CN108600917B - 一种嵌入式多路音频管理系统及管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了车载系统领域内的一种嵌入式多路音频管理方法，首先将时域音频信号变换为频域音频信号，然后对音频的有效性进行检测，过滤无效音源；其次，当输入的是多路音源信号时，系统能够将输入的状态与预先定义好的策略进行比对，决定输出哪几路音源以及输出的先后顺序，本发明能自定义多路音频的输出策略，解决了现代多音频输入的嵌入式产品中音频输出策略经常变化的问题，使得修改音频输出策略无需再对软件进行重新编译，弥补了现有嵌入式多路音频管理系统不够灵活的缺点，提高了系统的可定制性，可用于车载音频管理中。

Description

一种嵌入式多路音频管理系统及管理方法

技术领域

本发明涉及一种音频管理系统，特别涉及一种车辆嵌入式音频管理系统及管理方法。

背景技术

随着数字化技术的蓬勃发展的不断普及，数字化多媒体产品广泛应用于社会和生活中，大多数多媒体娱乐设备都涉及音频技术。音频技术在演变过程中年，经历了从模拟到数字的转变，对音频的质量来说，数字音频经过模数/数模转换后，越接近模拟音质就越好。数字化时代的音频技术并不是弃模变数，而是两者有机的结合，取长补短，用数字化技术去追求模拟的音质。随着现代计算机技术的高速发展，嵌入式计算机系统越来越复杂，涉及到有关声音的功能也越来越多，往往一个计算机系统中可以同时输出多路音频，如何鉴别音频数据的有效性和管理多路音频在不同应用场景下的输出关系，正成为越来越普遍的问题。

目前在嵌入式系统中，管理多路音频的输出主要采用纯软件实现，且音频输出策略采用硬编码的形式固化在系统中，一旦系统的输出策略改变，就需要修改软件代码并进行重新编译，不方便开发与调试。且目前的系统大多数未对音频数据的有效性作过滤，噪声数据会对系统造成不必要的影响和负载。

发明内容

本发明的目的是提供一种嵌入式多路音频管理系统及管理方法，解决了现代多音频输入的嵌入式产品中音频输出策略经常变化的问题，使得修改音频输出策略无需再对软件进行重新编译，弥补了现有嵌入式多路音频管理系统不够灵活的缺点，提高了系统的可定制性。

本发明的目的是这样实现的：一种嵌入式多路音频管理系统及管理方法，所述系统包括如下部分：

信号有效性判断模块，包括模数转换模块、快速傅里叶变换模块以及功率谱密度检测模块，用以将输入的模拟音频信号经过模数信号转换后变为数字信号，再经过快速傅利叶变换变为频域信号后分两路，一路送功率谱密度检测模块，对信号进行功率谱密度检测，以判断音源的有效性，并将有效音源的数据存入音频控制器的寄存器中，另一路送入音频数据输出控制模块；

音频策略决策模块：通过读取音频控制器中的音源有效性数据，动态的加载由系统用户自定义的策略，对音频数据输出控制模块中频域信号的输出进行策略仲裁，决定该如何输出多路音频数据，并控制音频数据输出模块按照策略进行音频信号输出；

音频数据输出控制模块，包括音频控制器和声音处理单元，音频控制器用以存储有效音源标定数据，声音处理单元用以接收来自快速傅里叶变换模块处理后的频域信号，并控制每一路频域信号的输出使能开关、滤波器、系统的混音器，最后将音频数据进行逆快速傅利叶变换变换为时域信号再经过数模转换模块转换为模拟信号后输出；

所述管理方法包括以下步骤：

1)信号有效性判断，将输入的音频信号进行经过模数换后变为数字信号，再经过快速离散傅利叶变换变为频域信号后，再将频域信号分两路，一路进行功率谱密度检测，以判断音源的有效性，并将音源有效性标定数据存入音频控制器的寄存器中，另一路送入声音处理单元备用；

