一种使用单麦实现混响消除及啸叫抑制的音频系统的制作方法

本发明涉及音频采集及处理技术领域，具体为一种使用单麦实现混响消除及啸叫抑制的音频系统。

背景技术：

啸叫与混响是指一种扩声系统中普遍存在的电声现象，往往给整个系统带来巨大的干扰，导致系统性能下降，在严重的极端情况下，甚至可能导致系统不可使用，从而极度影响到用户的使用体验。所以一种可以及时的抑制系统啸叫并去除混响的稳定闭环算法是此系统中不可缺失的一环。现行系统中大家普遍在使用的方法如：移频法(fs,frequencyshifting)和移相法(pm，phasemodulation)、增益降低法(nhs，notch-filter-basedcancellation)，这些经典的啸叫抑制算法都会带来不可避免的音质损伤和音色改变，从而达不到很高的还原度与放大效果。为此，我们提出一种使用单麦实现混响消除及啸叫抑制的音频系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种使用单麦实现混响消除及啸叫抑制的音频系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种使用单麦实现混响消除及啸叫抑制的音频系统，包括麦克风，所述麦克风的输出端电性连接语音采集模块的输入端，所述语音采集模块的输出端电性连接自动增益控制模块的输入端，所述自动增益控制模块的输出端电性连接dsp运算模块的输入端，所述dsp运算模块的输出端电性连接功放模块的输入端，所述功放模块的输出端电性连接喇叭的输入端；

通过所述麦克风和所述语音采集模块实现对音频信号的采集，并将采集的音频信号传输至所述自动增益控制模块，通过所述自动增益控制模块对音频信号进行自动增益控制，然后将音频信号传输至所述dsp运算模块，通过dsp运算模块内的优化的算法实现噪音检测、啸叫抑制及混响消除操作，然后送入所述功放模块后，经所述喇叭放大输出。

优选的，所述喇叭采用8欧姆定阻喇叭。

优选的，所述dsp运算模块内置有基于filtered-x优化的啸叫抑制算法以及基于倒频法实现的混响抑制算法，且dsp运算模块还包含了音频处理中必备的逻辑单元及外围辅助电路。

优选的，所述基于filtered-x优化的啸叫抑制算法为：使用fir滤波器后，把音频处理dsp模块等效开来，则fir滤波器输出信号y(n)为：其中，w1(n)作用于系统的反馈环节，是实时变化的，且通过自适应算法更新，自适应滤波器通过更新系数,来使某个预定的性能指标达到最佳。

优选的，所述基于倒频法实现的混响抑制算法为：采用低通滤波器的低时窗滤波滤除相应的混响部分，然后再通过逆向操作，获得混响受到减弱之后的声源信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该发明提出的一种使用单麦实现混响消除及啸叫抑制的音频系统，使用一种改良后的啸叫抑制及混响消除算法，并结合软硬件算法，采用的算法基于filtered-x，并融合改良过的倒频法去除混响，可以使声音在经过处理之后，以较高的音质还原度去放大，从而达到所需的效果，实现高音质扩声并可防止啸叫与混响。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明8欧姆定阻喇叭动态响应图谱；

图3为本发明声反馈回路流程图；

图4为本发明基于filtered-x优化的啸叫抑制算法系统图；

图5为本发明基于倒频法实现的混响抑制算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种使用单麦实现混响消除及啸叫抑制的音频系统，包括麦克风，所述麦克风的输出端电性连接语音采集模块的输入端，所述语音采集模块的输出端电性连接自动增益控制模块的输入端，所述自动增益控制模块的输出端电性连接dsp运算模块的输入端，所述dsp运算模块的输出端电性连接功放模块的输入端，所述功放模块的输出端电性连接喇叭的输入端；

通过所述麦克风和所述语音采集模块实现对音频信号的采集，并将采集的音频信号传输至所述自动增益控制模块，通过所述自动增益控制模块对音频信号进行自动增益控制，然后将音频信号传输至所述dsp运算模块，通过dsp运算模块内的优化的算法实现噪音检测、啸叫抑制及混响消除操作，然后送入所述功放模块后，经所述喇叭放大输出。

