音频处理装置及方法
【专利摘要】本发明涉及音频处理领域，公开一种音频处理装置，用于在高背景噪音以及较小空间内的语音音频采集，包括电源、音频输入装置、MCU装置以及通信装置，还公开了一种应用上述音频处理装置所得到的音频处理方法。本发明的优点在于，是用于空间相对较为宽敞的室内环境的音频采集，尤其适应于会议室和法庭，采集得到的音频音质好，声音锐度高，适用于需要通过音频分析进行语音控制的场合，具有较好的应用价值。
【专利说明】音频处理装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及音频处理领域，特别涉及一种音频处理装置以及音频处理方法。
【背景技术】
[0002]音频处理是指音频处理器，又称为数字处理器。数字处理器就是对数字信号的处理，其内部的结构普遍是由输入部分和输出部分组成。其中属于音频处理部分的功能一般如下:输入部分一般会包括，输入增益控制(INPUTGAIN),输入均衡(若干段参数均衡)调节(INPUT EQ)，输音频处理器DA206音频处理器DA206入端延时调节(INPUT DELAY)，输入极性(也就是大家说的相位)转换(input polarity)等功能。而输出部分一般有信号输入分配路由选择(ROUNT)，高通滤波器(HPF)，低通滤波器(LPF)，均衡器(0UTPUTEQ)，极性(polarity)，增益(GAIN)，延时(DELAY)，限幅器启动电平(UMIT)等功能。
[0003]现有技术中，受设备限制，只是能够进行单纯的混音和点对点的音频输入和输出，给用户的选择余地太小，功能单一，适用范围小。由此，有必要研制一种具有更多音频处理功能的音频设备。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术中音频设备功能单一的缺点，提供了一种音频处理装置以及音频处理方法，可以通过对多路并行的音频输入输出进行同步采集和处理，达到提高音频处理质量的目的。
[0005]为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案:
[0006]音频处理装置，用于在高背景噪音以及较小空间内的语音音频采集，包括电源、音频输入装置、MCU装置以及通信装置；其中，
[0007]所述电源用于对所述音频输入装置、MCU装置以及通信装置提供电力；
[0008]所述音频输入装置包括至少2路的音频输入，还包括可以对音频信号进行独立地调节的数字电位器以及对信号进行放大的第一运算放大器；
[0009]所述MCU装置包括M⑶以及掉电存储芯片，所述MCU用于处理音频信号的输入和输出，所述掉电存储芯片用于保存设置参数，并通过与上位机进行通讯获得预设参数；
[0010]所述通信装置包括至少2种的串口通信接口，分别用于主控计算机或者其他上位机与所述音频处理装置之间的通信控制，以及所述音频处理装置之间的通信。
[0011]于本发明的实施例中，还包括音频输出装置，所述音频输出装置包括至少2路的音频输出，所述音频输出还包括一个四路模拟开关芯片控制装置以及第二运算放大器，所述四路模拟开关芯片控制装置用于通过MCU控制模拟开源从而达到选择输入源的目的；所述第二运算放大器用于对所述音频输出所输出的音频进行再次的放大。
[0012]于本发明的实施例中，还包括音频信号处理装置，所述音频信号处理装置用于对所述音频输入装置所输入的音频信号进行处理，包括嘯叫抑制装置以及回升消除装置；所述嘯叫抑制装置用于抑制包括由反馈引起的嘯叫以及本地噪音；所述回声消除模块用于防止输出的音频信号重新进入所述音频输入装置的回声干扰。
[0013]于本发明的实施例中，所述音频输出装置还包括以下的步骤:由音频输出装置所输出的音频信号在MCU装置的控制下，输出至扩音器或者保存至位于网络上的远端服务器。
[0014]应用上述的音频处理装置的音频处理方法，包括以下具体步骤:
[0015]音频输入步骤:使用数字电位器分别对由音频输入导入的音频信号进行独立地调节；使用第一运算放大器对调节后的音频信号进行放大；
[0016]MCU控制步骤:使用MCU处理音频信号的输入和输出，使用掉点存储芯片保存设置参数，并通过与上位机进行通讯获得预设参数；
[0017]通信步骤:分别使用不同的串口通信接口控制主控计算机或者其他上位机与所述音频处理装置之间的通信，以及所述音频处理装置之间的通信。
[0018]于本发明的实施例中，还包括音频输出步骤:所述四路模拟开关芯片控制装置通过MCU控制模拟开源从而达到选择输入源的目的；通过所述第二运算放大器对所述音频输出所输出的音频进行再次的放大。