2)音频策略决策选择，读取音频控制器中的音源有效性数据，动态的加载由系统用户自定义的策略，对系统中音频的输出进行策略仲裁，决定该如何输出多路音频数据，并控制声音处理单元中的备用频域信号按照策略进行音频信号输出，备用频域信号经逆快速傅利叶变换，并进行数模转换后输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明可方便的对系统的音频策略进行调整，修改配置文件即可；通过有效音源的检测，在一定程度上减少了音频策略决策模块的复杂性，提高了整个系统的健壮性与效率。本发明可用于车载音频输出控制中。

作为本发明的进一步限定，所述信号有效性判断模块功能还包括滤波处理，具体为：原始音源信号先进行模数信号转换，将模拟信号转换成数字信号，然后再进行快速傅里叶变换，将时域信号变换为频域信号，变换后的频域信号作为输入送给卡尔曼滤波模块，该模块能把含噪声的信号进行处理并给出最接近状态真值的估计值，经卡尔曼滤波模块处理后的数据再进行功率谱密度检测，以判断音源的有效性。加入卡尔曼滤波，是为了消除噪声数据对功率谱密度检测准确性的影响。

作为本发明的进一步限定，所述音频策略决策模块具体包括：

决策表生成模块，该模块根据用户自定义的策略生成一个二维矩阵表；

策略生成模块，读取音频控制器中的有效音源信息，再根据生成的二维矩阵表，生成策略；

决策结果发送模块，该模块将生成的策略按照一定的协议发送给音频数据输出控制模块。使得音频决策更加精准可靠。将发决策结果送模块独立出来，可以使得系统在未来适配不同音频控制器模块时，只需要修改发决策送模块即可，提高系统的硬件移植性

作为本发明的进一步限定，所述音频数据输出控制模块还包括以下功能：接收音频策略决策模块的指令；对输入的多路音频管理控制，能根据音频策略决策模块的指令控制每路音频的输出开关以及滤波器和整个系统的混音器；具体包括：

数据选择器模块，利用开关来选通哪几路音频通道能够输出；

滤波器模块，对通道上的声音数据根据音频策略决策模块的指令对声音的模块进行调整；

混音器模块，用于对经过滤波器模块处理后的多路不同音频进行混合，以实现特定的效果。可以实现诸如多个扬声器之间的声场变换与声音叠加效果，增强音频系统的表现力。

作为本发明的进一步限定，步骤1)中功率谱密度检测前的频域信号还经过卡尔曼滤波处理，把含噪声的信号进行处理并给出最接近状态真值的估计值。

作为本发明的进一步限定，步骤2)中音频策略决策具体包括根据用户自定义的策略生成一个二维矩阵表；读取音频控制器中的有效音源信息，再根据生成的二维矩阵表，生成策略；将生成的策略按照一定的协议发送出去，控制声音处理单元中的备用频域信号按照策略进行音频信号输出。

附图说明

图1为本发明管理系统组成框图。

图2为本发明中音频控制器工作流程图。

图3为本发明中音频控制器与声音处理单元之间的协议结构图。

图4为本发明中音频策略决策模块进行决策的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

图1描述了整个系统的运作流程，整个系统主要分为三个模块，分别为信号有效性判断模块、音频策略决策模块、音频数据输出控制模块。举例说明：假设有一个系统，有音乐和车载对讲两个通道，音频策略配置为，车载对讲可以抢占音乐，反之则不行。当车载对讲通道上是噪声数据的时候，信号有效性模块将其判断为无效音源，这时用户播放音乐，由于车载对讲为无效音源，不参与决策，所以系统输出用户播放的音乐。当车载对讲通道上有人声数据进行输入的时候，其变为有效音源，这时音频策略决策模块根据预定义的策略，通知音频控制器将音乐通道的数据选择器断开，同时将车载对讲通道的数据选择器打开，从而输出车载对讲通道的人声数据，并关闭音乐的输出。