其中，所述喇叭采用8欧姆定阻喇叭，所述dsp运算模块内置有基于filtered-x优化的啸叫抑制算法以及基于倒频法实现的混响抑制算法，且dsp运算模块还包含了音频处理中必备的逻辑单元及外围辅助电路，所述基于filtered-x优化的啸叫抑制算法为：使用fir滤波器后，把音频处理dsp模块等效开来，则fir滤波器输出信号y(n)为：其中，w1(n)作用于系统的反馈环节，是实时变化的，且通过自适应算法更新，自适应滤波器通过更新系数,来使某个预定的性能指标达到最佳，所述基于倒频法实现的混响抑制算法为：采用低通滤波器的低时窗滤波滤除相应的混响部分，然后再通过逆向操作，获得混响受到减弱之后的声源信号

将该系统应用于教室中，将麦克风吊在讲台前方，距离屋顶80里面左右，麦克风的最大半径为8米，将一对喇叭悬挂于教室后部三分之一处，喇叭采用8欧姆定阻喇叭，其适当的削弱了对低频及高频部分的动态响应灵敏度，其动态响应图谱参阅图2。

通过麦克风对音频信号的采集，并将采集的音频信号传输至自动增益控制模块，通过自动增益控制模块对音频信号进行自动增益控制，然后将音频信号传输至dsp运算模块，通过dsp运算模块内的优化的算法实现噪音检测、啸叫抑制及混响消除操作，然后送入功放模块后，经喇叭放大输出，dsp运算模块内置有基于filtered-x优化的啸叫抑制算法以及基于倒频法实现的混响抑制算法。

上述两种算法依次展开如下：

基于filtered-x优化的啸叫抑制算法：

参阅图3，图2出示了反馈回路流程图，其中：x(n)是系统原始输入信号；d(n)是反馈信号；u(n)是前向路径的输入信号；f(z)是扬声器到麦克风之间的声音反馈路径；g(z)为音频处理dsp模块；y(n)为系统输出信号。

使用fir滤波器后，把g(z)部分等效展开(参阅图4)，其中，滤波器输出信号y(n)为：其中，是实时变化的，且通过自适应算法更新，自适应滤波器通过更新系数,来使某个预定的性能指标达到最佳，由此可以看出整个滤波器的性能指标主要在于自适应算法的设计，w1(n)作用于系统的反馈环节，更新的越快则系统的收敛速度就越高，优化w1(n)可以对整个系统带来最大收益，相比于从最小均方差着手实现的一些w1(n)函数，本文针对应用场景为70到200平米教室的特点及使用空间内的物体拜访及墙面特征等通用共性，深度优化算法，经大量实验得出优化后的w1(n)参数表达式，在收敛性和运算质量及系统的表现上来表征，明显优于现在的算法。

基于倒频法实现的混响抑制算法：

混响因其起源于声音由周围物体一次或多次反射后到达接收点，是房间冲击响应与声源发出声音的卷积，所以去混响技术要从接收端减轻或消除混响声对原信号的影响，处理流程参阅图5。

在图5中：x(n)为混响信号，s(n)为去除混响之后的清洁语音信号，y(n)为混响处理后的语音信号，即s(n)的估计，该基于倒频法实现的混响抑制算法针对语音和房间的冲击响应容易分离的特征情况进行处理，采用低通滤波器的低时窗滤波滤除相应的混响部分，然后再通过逆向操作，获得混响受到减弱之后的声源信号。

该部分的关键点在于分帧和优化倒频谱的技术方法，使之可以在嵌入式系统中较为快速的运行，从而降低因技术带来的整体系统延迟。

分帧：帧长的选择于系统的运算量和实时性将直接相关，帧长过小会导致s(n)不够精准，过长又会使得运算复杂度太高而使系统产生较大延迟，针对具体应用场景及实际情况并结合嵌入式系统所采用dsp的运算能力，我们将帧长锁定在512点，经实验论证该点数可以使系统的收益达到最高值。

倒频谱运算：针对嵌入式系统的计算能力及系统的实时性要求，把倒频法中使用的公式进行简化及优化操作，可以使得运算的复杂度大幅度降低，从而使系统的时效性大大提高。

ca(t)＝|f^-1{log[sn(f)]}|

针对公式中的对数部分及其它浮点型运算量大的问题，很多关键时间节点上，通过采用cp协处理器加速，甚至通过在优先域使用查表去替代运算的方式，以空间换取时间来优化速度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。