[0019]于本发明的实施例中，还包括音频信号处理步骤:对所述音频输入装置所输入的音频信号进行处理，包括使用所述嘯叫抑制装置抑制包括由反馈引起的嘯叫以及本地噪音，以及使用所述回声消除模块防止输出的音频信号重新进入所述音频输入装置的回声干扰。
[0020]本发明具有以下的显著技术效果:
[0021]利用嵌入式处理器进行控制，多媒体输入和话筒输入分别单独控制，加入RS485接口，实现音频处理矩阵之间的级联；加入RS232，实现主控与音频处理矩阵之间的通信。多路输入输出，多样输入输出，能满足多种场合和要求；多个音频矩阵直接能够级联；可以通过上位机实现其他设备控制
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为音频处理装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0024]实施例1
[0025]音频处理装置，如图1所示，用于在高背景噪音以及较小空间内的语音音频采集，包括电源、音频输入装置10UMCU装置102以及通信装置103 ;其中，
[0026]所述电源用于对所述音频输入装置101、MCU装置102以及通信装置103提供电力，主要是对进来的电源进行转换，以满足系统各个部分的电压要求，采用DC-DC转换芯片，提高了转换效率，降低了发热量，保证了系统的稳定。
[0027]所述音频输入装置101包括至少2路的音频输入，还包括可以对音频信号进行独立地调节的数字电位器以及对信号进行放大的第一运算放大器。音频输入部分共包括独立的16路音频输入。这16路音频输入又可分为外12路平衡输入以及4路非平衡输入。12路平衡输入的每一路输入支持语音激励功能，其中8路支持单路话筒输入，单路分别捆绑语音激励指令；另外4路分别支持双话筒输入，每两路捆绑一个语音激励指令。4路非平衡输入都支持混音输入，每一路的输入音量都可以调节。音频输入部分利用了运算放大器对信号进行放大，MCU可以通过控制数字电位器进行独立调节每一路的音量。所述数字电位器对音频信号的独立调节包括独立地分析音频信号，采用自动增益控制的方法，所述自动增益控制为一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路的基本部件是自动增益控制检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。放大电路的输出信号uO经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益受控放大器的电压UC。当输入信号ui增大时，uO和UC亦随之增大。UC增大使放大电路的增益下降，从而使输出信号的变化量显著小于输入信号的变化量，达到自动增益控制的目的。放大电路增益的控制方法有:①改变晶体管的直流工作状态，以改变晶体管的电流放大系数β。②在放大器各级间插入电控衰减器。③用电控可变电阻作放大器负载等。自动增益控制电路广泛用于各种接收机、录音机和测量仪器中，它常被用来使系统的输出电平保持在一定范围内，因而也称自动电平控制；用于话音放大器或收音机时，称为自动音量控制。自动增益控制电路包括两种控制方式:一种是利用增加AGC电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小AGC电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC.正向AGC控制能力强，所需控制功率大被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范围也小。
[0028]所述MCU装置102包括MCU以及掉电存储芯片，所述MCUMCU采用了意法半导体的stm32系列处理器，能够满足整个音频处理矩阵的要求，用于处理音频信号的输入和输出，所述处理包括对输入的处理以及对输出的处理，所述对输入的处理是指MCU装置102在分频的基础上，通过间歇性采样的方法将整段的声音分割为可以描述声波的样本，判断预设参数中的混音标志是否为真，然后对样本进行混音操作，所述输出的处理包括，通过多路音频输出样本，异步地将指向样本的指针保存至MCU装置的通过多路音频同时输出，或者异步地将样本保存至远端的服务器，所述异步是指非同步地进行数据的传输，所述掉电存储芯片用于保存设置参数，并通过与上位机进行通讯获得预设参数。
