地鐵車廂中廣播自適應音量控制系統(tǒng)的設(shè)計

雷星蒙 孫婧楠 肖曼琳

摘 要 自適應音量廣播系統(tǒng)適用于地鐵車廂中所播放的業(yè)務廣播，實現(xiàn)在一個可辨識度高、適宜人耳收聽的音量區(qū)間內(nèi)，進行廣播音量的自動控制。由于在采集環(huán)境噪聲的過程中會拾取到播放音，所以在利用Matlab軟件設(shè)計的自適應算法中，包含了NLMS回波抑制法去除播放音，從而獲得實際的環(huán)境噪聲。在此基礎(chǔ)上，計算出某一小段時間內(nèi)的噪聲和原始廣播的平均能量，計算兩者差值，和既定的自適應增益進行比較，在原始廣播信號基礎(chǔ)上疊加增益，播放出適應當下情況的廣播音量。系統(tǒng)硬件部分以STC89C52芯片為處理器核心，將由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號會進行儲存和運算。

關(guān)鍵詞 音量；廣播系統(tǒng)；地鐵

中圖分類號 TN93 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）208-0066-02

廣播系統(tǒng)多安裝于人流集中的地方，比如機場、車站、碼頭、商場等公共場合。它常常用于播報實時信息和緊急疏散信息，或播放背景聲。不過，由于在公共場合下，類似車輛啟動制動造成的噪音、嘈雜的人聲會影響廣播效果，因此在不同的情況下廣播音量的分貝是需要調(diào)整的。同樣，地鐵車廂作為乘客密度大的場所，噪音是無序并多變的，手動調(diào)節(jié)廣播系統(tǒng)音量是不現(xiàn)實的，因此廣播音量自適應系統(tǒng)的出現(xiàn)可以實時處理環(huán)境噪音和播放聲音能量不匹配的情況，首先保證人耳能清晰辨別廣播內(nèi)容，有效地保障和提高信息的傳播效率；其次保證乘客收聽的舒適度，減少公共廣播對環(huán)境的污染。

1 系統(tǒng)的背景

地鐵車廂中的廣播內(nèi)容主要包括背景音樂、業(yè)務宣傳服務廣播和應急廣播。大致來說，音量自適應功能的適用于前兩類廣播內(nèi)容，其中業(yè)務廣播對此功能的需求尤為明顯。

目前，相關(guān)的自適應系統(tǒng)在聲音處理上通常被稱為“信噪比自適應”。這是指從現(xiàn)場拾取的音源信噪比信號中辨別出噪聲信號，并且按照噪聲增益規(guī)律保持合適的擴聲音量。其應用有大環(huán)路的信噪比自適應電路、局部功能的信噪比自適應電路等[ 1 ]。

2 系統(tǒng)的設(shè)計方案

自適應音量廣播系統(tǒng)適用于地鐵車廂中所播放的業(yè)務廣播，包括安全提示、到站提醒等。但音量自動調(diào)節(jié)的范圍是需要控制的。在地鐵車廂廣播系統(tǒng)中，當廣播音量低至65dB時，即使環(huán)境噪聲再小，音量也不宜隨之降低，否則會影響內(nèi)容的識別；當廣播音量升至90dB時，音量也不宜隨之增大，一是可能會導致超負荷運行或是產(chǎn)生高度失真，二是造成對環(huán)境的噪聲污染。因此，在地鐵車廂中播放的廣播音量應在65dB～90dB的區(qū)間中。

車廂中音量自動控制的噪聲信號取自現(xiàn)場，按照從現(xiàn)場獲取的真實噪聲信號與播放中的廣播信號進行比較，自主調(diào)節(jié)揚聲器播放信號的聲壓，從而保證兩者之間存在較為穩(wěn)定的分貝差值。

其中廣播信號y（t）和環(huán)境噪聲信號n（t）之間存在固定的相對關(guān)系，經(jīng)過信道的信號z（t）=y（t）+n（t），由MIC收集。

3 系統(tǒng)的算法設(shè)計

若要實現(xiàn)聲壓級的自動控制，就需要分辨出現(xiàn)場真實環(huán)境的噪聲信號的聲壓級。但是，在實際系統(tǒng)運行的情況下，由于正在播放的廣播音頻信號與周圍環(huán)境噪聲同時存在，播放音的回波，往往會被拾取成為噪聲的一部分，因而獲取的噪聲信號能量會高于真實情況。這會導致環(huán)境噪聲的誤判偏大，現(xiàn)場的廣播音量隨之被調(diào)高，一而再再而三的誤判將導致自適應系統(tǒng)的失靈，甚至造成嚴重的環(huán)境噪聲污染。因此自適應控制系統(tǒng)在真實噪聲信號與播放中的廣播信號進行比較之前，需要將播放中音頻信號的回波抑制掉。

