到存储介质中。当存储介质中的计算机程序被读取出来并执行时，便可以执行所述音频信号处理方法。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
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