各模块的详细工作原理和流程说明如下：

首先将模拟信号转换成数字信号，再对数字信号进行快速离散傅利叶变换，将时域的信号转换成频域的信号，将得到的频域信号输入给信号有效性判断模块，该模块对输入信号进行功率谱密度检测以判断音频数据是否为噪声，本发明使用的功率谱密度检测原理如下：

功率谱根据Wiener-Khintchine定理，可表示为：

其中，

是定义在数学期望意义上的自相关函数；我们把信号看作一个随机过程，其中x为这个随机过程的表达函数,n代表某一个时刻,m代表单位时间,r_xx则为信号在单位时间内所有可能值的和；则功率谱密度可表达为一个平稳随机过程的功率谱为自相关函数的傅利叶变换，功率谱密度估计量的均值为:

其中，N代表取样的单位时间数，即在N个单位时间内信号功率谱密度的均值，若信号的功率谱密度大于该均值则为有效信号，同时将检测结果输入到音频控制器中。

音频控制器的工作流程如图2所示：

获取功率谱密度检测的结果后，判断有效音源的数量，如果音源的数量等于1，则直接将通道号发送给音频处理单元进行输出；如果有效音源的数量大于1，则向片上系统(即策略决策模块)请求音频策略，如果片上系统无法给出策略，则采用自定义的策略，接着将策略按照自定义的协议格式进行封装，发送给音频处理单元进行处理输出，音频处理单元通过操作每一路音源上的数据选择器来开关相应的音源输出，同时通过操作每一路上的滤波器来对声音做相关的增益，以实现复杂的效果；如果有效音源数量等于0，则直接通知音频处理单元进行静音。

音频控制器和自定义的协议格式如图3所示，协议帧分为如下几个部分：

1、帧头：用于标识一个数据帧的头部；

2、帧尾：用于标识一个数据帧的结尾；

3、长度：用于表示一帧数据除帧头、帧尾以外的数据长度；

4、通道开关状态：表示每个通道应该是关闭还是打开；

5、通道混音状态：表示通道之间的混音状态，即当前哪几个通道一起输出；

6、各通道增益：表示每个通道的声音增益，这样在各通道混音时，可以通过增益的变化，使最终输出的声音更有层次感。

片上系统的主要工作流程主要如如图4所示：

片上系统中运行一个音频管理程序，音频管理程序主要工作流程如下：

1、读入用户定义的音频策略，音频策略描述文件格式如下：

配置文件格式说明如下：

配置文件的基本单元为audioSource，用于表示一个通道的参数。其中dspChannelId表示通道号，mixSource表示与哪一个通道进行混音，duckVolume表示该通道作为次要音源与其他音源混音时的音量，priority表示该通道的优先级，数值越大表示优先级越高，低优先级无法抢占高优先级的音源，高优先级的音源可以抢占低优先级的音源，如果两个音源为相同优先级，则自动关闭前一个音源的通道，打开当前音源的通道。

生成的音源矩阵如下面的表格1所示：

表格1

当有新的有效音源时，音频控制器会要求片上系统判断音频输出的策略，片上系统就根据在内存中生成的如表格1所示的表格，来给出决策；举例说明：假设系统当前正在输出的是通道1的声音，这时候通道2也有声音数据传入，音频控制器向片上系统查询策略，片上系统查询表格1得知应当切换至通道2。

就将查询到的策略通知音频控制器，音频控制器再根据协议通知音频处理单元，打开通道2的数据选择器，关闭通道1的数据选择器。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种嵌入式多路音频管理系统，其特征在于，该系统包括如下部分：

信号有效性判断模块，包括模数转换模块、快速傅里叶变换模块以及功率谱密度检测模块，用以将输入的模拟音频信号经过模数信号转换后变为数字信号，再经过快速傅利叶变换变为频域信号后分两路，一路送功率谱密度检测模块，对信号进行功率谱密度检测，以判断音源的有效性，并将有效音源的数据存入音频控制器的寄存器中，另一路送入音频数据输出控制模块，有效信号的判断具体方法为：若信号的功率谱密度检测值大于功率谱密度估计量的均值，则判断为有效信号，所述功率谱密度估计量的均值为：

