CN113035218B - 一种在采集音频过程中优化音频信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种在采集音频过程中优化音频信号的方法，包括以下步骤：1)采集通过功率放大器输出的放音信号；2)通过分压器进行分压，使得采集到的放音信号的电平降低至符合模数转换器ADC的电平标准范围；3)根据麦克风的频率响应而设计的滤波器，将麦克风频率响应之外的信号滤除。

Description

一种在采集音频过程中优化音频信号的方法
技术领域
本申请涉及音频处理技术领域，特别涉及一种在采集音频过程中优化音频信号的方法。
背景技术
在人工智能音频入口及实时通话音频领域，音频系统需同时放音和录音，那么录音就会同时录进当前系统放出的声音，而这部分被录进又放出的音声则构成“回声”。为了提高音频质量，系统需采集回声信号，并从录音信号中消除。即对录音信号进行消除回声处理。此外，在本技术领域常会涉及DAC：数字转模拟芯片，它是将数字信号输入转化成模拟信号输出的芯片；以及ADC：模拟转数字芯片，它是将模拟信号输入转化成数字信号输出的芯片。
目前的消除回声系统设计，音频处理器对录音信号和放音信号进行频谱分析，分析响应强度和频谱分布，由此去设计数字滤波器，这个数字滤波器根据两个信号的对比实时的改变，让讲话者声音频谱通过，对背景噪声即放音的频谱进行抑制，降低其能量，达到抑制回声的效果。即当有人讲话的时候，音频处理器做信号分析，分析出讲话者的频谱，从而抑制回声。
但在目前的消除回声系统设计上，回声采集部分一般都是在放音信号的原始音频数字信号阶段完成，音频处理器对放音信号的原始音频数字信号的频谱和录音信号对比分析处理。但事实上原始音频数字信号经过DAC以及放大器，再由喇叭播出后再被麦克风录入采样，实际录入麦克风的放音信号的频谱已经发生改变。那么，根据放音信号的原始音频数字信号的频谱设计的数字滤波器去处理，就会将讲话者的声音频谱改变，声音失真。
使用这种消除回声的方式采集的放音信号，与实际录入的回声信号在频谱上存在的差异，导致回声消除处理时效率低下，造成麦克风录入的有效信号的损失。
技术内容
为了解决上述问题，本申请提供一种消除回音提高音频质量的系统，其能够采集与实际录入的回声信号频谱上最相近的放音信号。
本申请提供了一种在采集音频过程中优化音频信号的方法，包括以下步骤：
1)采集通过功率放大器输出的放音信号，
2)通过分压器进行分压，使得采集到的放音信号的电平降低至符合模数转换器ADC芯片的电平标准范围，
3)根据麦克风的频率响应而设计的滤波器，将麦克风频率响应之外的信号滤除。
所述的步骤2)进一步包括：
2.1)根据模数转换器采样电压的范围，确定降低的电压幅度至合适电压；
2.2)通过分压电阻对放音信号的电压(VO+)进行分压，获得分压电阻的合适值。
所述步骤2.2)进一步包括：
所述的分压器至少包括二个分压电阻，分别为第一分压电阻(R2)和第二分压电阻(R4)，根据
Figure BDA0002308870900000021
计算得出第一分压电阻(R2)、第二分压电阻(R4)的合适的两个电阻值；其中，VO+为放音信号的电平值；VADC为模数转换器ADC的合适电平值；R2为第一分压电阻的电阻值，R4为第二分压电阻的电阻值。
所述步骤2.2)进一步包括:
所述的VO+通常电压幅度为5V；根据模数转换器ADC采样电压范围，应使电压幅度VADC降低至1V；计算得出R2、R4分别可选择6.8KΩ和1.8KΩ为合适电阻值。
所述步骤3)中所述的滤波器包括RC低通滤波器和/或RC高通滤波器。
所述的RC低通滤波器通过设计第三电阻(R3)和第一电容(C6)构成，用于进行低通滤波；所述的RC高通滤波器通过设计第三电阻(R3)和第二电容(C5)构成，用于进行高通滤波。
所述麦克风的频率响应范围不会超过20Hz～10KHz以外；最后还需经过隔直电容(C5)去掉直流电平，再进入第二模数转换器ADC进行采样。
根据截止频率计算公式
Figure BDA0002308870900000031
得出R3和C6分别取6.8KΩ电阻和2.2nF合适电容，滤除高于截止频率为9.6kHz的信号。
根据截止频率计算公式
Figure BDA0002308870900000032
得出合适的电阻值和合适的电容值，将低于截止频率为21.1Hz的信号滤除。
本申请的涉及的方法是从喇叭前端采集放音信号，再通过分压和滤波处理后的信号频谱与实际录进麦克风的回声信号频谱上最相近，进而提高了消音频处理器除回声的效率，避免将讲话者的声音频谱改变，声音失真。
附图说明
图1是本申请的方法的步骤的示意图。
图2是本申请本申请的方法步骤2)的示意图。
图3是现有技术的收放音系统的框图示意图。
图4是本申请涉及的优化音频信号系统的框图示意图。
图5是本申请的具体实施例涉及的电路图。
具体实施方式
如图1所示，是本申请涉及的一种在采集音频过程中优化音频信号的方法，包括以下步骤：
1)采集通过功率放大器输出的放音信号，
2)通过分压器进行分压，使得采集到的放音信号的电平降低至符合模数转换器ADC的电平标准范围，
3)根据麦克风的频率响应而设计的滤波器，将麦克风频率响应之外的信号滤除。
如图2所示，所述的步骤2)进一步包括：
2.1)根据模数转换器采样电压的范围，确定降低的电压幅度至合适电压；
2.2)通过分压电阻对放音信号的电压(VO+)进行分压，获得分压电阻的合适值。
