提高扩声系统的输出音频信噪比的方法及智能扩声系统与流程

本发明涉及扩音技术领域，尤其涉及一种提高扩声系统的输出音频信噪比的方法及智能扩声系统。

背景技术：

目前，扩声系统中的音频接收器一般采用单声道的方式接收音频模拟信号；然后再经过模/数转换电路将音频模拟信号转换为音频电信号；接着再通过放大电路对接收的音频电信号进行放大；最后再将放大后的音频电信号通过扩声器的数/模转换电路转换为扩声音频模拟信号进行播放。然而，这样的扩声系统在接收到信号功率范围比较大的源音频信号后，在将源音频信号中的较小功率的音频信号放大的同时也将较大功率的音频信号放大了，大功率的音频电信号很容易将扩声系统中的扬声器硬件损坏；而且，得到的扩声音频电信号往往存在较大的总谐波失真，信噪比也比较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种用户提高扩声系统的输出音频信噪比的方法及智能扩声系统，能够通过拾音器的第一通路和第二通路的两个通路接收音频模拟信号，然后分别对所述第一通路音频模拟信号进行高增益放大，对所述第二通路音频模拟信号进行低增益放大；接着再进行模/数转换，得到对应的第一通路音频数字信号和第二通路音频数字信号；然后再判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值，如果所述第一通路音频数字信号的电压小于所述第一电压阈值时，则将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器，否则将第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。因此，可以将接收的源音频信号进行增益，获得高信噪比、低总谐波失真、且信号强度稳定的最终音频信号。

首先，为实现上述目的，本发明提供一种提高扩声系统的输出音频信噪比的方法，该方法应用于扩声系统，所述方法包括：

通过拾音器获取至少包括第一通路和第二通路的音频模拟信号；对所述第一通路音频模拟信号进行高增益放大，对所述第二通路音频模拟信号进行低增益放大；分别将放大后的第一通路音频模拟信号和放大后的第二通路音频模拟信号进行模/数转换，得到第一通路音频数字信号和第二通路音频数字信号；判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值；当所述第一通路音频数字信号的电压小于预设的第一电压阈值时，将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器；否则，将所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。

可选地，所述高增益放大包括高增益倍数m和动态增益h，所述低增益放大包括低增益倍数n和动态增益h，所述动态增益h的倍数设置为可调节状态，用于提供给用户自动进行动态范围调节。

可选地，所述高增益放大的高增益倍数m为所述扩声系统的主增益放大倍数与低谐波失真最佳放大倍数之和；其中，所述主增益放大倍数用于将所述扩声系统的所述拾音器和所述扬声器协调为0db的中性增益，所述低谐波失真最佳放大倍数用于将所述扩声系统的总谐波失真降低为最小值。

可选地，所述方法还包括步骤：获取拾音器的最大输入电压测量值以及扬声器的最大输出电压测量值，计算出扩声系统内部硬件的“电压损失”，其中，所述“电压损失”值为所述拾音器的最大输入电压测量值与所述扬声器的最大输出电压测量值的差值；将所述“电压损失”设定为所述扩声系统的主增益放大倍数。

可选地，在将所述第一通路音频数字信号或者所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扬声器之前，还包括步骤：对所述音频输出进行增益调节以及偏置调节。

可选地，在“将所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器”的步骤之后，还包括步骤：判断所述第一通路音频数字信号的电压是否小于预设的第二电压阈值；当所述第一通路音频数字信号的电压小于预设的第二电压阈值时，重新将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器；接着，继续判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值；当所述第一通路音频数字信号的电压小于所述第一电压阈值时，将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器；当所述第一通路音频数字信号的电压大于或者等于所述第一电压阈值时，将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种智能扩声系统，所述智能扩声系统包括：