[0029]所述通信装置103包括至少2种的串口通信接口，分别用于主控计算机或者其他上位机与所述音频处理装置之间的通信控制，以及所述音频处理装置之间的通信。所述通信控制包括对各主计算机之间、主计算机与远程数据终端之间，以及各远程数据终端之间的数据传输和交换进行控制的装置。不同功能的通信控制处理机能把多台主计算机、通信线路和很多用户终端连接成计算机通信网，使这些用户能同时使用网中的计算机，共享资源。通信控制处理机通信控制处理机通信控制处理机能用各种通信协议和接口约定保证数据和信息正确有效地发送、传输、接收和处理；使主计算机或用户终端都便于灵活地接入计算机通信网络，不需要为此而修改网络设计、计算机设计和用户终端设计；使主计算机解除网络控制任务，有更多的时间去执行主要的处理工作。把通信处理功能从主计算机的信息处理中分离出来，使主计算机免于改变终端类型、线路类型、传输方式和网络协议等。其基本功能是:①线路控制:控制通信线路的通断、线路端接设备如调制解码器的接口、监视线路状态等。②终端控制:终端的选择、接通和释放，编码的转换等。③组织多路通信:把同时来自各条通信线路的数据正确传送给计算机；把来自计算机的数据分配给相应的通信线路。④字符的组合和分解:把来自通信线路的串行码装配组合成并行码送给计算机；把来自计算机的并行码分解成串行码送给通信线路。⑤传输控制:执行通信规程，即网络结点功能的数据链路层协议。这一规程规定单一链路上两相邻结点间进行数据传输的规则，包括数据编码、同步方式、信息格式、操作步骤等。⑥传输速度的调节和数据缓冲:通信线路上的数据传输率一般低于计算机的输入输出传输率，有多条通信线路时需要设置缓冲器以调节速度。⑦文电处理:文电的自动编号、组合汇集、分析编辑、交换记录、错误诊断等。⑧差错处理:采用有效的误差检测和校正方法，发现和纠正通信线路上发生的差错，用差错恢复程序、复执等措施控制其余各种差错。
[0030]音频处理装置还包括音频输出装置104，所述音频输出装置104包括至少2路的音频输出，所述音频输出还包括一个四路模拟开关芯片控制装置以及第二运算放大器，所述四路模拟开关芯片控制装置用来作为一个模拟开关，或作为一个低延时的总线开关。在300MHz的高带宽性能支持高频率的应用。突破前两个部分消除功能从防止切换过程中信号中断两个开关同时被启用，用于通过MCU控制模拟开源从而达到选择输入源的目的；所述第二运算放大器用于对所述音频输出所输出的音频进行再次的放大。所述音频输出装置104还包括以下的步骤:由音频输出装置104所输出的音频信号在MCU装置102的控制下，输出至扩音器或者保存至位于网络上的远端服务器。
[0031]音频处理装置还包括音频信号处理装置105，所述音频信号处理装置105用于对所述音频输入装置101所输入的音频信号进行处理，包括嘯叫抑制装置以及回升消除装置；所述嘯叫抑制装置用于抑制包括由反馈引起的嘯叫以及本地噪音，当反馈回来的声音和原始声音同时压缩或扩张了该点空气，我们称反馈声与原始声相位“同相”，该点声音增大；相反，如果一个声音压缩该点空气的同时另一个声音却扩张了该点的空气，我们称这两个声音相位“反相”，该点声音减弱。可见当原始声和反馈声或直达声和反射声在空中相遇后到底使音量增大了呢、还是减小了呢，这与其之间的相位紧密相关。移相器正是基于通过改变输入信号的相位来破坏房间峰点和嘯叫的累积建立过程，从而破坏构成声反馈条件；所述回声消除模块用于防止输出的音频信号重新进入所述音频输入装置101的回声干扰。回声消除模块持续地对输入信号进行处理。根据每个新的采样数据来更新H暂存器。这个新的采样数据会被分配到一个权重weight，此权重会决定它与暂存器中既存的数据何者较为重要。此权重通常被称为自适应增益adaptation gain、步长大小step size或遗忘因子forgetting factor。在通话一开始时或回音路径改变后,此增益值应该会较大,其目的是要让暂存器快速地逼近当下的回音路径。在暂存器快速地逼近当下的回音路径的第一个收敛时段PO中，其暂存器中包含的误差应该是最小的，因为在Sin信号中存在最少的噪音量。由于相似的理由，在中间收敛时段Pl中，其暂存器包含的误差应该是最大的，因为它存在最大的噪音量。最后一个时段P2的误差应该是介于两者之间。显然地，一个好的自适应滤波器应该选择由时段PO所产生的暂存器，只要它完成了在第1024个取样后就立即用于线上处理；SP1时段产生的暂存器则应该被捨弃，因为在Pl时段中因噪音而形成很大的误差；最后，由Ρ2时段产生H暂存器，其幅度与自PO时段后即被采用的线上暂存器有很大的差异，因此它应该取代线上暂存器以反应出迴音路径的改变。