自適應濾波器在不同情況下對于性能的要求是有所區(qū)別的，它的性能主要取決于其自適應算法。所以，在平穩(wěn)狀態(tài)中，對算法的關(guān)鍵性能參數(shù)（收斂速度、收斂性、穩(wěn)態(tài)誤差）進行分析是十分必要的。與此同時，還需要考慮計算難度對運行效率的影響。

回波抑制常用的方法有遞推最小二乘算法RLS、最小均方誤差算法LMS、歸一化最小均方誤差算法NLMS等。RLS算法雖然對非穩(wěn)信號的適應性好，但計算難度高，不適合實時性的應用；LMS算法計算復雜度低，在平穩(wěn)信號的環(huán)境中的收斂性好，但穩(wěn)態(tài)誤差和收斂速度不能同時達到最優(yōu)；NLMS則在保留LMS優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，收斂速度更快，穩(wěn)態(tài)誤差更小[ 2 ]。

因此，為了減少計算復雜度，需要先進行互相關(guān)運算估計回波的延時，再對輸入的音頻源進行延時預處理，然后利用NLMS自適應濾波算法提取真實的噪聲信號。

其中，x（n）為播放源信號，y（n）為環(huán)境噪聲，z（n）為經(jīng)過自適應系統(tǒng)處理的信號。

4 系統(tǒng)的工作步驟

1）播放音頻源文件。

系統(tǒng)輸入的音頻源文件信號的平均能量是已知并且恒定的。

2）檢測環(huán)境噪聲，計算出真實環(huán)境噪聲的大小。

（1）利用互相關(guān)算法計算出檢測到的噪聲信號和音頻源信號的互相關(guān)，估計得出回波信號的延時。

（2）對輸入的音頻源信號進行延時處理。

（3）利用NLMS自適應濾波算法抑制檢測到的噪聲信號中的回波信號，從中拾取真正的環(huán)境噪聲信號。

3）比較真正的環(huán)境噪聲大小和廣播音量大小，調(diào)節(jié)播放音量。

（1）對得到的噪聲信號進行滑動平均處理，減少信號變化的劇烈程度。

（2）根據(jù)設(shè)定的增益來調(diào)節(jié)播放音。

5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1）噪聲采集裝置。利用MIC模塊收集所需要的語音信號，并將其轉(zhuǎn)換成模擬電信號，再利用采集裝置中的三極管將弱信號放大和濾波器濾波采樣。最后通過PCF8591芯片的A/D模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲在單片機中。

2）PCF8591芯片。A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分采用PCF8591芯片，它可以進行8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。在該芯片中，引腳AIN0-AIN3為模擬信號輸入端，A0到A2為引腳地址端。一般利用PCF8591的3個地址引腳A0，A1和A2進行數(shù)據(jù)的模擬輸入與輸出，并將數(shù)據(jù)以串行方式通過I2C總線接口進行傳輸。

3）STC89C52芯片。單片機的芯片采用STC89C52芯片，它是一種性能高、耗能低的8位CPU微控制器。它雖然采用傳統(tǒng)的51單片機內(nèi)核，但其內(nèi)部多了一個EEPROM空間，可以通過串口下載程序，執(zhí)行命令的速度更快。它的8位CPU和可編程Flash功能，可以在很多應用系統(tǒng)上提供更加優(yōu)益的方法。STC89C52芯片會將由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號會進行儲存和運算。

4）語音模塊。設(shè)計中的播放模塊采用的是SYN6288芯片。它是一款語音合成芯片，通過異步串行通訊（UART）接口，在瞬時實現(xiàn)與處理器間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。并且利用TxD和RxD以及GND實現(xiàn)串口通信。它可以接受STC89C52芯片運算處理后的指令，并調(diào)整音量將已經(jīng)儲存好的語音播放出去。

6 結(jié)論

本設(shè)計的音量控制系統(tǒng)算法與硬件結(jié)構(gòu)簡單，對于音量的調(diào)控較為準確，可以在不同環(huán)境中應用，能夠在非極端條件下實現(xiàn)音量的自動調(diào)控，可較好地適應環(huán)境噪聲，硬件性價比較高，適用面較廣。

參考文獻

[1]馬躍進.公共廣播信噪比自適應聲壓自動控制及應用[J].北京：中國高新技術(shù)企業(yè)，2009（17）：53-55.

[2]趙凡，祁才君.一種自適應調(diào)節(jié)音量大小的音頻播放設(shè)備和方法：中國，102760461B[P]. 2012.05.28.

[3]江蘇蓬，楊雨涵，張震，等.自適應智能語音報站系統(tǒng)[J].北京：電子技術(shù)與軟件工程，2016（15）：57-58.