专利名称：一种自适应调节音量大小的音频播放设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种音频播放设备中抑制播放音的环境噪声检测技术以及自适应增益调节技术，特别是涉及一种能够抑制或消除噪声传感器中的播放音的回授，根据环境噪声大小自适应调节音量大小的音频播放设备。
背景技术：
在环境噪声变化比较剧烈的场合播放音频信号，会出现环境噪声和正常播放声音的能量不匹配，导致听众听觉疲劳，听觉不清晰等现象。若环境噪声过大，信噪比太低，听众需竖起耳朵才能听清，造成听觉疲劳；若环境噪声较低，过大的播放声音又会损伤耳朵听力。实现增益自动控制的关键技术之一是环境噪声能量的检测技术。音波在空气中传播，噪声检测传感器中不但包含环境噪声，还包含正常播放音频信号，只有将传感器中的正常播放音频的回波抑制掉，才能得到真实的环境噪声能量。现有一种方法通过环境噪声传感器的特殊安装，避免拾取播放音，然后计算噪声传感器的噪声能量，用此参数控制播放器增益。实际应用中，很难满足此要求，有时甚至噪声传感器拾取的播放音都会强于环境噪声。退而求次，另一种应用是在播放间歇，即播放暂停时，检测噪声，并以次噪声电平作为增益控制依据。这种方法又不适合连续不间断的播放场合。理想方法是对噪声传感器输出进行信号处理，抑制噪声传感器拾音中的播放音，这不但需要设计合适的算法，也需要DSP或嵌入式处理器等硬件运算平台。目前有一些专利涉及这方面的叙述，但并没有公开算法和实现方法。
发明内容本实用新型主要是解决现有技术所存在的难以准确获得环境噪音大小的技术问题，提供一种可以滤除播放音、准确获得环境噪音大小的自适应调节音量大小的音频播放设备。本实用新型针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的一种自适应调节音量大小的音频播放设备，包括处理器模块，用于对整个设备进行控制；噪声检测模块，用于检测环境噪音并发送给处理器模块；功率放大模块，用于将处理器模块输出的播放信号进行放大；喇叭，用于将功率放大模块放大后的播放信号进行播放；音频接口模块，所述音频接口模块同时连接处理器模块、功率放大模块和噪声检测模块，将噪声检测模块检测到的信号传递给处理器模块，同时将处理器模块的播放信号传递给功率放大模块。作为优选，自适应调节音量大小的音频播放设备还包括无线网络模块，所述无线网络模块与所述处理器模块连接。作为优选，所述处理器模块包括USB接口和SD卡接口。作为优选，自适应调节音量大小的音频播放设备还包括模拟音频模块，所述模拟音频模块通过音频接口模块与处理器模块连接。播放音的音源可以是存储在通过USB接口或者SD卡接口与处理器模块相连接的存储设备中的音频文件，也可以是通过无线网络模块输入的网络音频流媒体，还可以是通过模拟音频模块输入的本地模拟音频。一种自适应调节音量大小的音频播放方法，包括以下步骤步骤一、播放来自音源的音频文件；步骤二、检测环境噪声，判断环境噪声的大小；·步骤三、根据环境噪声大小调节播放音的音量大小。作为优选，所述步骤二中，检测环境噪声具体为A、通过互相关算法估计回授音的延时；B、对参考输入进行延时预处理；C、用NLMS自适应滤波算法抑制噪声传感器检测到的声音信号中的回授音，从而提取噪声信号，即将延时预处理以后的参考输入信号通过FIR自适应滤波器；参考输入信号为从SD卡、U盘等存储的音频文件中解码输出的音频信号，或通过网络接收并解码输出的音频信号。所述步骤三中，根据环境噪声大小调节播放音的音量大小具体为首先对噪声电平进行加权滑动平均处理，然后依据听觉特性，增益与噪声电平按反正切曲线进行调节。所述加权关系为
=去[-O—2)+nw, ("—i)+1U+1O+i)—O+2)]
35wn()iS6是根据环境噪声信号η (η)计算出的噪声电平，w, n()iS6是加权以后的噪声电平值。所述增益调节曲线为A = f(w' noise) = tan_1(w/ noise)A是系统增益。本实用新型采用自适应滤波技术抑制噪声传感器中的播放音，将播放器内部解码输出的音频信号作为参考输入，噪声传感器的输入作为信号输入。常用的自适应回声消除算法有最小均方误差算法LMS,归一化最小均方误差算法NLMS,递推最小二乘算法RLS等。LMS自适应算法的特点是复杂度低，鲁棒性好，稳态误差和收敛速度不能同时最优。NLMS是一种重要的变步长LMS算法，它在继承LMS算法优点基础上，当误差较大时，步长较大，可以加快收敛速度；误差稳定时，步长较小，可以减少稳态误差。