拾音器，用于获取至少包括第一通路和第二通路的音频模拟信号；放大单元，用于对所述第一通路音频模拟信号进行高增益放大，对所述第二通路音频模拟信号进行低增益放大；模/数转换单元，用于分别将放大后的第一通路音频模拟信号和放大后的第二通路音频模拟信号进行模/数转换，得到第一通路音频数字信号和第二通路音频数字信号；数字音频处理器，用于判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值；以及当所述第一通路音频数字信号的电压小于预设的第一电压阈值时，将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器；否则，将所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。

可选地，所述放大单元包括高增益放大单元用于进行高增益放大，以及低增益放大单元用于进行低增益放大，所述高增益放大单元和所述低增益放大单元均为两级放大；其中：高增益放大包括高增益倍数m和动态增益h，低增益放大包括低增益倍数n和动态增益h，所述动态增益h的倍数设置为可调节状态，用于提供给用户自动进行动态范围调节。

可选地，所述高增益放大的高增益倍数m为所述扩声系统的主增益放大倍数与低谐波失真最佳放大倍数之和；其中，所述主增益放大倍数用于将所述扩声系统的所述拾音器和所述扬声器协调为0db的中性增益，所述低谐波失真最佳放大倍数用于将所述扩声系统的总谐波失真降低为最小值。

可选地，所述数字音频处理器还用于：判断所述第一通路音频数字信号的电压是否小于预设的第二电压阈值；当所述第一通路音频数字信号的电压小于预设的第二电压阈值时，重新将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器；接着，继续判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值；当所述第一通路音频数字信号的电压小于所述第一电压阈值时，将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器；当所述第一通路音频数字信号的电压大于或者等于所述第一电压阈值时，将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。

相较于现有技术，本发明所提出的提高扩声系统的输出音频信噪比的方法及智能扩声系统，能够通过拾音器的第一通路和第二通路的两个通路接收音频模拟信号，然后分别对所述第一通路音频模拟信号进行高增益放大，对所述第二通路音频模拟信号进行低增益放大；接着再进行模/数转换，得到对应的第一通路音频数字信号和第二通路音频数字信号；然后再判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值，如果所述第一通路音频数字信号的电压小于所述第一电压阈值时，则将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器，否则将第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。因此，可以将接收的源音频信号进行增益，获得高信噪比、低总谐波失真、且信号强度稳定的最终音频信号。

附图说明

图1是本发明智能扩声系统一可选的组织架构示意图；

图2是本发明智能扩声系统一实施例的第一通路音频电信号和第二通路音频电信号在不同放大倍数下的总谐波失真测试数据曲线图；

图3是本发明智能扩声系统另一实施例的电路模块示意图；

图4是本发明提高扩声系统的输出音频信噪比的方法一实施例的的流程示意图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参阅图1所示，是本发明智能扩声系统一可选的组织架构示意图。

本实施例中，所述智能扩声系统1可包括，但不仅限于，可通过无线网络、蓝牙，或者电力线等相互连接的拾音器10、放大单元20、模/数转换单元30、数字音频处理器40以及扬声器(图中未示出)；其中，所述放大单元20包括高增益放大单元21和低增益放大单元22。

所述拾音器10，用于获取至少包括第一通路和第二通路的音频模拟信号。

在本实施例中，所述拾音器10被设置为通过立体声通道进行外界音频模拟信号的接收，从而可以获取到至少两个通路的音频模拟信号。一般来说，这两个通路的音频模拟信号大致相同，都保留了源音频信号的音频数据。

所述放大单元20，用于对所述第一通路音频模拟信号进行高增益放大，对所述第二通路音频模拟信号进行低增益放大。

具体地，所述放大单元20包括高增益放大单元21，用于进行高增益放大，以及低增益放大单元22用于进行低增益放大，所述高增益放大单元21和所述低增益放大单元22均为两级放大，其中，高增益放大包括高增益倍数m和动态增益h，低增益放大包括低增益倍数n和动态增益h，所述动态增益h的倍数设置为可调节状态，用于提供给用户自动进行动态范围调节。