[0032]本实施例还包括了一种应用上述的音频处理装置的音频处理方法，包括以下具体步骤:[0033]音频输入步骤:使用数字电位器分别对由音频输入导入的音频信号进行独立地调节；使用第一运算放大器对调节后的音频信号进行放大。
[0034]MCU控制步骤:使用MCU处理音频信号的输入和输出，使用掉点存储芯片保存设置参数，并通过与上位机进行通讯获得预设参数。
[0035]通信步骤:分别使用不同的串口通信接口控制主控计算机或者其他上位机与所述音频处理装置之间的通信，以及所述音频处理装置之间的通信。
[0036]根据权利要求4所述的音频处理装置，其特征在于，还包括音频输出步骤:所述四路模拟开关芯片控制装置通过MCU控制模拟开源从而达到选择输入源的目的；通过所述第二运算放大器对所述音频输出所输出的音频进行再次的放大。
[0037]根据权利要求4所述的音频处理装置，其特征在于，还包括音频信号处理步骤:对所述音频输入装置101所输入的音频信号进行处理，包括使用所述嘯叫抑制装置抑制包括由反馈引起的嘯叫以及本地噪音，以及使用所述回声消除模块防止输出的音频信号重新进入所述音频输入装置101的回声干扰。
[0038]总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
【权利要求】
1.一种音频处理装置，其特征在于，用于在高背景噪音以及较小空间内的语音音频采集，包括电源、音频输入装置(101)、MCU装置(102)以及通信装置(103);其中， 所述电源用于对所述音频输入装置(101 )、MCU装置(102)以及通信装置(103)提供电力； 所述音频输入装置(101)包括至少2路的音频输入，还包括可以对音频信号进行独立地调节的数字电位器以及对信号进行放大的第一运算放大器； 所述MCU装置(102)包括MCU以及掉电存储芯片，所述MCU用于处理音频信号的输入和输出，所述掉电存储芯片用于保存设置参数，并通过与上位机进行通讯获得预设参数； 所述通信装置(103)包括至少2种的串口通信接口，分别用于主控计算机或者其他上位机与所述音频处理装置之间的通信控制，以及所述音频处理装置之间的通信。
2.根据权利要求1所述的音频处理装置，其特征在于，还包括音频输出装置(104)，所述音频输出装置(104)包括至少2路的音频输出，所述音频输出还包括一个四路模拟开关芯片控制装置以及第二运算放大器，所述四路模拟开关芯片控制装置用于通过MCU控制模拟开源从而达到选择输入源的目的；所述第二运算放大器用于对所述音频输出所输出的音频进行再次的放大。
3.根据权利要求2所述的音频处理装置，其特征在于，所述音频输出装置(104)还包括以下的步骤:由音频输出装置(104)所输出的音频信号在MCU装置(102)的控制下，输出至扩音器或者保存至位于网络上的远端服务器。
4.根据权利要求1所述的音频处理装置，其特征在于，还包括音频信号处理装置(105)，所述音频信号处理装置(105)用于对所述音频输入装置(101)所输入的音频信号进行处理，包括嘯叫抑制装置以及回升消除装置；所述嘯叫抑制装置用于抑制包括由反馈引起的嘯叫以及本地噪音；所述回声消除模块用于防止输出的音频信号重新进入所述音频输入装置(101)的回声干扰。
5.一种应用权利要求1-4所述的音频处理装置的音频处理方法，其特征在于，包括以下具体步骤: 音频输入步骤:使用数字电位器分别对由音频输入导入的音频信号进行独立地调节；使用第一运算放大器对调节后的音频信号进行放大； MCU控制步骤:使用MCU处理音频信号的输入和输出，使用掉点存储芯片保存设置参数，并通过与上位机进行通讯获得预设参数； 通信步骤:分别使用不同的串口通信接口控制主控计算机或者其他上位机与所述音频处理装置之间的通信，以及所述音频处理装置之间的通信。
6.根据权利要求5所述的音频处理装置，其特征在于，还包括音频输出步骤:所述四路模拟开关芯片控制装置通过MCU控制模拟开源从而达到选择输入源的目的；通过所述第二运算放大器对所述音频输出所输出的音频进行再次的放大。
7.根据权利要求5所述的音频处理装置，其特征在于，还包括音频信号处理步骤:对所述音频输入装置(101)所输入的音频信号进行处理，包括使用所述嘯叫抑制装置抑制包括由反馈引起的嘯叫以及本地噪音，以及使用所述回声消除模块防止输出的音频信号重新进入所述音频输入装置(101)的回声干扰。
【文档编号】H04R3/02GK103905958SQ201410161399
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】刘俊飙, 董芳, 丁大海, 李凯, 赵斌 申请人:杭州百控科技有限公司