RLS收敛速度比LMS快，稳态误差也较小，但计算复杂度比LMS和NLMS算法大很多。NLMS算法中自适应滤波器采用FIR型数字滤波器，滤波器阶次是一个关键参数，它与播放器所处的声场环境相关，其大小可以从几十阶至上千阶不等。波波器阶次定得偏低，抑制效果降低；如果阶次定得过高，又会白白增加计算复杂度。由于实际应用的声场环境具有很大的不确定性，给自适应滤波器阶次的设定带来困难。为了减少计算复杂度，本实用新型首先通过互相关算法估计播放音的延时，然后对解码输出音频信号(即参考输入)进行延时预处理，这样就可以采用固定的128阶FIR自适应滤波器，减少计算复杂性，最后再用NLMS自适应滤波算法提取噪声信号，增加了收敛速度，减少了稳态误差。得到噪声电平估计后，必须设计合适的增益调节控制算法。增益调节算法与自动增益控制(AGC)算法相类似，必须在响应速度和调节平稳 性之间折衷。本实用新型，首先对噪声电平进行加权滑动平均处理，减少增益变化的剧烈度，然后依据听觉特 性，增益与噪声电平按反正切曲线进行调节。本实用新型可应用于汽车站、火车站、地铁站台、公交车站台等室外数字音频播放等场合，以及酒吧、咖啡厅、背景音乐等室内数字音频播放等场合，应用本实用新型可以得到恒定的信噪比，达到最佳的音频听感和音频清晰度。本实用新型带来的有益效果是，(I)提出一种跟随环境噪声电平自动调节播放器增益的设备和算法，满足各种播放电平控制需要随环境噪声自动适应的场合需求。(2)提取噪声电平算法采用互相关算法估计播放音频的延时，进而采用NLMS自适应滤波算法消除播放音频的回授；(3)采用加权滑动平均算法减少增益调节的波动性，采用反正切函数调节增益与噪声电平之间的关系。
图I是本实用新型的一种结构示意图；图2是本实用新型的一种算法框图；图3是本实用新型的一种自适应FIR滤波器的方框图；图4是本实用新型的一种自动增益控制流程图；图5是本实用新型的一种噪声电平与系统增益之间的关系图；图中101、处理器模块，102、SD卡或U盘，103、无线网络模块，104、模拟音频模块，105、音频接口模块，106、功率放大模块，107、喇叭，108、用户接口，109、噪声检测模块。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。实施例本实施例的一种自适应调节音量大小的音频播放设备,如图I所示,包括处理器模块101、音频接口模块105、功率放大模块106、喇叭107、噪声检测模块109、模拟音频模块104和无线网络模块103。音频接口模块105同时连接处理器模块101、功率放大模块106、噪声检测模块109和模拟音频模块104，将噪声检测模块109检测到的信号传递给处理器模块101,同时将处理器模块101的播放信号传递给功率放大模块106。功率放大模块106将播放信号放大以后通过喇叭107播放。处理器模块101包含有USB接口和SD卡接口。播放音的音源可以是存储在通过USB接口或者SD卡接口与处理器模块相连接的U盘或者SD卡102中的音频文件，也可以是通过无线网络模块103输入的网络音频流媒体，还可以是通过模拟音频模块104输入的本地模拟音频。处理器模块101还连接有用户接口 108，用户可以通过用户接口 108对设备进行参数设置。噪声检测模块109检测到的音频信号除环境噪声外，还包含播放音的回授。本实施例的一种自适应调节音量大小的音频播放方法，包括以下步骤步骤一、播放来自音源的音频文件；步骤二、检测环境噪声，判断环境噪声的大小；步骤三、根据环境噪声大小调节播放音的音量大小。检测环境噪声具体为A、通过互相关算法估计回授音的延时； B、对解码音频信号(参考输入)进行延时预处理；C、用NLMS自适应滤波算法抑制噪声传感器检测到的声音信号中的回授音，从而提取噪声信号。根据环境噪声大小调节播放音的音量大小具体为首先对噪声电平进行加权滑动平均处理，然后依据听觉特性，增益与噪声电平按反正切曲线进行调节。本实施例利用互相关算法和自适应滤波算法抑制播放音的回授或回声。x(n)是正常播放音频信号，f(n)是噪声检测模块检测到的音频信号，f(n)内包括环境噪声信号η (η)和播放音经过空间产生的回波信号y(η) = Τ[χ(η)],ΒΡf (η) = y (η) + η (n)如图2所示，先计算f (n)和x(n)的互相关rxf (n, η+ τ )，由于χ(n)和y (n)=T[x(n)]具有相似性，互相关函数的峰值点即是回授延时，分析互相关结果，得到x(n)的回波延时K。x(n)经延时K个采样点xD (n) = x(n-K)。xD(n)与f (n) —起进入自适应滤波器进行回波抑制，得到环境噪声信号n(n)。图3是自适应FIR滤波器的实现结构。FIR滤波器采用横截型结构，其单位脉冲响应H(n)为H(n) = {hnl, hn2, · · ·，h^}Xd(n)是经过互相关处理后的输入延时向量Xd (n) = {xD (n), xD (n-1), . . . , xD (n-M+1)}j>( )是播放音频的回波估计