在本实施例中，所述高增益放大的高增益倍数m为所述扩声系统的主增益放大倍数与低谐波失真最佳放大倍数之和；其中，所述主增益放大倍数用于将所述扩声系统的所述拾音器和所述扬声器协调为0db的中性增益，所述低谐波失真最佳放大倍数用于将所述扩声系统的总谐波失真降低为最小值。

在本实施例中，音频设备一般都标注有额定参数，例如，拾音器会标注最大输入电压测量值，扬声器会标注最大输出电压测量值。拾音器的最大输入电压测量值，也就是将模拟音频信号转换为音频电信号后，能够输出的音频电信号的最大电压测量值；而扬声器的最大输出电压测量值就是扬声器将音频电信号转换为音频模拟信号的最大电压测量值。因此，所述“电压损失”就是所述拾音器的最大输入电压测量值与所述扬声器的最大输出电压测量值的差值。例如，当所述拾音器的最大输入电压测量值为28.5dbu，而所述扬声器的最大输出电压测量值的差值为18dbu时，那么所述“电压损失”就是28.5-18＝10.5dbu，也就是说，所述扩声系统存在10.5dbu的电压损失。因此，所述扩声系统的主增益倍数根据所述“电压损失”设定为10.5db，从而保证扩声系统从接收音频模拟信号到输出音频模拟信号，获得了0db的中性增益，而0db的中性增益，能够保证所述扩声系统保证一个较低的信噪比。

另外，音频设备中的除了常见的噪声问题之外，还有谐波失真问题。谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。音频中的谐波部分会叠加到原始信号波之上，从而导致原始信号波畸型、失真。

由于每个音频设备的硬件不一样，因此谐波失真的引发条件也不一样。在本实施例中，首先通过实际测量的方式，找出所述扩声系统在对音频电信号进行放大时，能够保持较小的谐波失真的增益范围；然后找出谐波失真由较小陡变为交大谐波失真时的放大增益倍数，作为低谐波失真最佳放大倍数。

参阅图2所示，是本发明智能扩声系统一实施例的第一通路音频电信号和第二通路音频电信号在不同放大倍数下的总谐波失真测试数据曲线图，其中，x轴表示放大倍数，y轴表示总谐波失真。图2的应用场景为：所述放大单元20中的高增益放大单元的放大倍数设置为10.5db，用于抵消扩声系统中的“电压损失”，保证0db中性输出；低增益放大单元的放大倍数设置为0db。从图3可以看出，经由高增益放大后的第一通路的音频数字信号在+9db放大之后总谐波失真会发生陡变，表现很大的失真量；而经由低增益放大后的第二通路的音频数字信号在20db之前都表现为较低的总谐波失真。因此，可以判断出所述扩声系统的低谐波失真最佳放大倍数为9db。也就是说，所述高增益放大单元的高增益放大为10.5db+9db＝19.5db。在本实施例中，只有在经由高增益放大的第一通路音频数字信号被判断为高出第一电压阈值时才会选择经由低增益放大的第二音频数字信号，因此，在本实施例中，所述低增益放大单元的低增益倍数n设置为0db。当然，在其他实施例中，所述低增益倍数n也可以设置为其他小于所述高增益倍数m的其他倍数。

所述模/数转换单元30，用于分别将放大后的第一通路音频模拟信号和放大后的第二通路音频模拟信号进行模/数转换，得到第一通路音频数字信号和第二通路音频数字信号。

所述数字音频处理器40，用于判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值；以及当所述第一通路音频数字信号的电压小于预设的第一电压阈值时，将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器；否则，将所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扬声器。

具体的，所述数字音频处理器40通过电压比较单元来判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值，其中，所述第一电压阈值是根据所述扬声器的额定电压设定的。例如，所述扬声器的额定电压为30v，那么所述第一电压阈值则设置为不大于该额定电压的电压值，比如25v。这样可以避免短时音频数字信号的电压值大于扬声器的额定电压，从而损坏扬声器的内部硬件。当然，所述数字音频处理器40中的电压比较单元可以比较出所述第一通路的音频数字信号的电压值大于所述第一电压阈值后，则触发控制音频输出端的开关从连接第一通路跳转为连接第二通路，从而将所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扬声器。