如图3所示的，目前的消除回声的设计，音频处理器对录音信号和放音信号进行频谱分析，分析响应强度和频谱分布，由此去设计数字滤波器，这个数字滤波器根据两个信号的对比实时的改变，让讲话者声音频谱通过，对背景噪声即放音的频谱进行抑制，降低其能量，达到抑制回声的效果。即当有人讲话的时候，音频处理器做信号分析，分析出讲话者的频谱，从而抑制回声。
而本申请涉及的采用新方法的新的采集音频过程中的优化音频信号的系统，如图4所示，在喇叭前端采集的放音信号，其频谱与喇叭声音频谱一致，先通过分压使信号的电平降低至符合ADC芯片的电平标准范围，再根据麦克风的频率响应，设计滤波器将麦克风频率响应以外的信号滤除。此时的采集的放音信号与实际录入的回声信号频谱上基本一致，根据此时采集的信号，设计的数字滤波器，可以更高效消除录音信号中的回声信号，避免了因频谱差异导致数字滤波器该变讲话者的声音谱，声音失真。具体的消除回音提高音频质量的系统，其包括：
音频处理器，用于放音、采集音频、录音以及对音频信号的处理；
与所述音频处理器连接的数模转换器DAC,用于将音频处理器发出的音频数字信号转化成模拟信号输出；
与数模转换器DAC连接的功率放大器，用于接收数模转换器DAC输出端的模拟信号以最大功率输出；
与功率放大器连接的外放音频的喇叭，以及
位于连接功率放大器与喇叭之间的分压和滤波模块，所述分压和滤波模块用于先通过分压使功率放大器输出端发出的信号的电平降低至电平预定的标准范围，再根据麦克风的频率响应，设计将所述的麦克风频率响应以外的信号滤除；
与所述分压和滤波模块连接的第二模数转换器ADC，所述第二模数转换器ADC与所述音频处理器连接，用于将通过分压和滤波模块后的信号转换为数字信号传输给所述音频处理器进行处理；以及
与所述音频处理器连接的第一模数转换器ADC，所述第一模数转换器ADC与所述的麦克风连接，用于将麦克风录音的信号传输给所述音频处理器处理。
所述的预定的标准范围是符合模数转换器ADC的电平标准范围。
所述分压和滤波模块包括分压器和滤波器。
所述的分压器位于所述的滤波器之前以对所获得的信号的电平进行分压。
如下图5所示的电路中，在功率放大器的后端，喇叭的前端采集放音信号VO+，其电压幅度约5V，根据模数转换器ADC采样电压范围，应使电压幅度降低至1V左右，通过分压电阻R2和R4对VO+进行分压，如下图根据
Figure BDA0002308870900000061
计算得出R2、R4分别选择6.8KΩ和1.8KΩ电阻合适。又由于一般麦克风的频率响应范围不会超过20Hz～10KHz以外，设计通过电阻R3和电容C6构成的RC低通滤波器进行低通滤波，通过该截止频率计算公式
Figure BDA0002308870900000062
得出R3和C6分别取6.8KΩ电阻和2.2nF电容合适，滤除高于该截止频率约9.6kHz的信号。又因为ADC芯片采样是采集变化的电压，而直流在频谱上是0Hz，对采集没有意义。最后还需经过隔直电容C5(一般选择大于1uF的电容)去掉直流电平，再进入ADC进行采样。
事实上C5与R3构成了RC高通滤波器，同样可根据截止频率计算公式
Figure BDA0002308870900000063
得出，可以将低于该截止频率约21.1Hz的信号滤除。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种在采集音频过程中优化音频信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采集通过功率放大器输出的放音信号，
2）通过分压器进行分压，使得采集到的放音信号的电平降低至符合模数转换器ADC的电平标准范围，
3）根据麦克风的频率响应而设计的滤波器，将麦克风频率响应之外的信号滤除；
步骤2）进一步包括：
2.1）根据模数转换器采样电压的范围，确定降低的电压幅度至电压；
2.2）通过分压电阻对放音信号的电压（VO+）进行分压，获得分压电阻的值；
步骤2.2）进一步包括：
所述的分压器至少包括二个分压电阻，分别为第一分压电阻（R2）和第二分压电阻（R4），根据
Figure DEST_PATH_IMAGE001
计算得出第一分压电阻（R2）、第二分压电阻（R4）的两个电阻值；其中，VO+为放音信号的电平值；VADC为模数转换器ADC的电平值；R2为第一分压电阻的电阻值，R4为第二分压电阻的电阻值；
步骤2.2）进一步包括:
VO+电压幅度为5V；根据模数转换器ADC采样电压范围，应使电压幅度VADC降低至1V；计算得出R2、R4分别选择6.8KΩ和1.8KΩ 为电阻值；
步骤3）中所述的滤波器包括RC低通滤波器和/或RC高通滤波器；
所述的RC低通滤波器通过设计第三电阻（R3）和第一电容（C6）构成，用于进行低通滤波；所述的RC高通滤波器通过设计第三电阻（R3）和第二电容（C5）构成，用于进行高通滤波；
所述麦克风的频率响应范围不会超过20Hz~10KHz以外；最后还需经过第二电容（C5）去掉直流电平，再进入第二模数转换器ADC进行采样；
根据截止频率计算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，得出第三电阻R3和第一电容（C6）分别取6.8KΩ电阻和2.2nF电容，滤除高于截止频率为9.6kHz的信号；
根据截止频率计算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE003
得出电阻值和电容值，将低于截止频率为21.1Hz的信号滤除。
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