My(n) = V/ ,(/ )· xn in -i+\) = H{n)1 ■ Xn {η)
i=l抑制回波算法的目标函数是J = min {I n (n) | |2}，η(η) = f(n') - y{n)本实用新型采用变步长NLMS算法使目标优化，自适应滤波器单位脉冲响应H(n)的递推公式为-I- ]) = H (η) -I- //·= // (/7) _ 2μ(η) ■ η(η) ■ X D(ji)
BH
f^rmn 3 f ^ < ,,niin //(/ + I) = W · //(/ ) + β · '·(/ )|
[^ > Am'[0072]其中，α是步长遗传因子，取值区间通常在O. 95、. 999之间，该值越大稳态误差越大。β是噪声与音频信号互相关函数的瞬时能量。当噪声与音频信号分离差时，互相关瞬时能量大，对步长贡献大，可加快收敛速度。β取值区间在(Ti之间，通常接近于0，典型的是取值10_4 10_6，收敛稳定性与该值成反比，收敛速度与该值成正比。图4是自动增益控制AGC流程，是根据环境噪声信号η (η)计算出的噪声电
平(单位分贝)，对噪声电平进行五点加权滑动平均，加权关系为
w 'nobe (n) = ~ [―3 w 0 如(w — 2) +12 Wtwise (/7-1) + 1 Iwnoise (n) +12wnoise (n + 1)- 3wnoise (η + 2)]经过转换函数，将平滑后的噪声增益转换成播放音频的增益值。图5是噪声电平与系统增益之间的关系曲线。w' Mise是加权滑动平均以后的噪声电平值，A是系统增益，是增益调节曲线，A = Hw1 noise) = tan_1(w/ noise)坐标(0，O)处是基准噪声电平和基准增益值。通常定基准噪声电平是60db (户外)，基准增益值是Odb。增益调节范围是允许系统增益A在基准点的基础上增加12dB，或降低12dB。动态调节范围是24dB。本实施例应用嵌入式处理器构成的控制系统实现上述过程。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。尽管本文较多地使用了噪声检测、抑制回波等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
权利要求1.一种自适应调节音量大小的音频播放设备，其特征在于，包括 用于对整个设备进行控制的处理器模块、用于检测环境噪音并发送给处理器模块的噪声检测模块、用于将处理器模块输出的播放信号进行放大的功率放大模块、用于将功率放大模块放大后的播放信号进行播放的喇叭以及音频接口模块，所述音频接口模块同时连接处理器模块、功率放大模块和噪声检测模块。
2.根据权利要求I所述的自适应调节音量大小的音频播放设备，其特征在于，还包括无线网络模块，所述无线网络模块与所述处理器模块连接。
3.根据权利要求I或2所述的自适应调节音量大小的音频播放设备，其特征在于，所述处理器模块包括USB接口和SD卡接口。
4.根据权利要求I或2所述的自适应调节音量大小的音频播放设备，其特征在于，还包括模拟音频模块，所述模拟音频模块通过音频接口模块与处理器模块连接。
专利摘要本实用新型公开了一种自适应调节音量大小的音频播放设备，其包括用于对整个设备进行控制的处理器模块、用于检测环境噪音并发送给处理器模块的噪声检测模块、用于将处理器模块输出的播放信号进行放大的功率放大模块、用于将功率放大模块放大后的播放信号进行播放的喇叭以及音频接口模块，所述音频接口模块同时连接处理器模块、功率放大模块和噪声检测模块。本实用新型通过互相关算法估计回授音的延时，并将通过噪声检测模块检测到的声音信号作为自适应处理的信号输入。经过自适应处理，抑制正常播放的回授，从噪声传感器中提取到真实噪声信号并调节播放设备的播放音量大小。本实用新型适用于环境噪声变化比较剧烈的场合。
文档编号G11B20/00GK202601188SQ20122025005
公开日2012年12月12日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者赵凡, 祁才君 申请人:杭州联汇数字科技有限公司