参阅图3所示，是本发明智能扩声系统另一实施例的电路模块示意图。

在本实施例中，所述数字音频处理器(图中未注明)还包括偏置调节和增益调节两部分。所述偏置调节用于对待床底到扬声器的音频输出进行相位上的调节，使得所述音频数字信号的电压波形的每个相位能够保持同步的增益放大倍数。所述增益调节用于将待传递到扬声器的音频输出进行电压增益，从而使得音频数字信号的电压与输出电压在数值上同步。

此外，所述数字音频处理器不仅能够判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值；以及当所述第一通路音频数字信号的电压小于预设的第一电压阈值时，将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器；否则，将所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。还能够判断所述第一通路音频数字信号的电压是否小于预设的第二电压阈值；并当所述第一通路音频数字信号的电压小于预设的第二电压阈值时，重新将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。具体的，图3所示的电压比较单元设置两个电压比较电路，一个电压比较电路用于在比较出所述第一通路的音频数字信号的电压强度大于第一阈值时，触发控制音频输出端的开关从连接第一通路跳转为连接第二通路，从而将所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扬声器；另一个电压比较电路则用于在比较出所述第一通路的音频数字信号的电压强度小于第二电压阈值时，触发控制音频输出端的开关从连接第二通路跳转为连接第一通路，从而将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扬声器。

从上文可知，所述智能扩声系统1能够通过拾音器的第一通路和第二通路的两个通路接收音频模拟信号，然后分别对所述第一通路音频模拟信号进行高增益放大，对所述第二通路音频模拟信号进行低增益放大；接着再进行模/数转换，得到对应的第一通路音频数字信号和第二通路音频数字信号；然后再判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值，如果所述第一通路音频数字信号的电压小于所述第一电压阈值时，则将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器，否则将第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。因此，可以将接收的源音频信号进行增益，获得高信噪比、低总谐波失真、且信号强度稳定的最终音频信号。

此外，本发明还提出一种提高扩声系统的输出音频信噪比的方法，所述方法应用于扩声系统。

参阅图4所示，是本发明提高扩声系统的输出音频信噪比的方法第一实施例的流程示意图。在本实施例中，根据不同的需求，图3所示的流程图中的步骤的执行顺序可以改变，某些步骤可以省略。

步骤s500，通过拾音器获取至少包括第一通路和第二通路的音频模拟信号。

在本实施例中，所述拾音器被设置为通过立体声通道进行外界音频模拟信号的接收，从而可以获取到至少两个通路的音频模拟信号。一般来说，这两个通路的音频模拟信号大致相同，都保留了源音频信号的音频数据。

步骤s502，对所述第一通路音频模拟信号进行高增益放大，对所述第二通路音频模拟信号进行低增益放大。

具体地，扩声系统的放大单元包括高增益放大单元，用于进行高增益放大，以及低增益放大单元用于进行低增益放大，所述高增益放大单元和所述低增益放大单元均为两级放大，其中，高增益放大包括高增益倍数m和动态增益h，低增益放大包括低增益倍数n和动态增益h，所述动态增益h的倍数设置为可调节状态，用于提供给用户自动进行动态范围调节。

在本实施例中，所述高增益放大的高增益倍数m为所述扩声系统的主增益放大倍数与低谐波失真最佳放大倍数之和；其中，所述主增益放大倍数用于将所述扩声系统的所述拾音器和所述扬声器协调为0db的中性增益，所述低谐波失真最佳放大倍数用于将所述扩声系统的总谐波失真降低为最小值。

