专利名称：用于指向性声源的自适应信号幅度控制方法
技术领域：
本发明涉及一种指向性声源的信号控制方法。
背景技术：
指向性声源的基本原理为将普通音频信号经过预处理对40KHz正弦载波调制，调制信号通过超声换能器阵列形成调制超声波，该调制超声波能够在空气中利用空气的自解调效应再生可听声，同时由于超声波指向性的尾焰效应，形成指向性的可听声波。对音频输入信号进行预处理是改善指向性声源音质的有效措施。载波调制处理是预处理中的基本环节，是后续处理的基础。Frank J.Pompei、James J.Croft III和Kamakura在他们的专利和文章中采取了动态载波的调制处理方法，即通过响应输入音频信号的大小，动态地调整载波幅度的大小，实现最优调制。这种方法的优点是在选择合适的调制指数避免过调制，改善音质的同时，提高了效率，其缺点是系统引入延时，同时算法比较复杂，计算量大，不便于工程上实现。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种算法简单，易于工程实现，能够改善音质的用于指向性声源的自适应信号幅度控制方法。
本发明为实现其目的所采用的技术方案是用于指向性声源的自适应信号幅度控制方法，包括下述步骤1、输入归一化用于将输入音频信号A/D转换后的数字量转化为+1～-1的范围，便于后续的信号处理；2、载波调制预处理输入归一化的数据在其数据帧内比较幅度大小，最大的做为其数据帧的峰值，处于当前数据帧的数据在比较大小确定峰值的同时，以上一数据帧的峰值作为归一化的标准，进行再次归一化并作为输出，实现载波调制预处理。由于数据是在再次归一化输出的同时进行大小比较确定峰值，因此在预处理过程中没有引入延时环节，实现了数据的实时处理；3、幅度分级处理将再次归一化的数据按照幅度A0＝0，0＜A0＜1/2，A0＞1/2分为小幅度、中幅度和大幅度采取不同的处理方法，小幅度时控制载波输出为0，大幅度时线性衰减至中幅度，以中幅度的处理方法，控制调制指数在 。这种处理方法可以在保证音质的同时，避免无输入音频信号时，指向性声源却一直输出载波激励换能器阵列的情况，提高了系统效率，减少了换能器阵列的发热，降低了对换能器制作材料及工艺的耐热要求，从而降低了成本；4、单极性音频输出处理为了后续处理中开平方运算的方便，固定指向性声源系统中超声载波电平，自适应的调整音频输入信号以达到最佳调制和高品质音质系统的输出通过施加一 直流分量的方法，将双极性音频输出转化为单极性音频输出。
上述载波调制预处理可采用下述方法1、对A/D转换并输入归一化的数据取绝对值，获取幅度值。
2、通过当前数据帧内的数据幅度值比较大小获取当前数据帧的峰值。
3、当前数据帧内的数据实时以上一数据帧的峰值为标准进行归一化输出，即当前数据除以上一数据帧的峰值作为新的输出数据。
4、上述步骤3中输出数据乘以1/2，满足调制指数为1/2。
5、峰值更新，当前数据帧的峰值保存，准备下一帧数据处理，即下一数据帧作为当前数据帧，当前数据帧作为上一数据帧重复1、2、3、4的处理步骤。
本发明的有益效果是该方法在普通音频信号普遍为短时平稳信号的条件下，以上一数据帧的峰值作为当前数据帧归一化的标准，避免了延迟估计方法中普遍采用的人为加入延时以保证输入信号与系统获取的当前数据帧峰值作为载波修正量同步所造成的非实时信号处理的缺点，能够实时处理输入信号，无需额外延时，同时在载波已知的情况下，更容易获得最优的调制指数，抑制再生声波的谐波成分，保证音质，且算法简单，易于工程实现。
图1是本发明所述方法的原理示意图；图2是载波调制预处理原理示意图；图3是带有自适应信号幅度控制系统的开平方预处理的指向性声源应用实例示意图。
具体实施例方式