其中，N代表取样的单位时间数，即在N个单位时间内信号功率谱密度的均值，r_xx则为信号在单位时间内所有可能值的和，x为这个随机过程的表达函数，n代表某一个时刻，m代表单位时间；

音频策略决策模块：通过读取音频控制器中的音源有效性数据，动态的加载由系统用户自定义的策略，对音频数据输出控制模块中频域信号的输出进行策略仲裁，决定该如何输出多路音频数据，并控制音频数据输出模块按照策略进行音频信号输出，所述音频策略决策模块具体包括：决策表生成模块，该模块根据用户自定义的策略生成一个二维矩阵表；策略生成模块，读取音频控制器中的有效音源信息，再根据生成的二维矩阵表，生成策略；

决策结果发送模块，该模块将生成的策略按照一定的协议发送给音频数据输出控制模块；

音频数据输出控制模块，包括音频控制器和声音处理单元，音频控制器用以存储有效音源标定数据，声音处理单元用以接收来自快速傅里叶变换模块处理后的频域信号，并控制每一路频域信号的输出使能开关、滤波器、系统的混音器，最后将音频数据进行逆快速傅利叶变换变换为时域信号再经过数模转换模块转换为模拟信号后输出，所述音频数据输出控制模块还包括以下功能：接收音频策略决策模块的指令；对输入的多路音频管理控制，能根据音频策略决策模块的指令控制每路音频的输出开关以及滤波器和整个系统的混音器；具体包括：

数据选择器模块，利用开关来选通哪几路音频通道能够输出；

滤波器模块，对通道上的声音数据根据音频策略决策模块的指令对声音的模块进行调整；

混音器模块，用于对经过滤波器模块处理后的多路不同音频进行混合，以实现特定的效果。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式多路音频管理系统，其特征在于，所述信号有效性判断模块的功能还包括滤波处理，具体为：原始音源信号先进行模数信号转换，将模拟信号转换成数字信号，然后再进行快速傅里叶变换，将时域信号变换为频域信号，变换后的频域信号作为输入送给卡尔曼滤波模块，卡尔曼滤波模块能把含噪声的信号进行处理并给出最接近状态真值的估计值，经卡尔曼滤波模块处理后的数据再进行功率谱密度检测，以判断音源的有效性。

3.一种嵌入式多路音频管理方法，其特征在于，其采用如权利要求1所述的嵌入式多路音频管理系统，包括以下步骤：

1)信号有效性判断，将输入的音频信号进行经过模数换后变为数字信号，再经过快速离散傅利叶变换变为频域信号后，再将频域信号分两路，一路进行功率谱密度检测，以判断音源的有效性，并将音源有效性标定数据存入音频控制器的寄存器中，另一路送入声音处理单元备用；

2)音频策略决策选择，读取音频控制器中的音源有效性数据，动态的加载由系统用户自定义的策略，对系统中音频的输出进行策略仲裁，决定该如何输出多路音频数据，并控制声音处理单元中的备用频域信号按照策略进行音频信号输出，备用频域信号经逆快速傅利叶变换，并进行数模转换后输出，具体包括根据用户自定义的策略生成一个二维矩阵表；读取音频控制器中的有效音源信息，再根据生成的二维矩阵表，生成策略；将生成的策略按照一定的协议通过决策结果发送模块发送出去，控制声音处理单元中的备用频域信号按照策略进行音频信号输出。

4.根据权利要求3所述的一种嵌入式多路音频管理方法，其特征在于，步骤1)中功率谱密度检测前的频域信号还经过卡尔曼滤波处理，把含噪声的信号进行处理并给出最接近状态真值的估计值。

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