在本实施例中，音频设备一般都标注有额定参数，例如，拾音器会标注最大输入电压测量值，扬声器会标注最大输出电压测量值。拾音器的最大输入电压测量值，也就是将模拟音频信号转换为音频电信号后，能够输出的音频电信号的最大电压测量值；而扬声器的最大输出电压测量值就是扬声器将音频电信号转换为音频模拟信号的最大电压测量值。因此，所述“电压损失”就是所述拾音器的最大输入电压测量值与所述扬声器的最大输出电压测量值的差值。例如，当所述拾音器的最大输入电压测量值为28.5dbu，而所述扬声器的最大输出电压测量值的差值为18dbu时，那么所述“电压损失”就是28.5-18＝10.5dbu，也就是说，所述扩声系统存在10.5dbu的电压损失。因此，所述扩声系统的主增益倍数根据所述“电压损失”设定为10.5db，从而保证扩声系统从接收音频模拟信号到输出音频模拟信号，获得了0db的中性增益，而0db的中性增益，能够保证所述扩声系统保证一个较低的信噪比。

另外，音频设备中的除了常见的噪声问题之外，还有谐波失真问题。谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。音频中的谐波部分会叠加到原始信号波之上，从而导致原始信号波畸型、失真。由于每个音频设备的硬件不一样，因此谐波失真的引发条件也不一样。在本实施例中，首先通过实际测量的方式，找出所述扩声系统在对音频电信号进行放大时，能够保持较小的谐波失真的增益范围；然后找出谐波失真由较小陡变为交大谐波失真时的放大增益倍数，作为低谐波失真最佳放大倍数。

因此，所述高增益放大单元的高增益倍数＝主增益倍数+低谐波失真最佳放大倍数。为在本实施例中，所述低增益放大单元的低增益倍数n设置为0db。当然，在其他实施例中，所述低增益倍数n也可以设置为其他小于所述高增益倍数m的其他倍数。

步骤s504，分别将放大后的第一通路音频模拟信号和放大后的第二通路音频模拟信号进行模/数转换，得到第一通路音频数字信号和第二通路音频数字信号。

步骤s506，判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值。

步骤s508，当所述第一通路音频数字信号的电压小于预设的第一电压阈值时，将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器；否则，将所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器

具体的，步骤s506通过电压比较单元来判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值，其中，所述第一电压阈值是根据所述扬声器的额定电压设定的。例如，所述扬声器的额定电压为30v，那么所述第一电压阈值则设置为不大于该额定电压的电压值，比如25v。这样可以避免短时音频数字信号的电压值大于扬声器的额定电压，从而损坏扬声器的内部硬件。步骤s508则在步骤s506比较出所述第一通路的音频数字信号的电压值大于所述第一电压阈值后，则触发控制音频输出端的开关从连接第一通路跳转为连接第二通路，从而将所述第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扬声器。否则，不触发音频输出端的开关跳转。

另外，在其他实施例中，所述提高扩声系统的输出音频信噪比的方法在步骤s508之前还包括对所述音频输出进行增益调节以及偏置调节的步骤。所述偏置调节用于对待床底到扬声器的音频输出进行相位上的调节，使得所述音频数字信号的电压波形的每个相位能够保持同步的增益放大倍数。所述增益调节用于将待传递到扬声器的音频输出进行电压增益，从而使得音频数字信号的电压与输出电压在数值上同步。

综上所述，本实施所提出的提高扩声系统的输出音频信噪比的方法能够通过拾音器的第一通路和第二通路的两个通路接收音频模拟信号，然后分别对所述第一通路音频模拟信号进行高增益放大，对所述第二通路音频模拟信号进行低增益放大；接着再进行模/数转换，得到对应的第一通路音频数字信号和第二通路音频数字信号；然后再判断所述第一通路音频数字信号的电压是否大于或者等于预设的第一电压阈值，如果所述第一通路音频数字信号的电压小于所述第一电压阈值时，则将所述第一通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器，否则将第二通路音频数字信号作为音频输出传递到扩声器。因此，可以将接收的源音频信号进行增益，获得高信噪比、低总谐波失真、且信号强度稳定的最终音频信号。

另外，本发明所述的技术方案在提高信噪比的同时，在对音频信号的放大过程中，对于扩声系统的信号动态范围也大大提升了。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。