为了易于理解本发明专利，下面将对发明内容进行具体有针对性的说明，发明内容实施的具体化并不代表本发明涉及的范围缩小，对本文中说明的发明原理的修改以及对本文中说明的发明原理的任何其他应用，都被认为在本发明的范围之内，本发明的范围由被准许的权利要求限定，而不受本文对发明内容具体实施方式
说明的限制。
如图1所示，用于指向性声源的自适应信号幅度控制的实现按照下列步骤进行1输入归一化，用于将输入音频信号A/D转换后的数字量转化为+1～-1的范围，便于后续的信号处理。
2载波调制预处理，输入归一化的数据在其数据帧内比较幅度大小，最大的做为其数据帧的峰值，处于当前数据帧的数据在比较大小确定峰值的同时，以上一数据帧的峰值作为归一化的标准，进行再次归一化并作为输出，实现载波调制预处理。由于数据是在再次归一化输出的同时进行大小比较确定峰值，因此在预处理过程中没有引入延时环节，实现了数据的实时处理。
3幅度分级处理，将再次归一化的数据按照幅度A0＝0，0＜A0＜1/2，A0＞1/2分为小幅度、中幅度和大幅度采取不同的处理方法，小幅度时控制载波输出为0，大幅度时线性衰减至中幅度，以中幅度的处理方法，控制调制指数在 。这种处理方法可以在保证音质的同时，避免无输入音频信号时，指向性声源却一直输出载波激励换能器阵列的情况，提高了系统效率，减少了换能器阵列的发热，降低了对换能器制作材料及工艺的耐热要求，从而降低了成本。
4单极性音频输出处理，为了后续处理中开平方运算的方便，固定指向性声源系统中超声载波电平，自适应的调整音频输入信号以达到最佳调制和高品质音质系统的输出通过施加一 直流分量的方法，将双极性音频输出转化为单极性音频输出。
每个步骤的具体实现如下输入归一化根据A/D转换器的位数(n)，2n-1即为归一化的比较标准。例如为14位的A/D转换器，2n-1＝8192则归一化的标准为8192。假设当前输入信号为VIN＝3V，该A/D转换器的输入范围为V+＝5V～V-＝-5V，那么该信号归一化后的数据为(VINV+×2n-1)/2n-1=(3V5V×214-1)/214-1=0.6]]>
载波调制预处理载波调制预处理的过程示意图如附图2所示，输入数据x(n)，已归一化为±1的范围，经过以下三方面的处理。
1x(n)经过取绝对值环节，获得|x(n)|，即x(n)的幅度。temppeak＝previouspeak其中temppeak初始值为0。|x(n)|与temppeak比较大小，若|x(n)|＞temppeak，则temppeak＝|x(n)|；若|x(n)|≤temppeak，则temppeak不变。n＝0，1，2……N-1，N为数据帧的长度。将temppeak保存至currentpeak，作为当前数据帧的峰值。当前数据帧处理完毕，previouspeak＝currentpeak，即当前数据帧的峰值赋值给上一数据帧的峰值，接下来的数据帧作为当前数据帧，重复上述的过程，开始新一帧数据的处理。其中temppeak为临时峰值存储；currentpeak为当前数据帧峰值，对应于图2中的p0；previouspeak为上一数据帧峰值，对应于图2中的p1。
2在进行1中处理的同时，x(n)进行过调制归一化的处理过程。特别强调的是1、2的处理是同时进行的，这是区别于其它类似方法的显著特点。即x(n)在进行峰值获取的同时，进行了过调制归一化的处理，处理是实时的。
过调制归一化的基本原理为以输入音频信号的N个采样数据为一帧数据，即x(n)，n＝0，1，2……N-1。则有x(n+N)，n＝0，1，2……N-1为紧接x(n)的数据帧。以x(n)，n＝0，1，2……N-1，作为当前数据帧，则x(n+N)，n＝0，1，2……N-1为上一数据帧。
currentpeak＝|x(n)|maxn＝0，1，2……N-1previouspeak＝|x(n+N)|maxn＝0，1，2……N-1x(n)previouspeak=x0(n)]]>n＝0，1，2……N-1x0(n)即为过调制归一化后的输出。常见音频信号为短时平稳信号，以该信号上一数据帧的峰值为标准对当前数据帧进行归一化，即以能够获得较好调制参数的前一段信号幅度的最大值为单位1，当前段信号以其为标准归一化到±1的范围，显而易见当前段信号也能获得较好的调制。
3为了保证调制指数m≤12,]]>out0(n)=12×x0(n).]]>幅度分级处理若|x0(n)|max＝0，则采取小幅度处理，控制单位载波幅度C0＝0；若０＜|x0(n)|max＜1，则采取中幅度处理，控制单位载波幅度C0＝1；若|x0(n)|max≥1，则采取大幅度处理，按照调制指数为 线性衰减至0＜|x0(n)|max＜1，控制单位载波幅度C0＝1。其中n＝0，1，2……N-1。
单极性音频处理施加一 的直流量将归一化的双极性音频信号转化为单极性音频输出信号，即sout(n)=out1(n)+12.]]>图3所示的为本发明在采用开平方预处理方法的指向性声源中的应用实例示意图，其具体实现方法如下音频输入信号经过自适应信号幅度控制，按照上述的具体步骤实现载波的调制预处理；低通滤波用于自适应信号幅度控制处理后D/A转换器输出的低通滤波；开平方是为了补偿空气自解调模型中的平方环节，即采用预失真信号来补偿空气自解调模型中平方环节带来的信号畸变，达到降低失真的目的；40KHz载波为40KHz幅度范围为±1的正弦波，通过乘法器实现信号对载波的幅度调制；功放用于指向性声源输出信号的功率放大，要求其正常工作频率范围涵盖40KHz；换能器阵列采用单个换能器紧密排列而成，用于发射调制超声波，调制超声波在空气中进行自解调，便形成具有方向性的声波。
权利要求
1.用于指向性声源的自适应信号幅度控制方法，其特征在于包括下述步骤(1)输入归一化输入音频信号经A/D采集的数字量转化为+1～-1的范围；(2)载波调制预处理在调制超声载波之前对1中归一化的数据进行预处理，其原理为响应不断变化的音频输入数据，固定超声载波电平，自适应调整调制指数，以达到最佳调制；(3)幅度分级处理将再次归一化的数据按照幅度A0＝0，0＜A0＜1/2，A0＞1/2分为小幅度、中幅度和大幅度采取不同的处理方法，小幅度时控制载波输出为0，大幅度时线性衰减至中幅度，以中幅度的处理方法，控制调制指数在 (4)单极性音频输出处理，通过施加一1/2的直流量将归一化的双极性音频信号转化为单极性音频输信号。
2.根据权利要求1所述的用于指向性声源的自适应信号幅度控制方法，其特征在于所述载波调制预处理可采用以下步骤实现(1)对A/D转换并输入归一化的数据取绝对值，获取幅度值；(2)通过当前数据帧内的数据幅度值比较大小获取当前数据帧的峰值。(3)对当前数据帧内的数据以上一数据帧的峰值为标准进行实时归一化处理，即当前数据除以上一数据帧的峰值作为新的输出数据。(4)上述(3)中输出数据乘以1/2，满足最佳调制指数为1/2。(5)峰值更新，保存当前数据帧的峰值，准备下一帧数据处理。(6)重复1、2、3、4的处理步骤。
全文摘要
本发明公开一种用于指向性声源的自适应信号幅度控制方法，该方法包括输入归一化、载波调制预处理、幅度分级处理和单极性音频输出处理等步骤，在普通音频信号普遍为短时平稳信号的条件下，以上一数据帧的峰值作为当前数据帧归一化的标准，避免了延迟估计方法中普遍采用的人为加入延时以保证输入信号与系统获取的当前数据帧峰值作为载波修正量同步所造成的非实时信号处理的缺点，能够实时处理输入信号，无需额外延时，且算法简单，易于工程实现。
文档编号H03G3/20GK1964185SQ200610070580
公开日2007年5月16日 申请日期2006年12月5日 优先权日2006年12月5日
发明者赵洪亮, 朱海生, 郑卫华, 张丽丽, 王亮 申请人:山东科技大学