CN114584902B - 一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法及装置，涉及对讲通讯技术领域，采集麦克风输入端的第一音频信号，采集喇叭输入端的第二音频信号；计算两种音频信号的相关性系数和包络比值系数；然后根据相关性系数和包络比值计算音量控制系数，用音量控制系数调节喇叭音量。其通过改变喇叭音量大小，来保证麦克风信号幅值在小范围内波动，保证回音消除处于稳定收敛的状态，从而获得更好的回音消除和双工对讲的效果。

Description

一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法及装置
技术领域
本发明涉及对讲通讯技术领域，更具体的讲是一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法及装置。
背景技术
在嵌墙安装对讲设备中，喇叭和麦克风通常会布置在同侧的面板。当喇叭播放声音较大时，会使整机的面板振动，该振动通常会传递给麦克风，形成一个独立的回音传递路径，当喇叭音量越大，面板振动就越强。在这种情况下，麦克风在通话过程中所采集的回音包含整机面板振动传递的回音和空气传输的回音两部分，并且回音大小与喇叭音量的大小不是一个简单的线性关系，即为非线性的回音。
现有的回音消除算法基于NLMS/LMS算法来实现，该算法理论上为线性处理，当麦克风采集回音与远端声音呈非线性回音时，远端音量的变化很容易导致NLMS发散，回音明显增加。如果单独采用调整滤波器系数来消除非线性回音，要使NLMS快速收敛，需要精确计算回音路径的改变量，才能精确获取滤波器的系数，因此需要复杂的非线性回音检测算法。此外，目前通过播放端增加AGC来控制播放的音量，但是无法准确获取麦克风采集到的回音大小，从而影响音量控制的效果。针对这些缺点，有必要提出了一种基于音量控制的非线性回音消除方案，以简单且有效的解决由整机面板振动引起的非线性回音问题。
发明内容
本发明提供一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法，目的在于解决现有技术中存在的上述问题。
本发明采用如下技术方案：
一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法，包括以下步骤：
（1）采集麦克风输入端的第一音频信号，采集喇叭输入端的第二音频信号；
（2）计算第一音频信号与第二音频信号的相关性系数和包络比值系数；
（3）根据相关性系数和包络比值计算音量控制系数，用音量控制系数调节喇叭音量，使第一音频信号与第二音频信号趋近于线性关系。
进一步，上述步骤（2）包括子步骤：
（2.1）将采集到的第一音频信号、二音频信号分别转换为频谱信号，并分别计算出两个频谱信号的包络。
具体地，首先，对第一音频信号和二音频信号分别进行FFT运算，得到相应的频谱信号；然后，将各频谱信号的20Hz-8KHz频段平均分为N个子频段，并计算各子频段的峰值点A(n)，分段计算得到频谱幅值的包络Ax(n)和Ay(n)，其中n=1,2,3，……，N；N为正整数。
（2.2）计算两个包络的相关系数；当相关系数大于预设阈值时，计算两个包络的幅值比值。
具体地，采用如下公式计算两个包络的相关系数：；其中，，分别为第一音频信号，第二音频信号中第i子频段包络样本的峰值点，，分别为第一音频信号，第二音频信号中N个包络样本的峰值点均值。
具体地，采用如下公式计算各子频段包络样本的幅值比值：； 再通过加权平均法，最终获取包络比值系数：；其中，为设定的加权系数。
（2.3）对比两帧数据中幅值比值的变化值，当变化值大于预设阈值时，将变化值换算成音量控制系数。
具体地，对比两帧数据的比值系数的变化值；其中，，分别为两帧数据的比值系数。作为优选，，为相邻两帧数据的比值系数。
具体地，音量控制系数；其中，Cv为设定的系数。
本发明还公开了一种使用上述基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法的装置，包括喇叭组件、麦克风组件和非线性回音检测部件；
上述非线性回音检测部件，其中一输入端与麦克风组件相连接，用于从麦克风组件中获取第一音频信号；另一输入端与喇叭组件相连接，用于从喇叭组件中获取第二音频信号；其输出端与喇叭组件相连接，用于检测第一音频信号中的回音大小并对喇叭组件进行音量控制，使第一音频信号与第二音频信号趋近于线性关系。
具体地，上述非线性回音检测部件的其中一输入端与麦克风组件相连接，用于从麦克风组件中获取第一音频信号；另一输入端与喇叭组件相连接，用于从喇叭组件中获取第二音频信号；其输出端与喇叭组件相连接；非线性回音检测部件用于计算第一音频信号与第二音频信号的相关性系数和包络比值系数，根据相关性系数和包络比值得出音量控制系数。
由上述对本发明结构的描述可知，本发明具有如下优点：
其一，本发明对比麦克风采集的第一音频信号和喇叭输出部件的第二音频信号，从中检测出第一音频信号（即麦克风采集信号）的回音大小，并根据回音大小进行喇叭播放端的音量控制。其通过改变第二音频信号（即音量控制部件输出信号）的幅值大小，来保证第一音频信号幅值在小范围内波动，使得第一音频信号和第二音频信号近似处于线性关系，加快回音消除的收敛，保证回音消除处于稳定收敛的状态，从而获得更好的回音消除和双工对讲的效果。
其二，本发明根据回音的改变量，计算出播放端的音量控制系数，可以更加准确且快速地控制播放音量，以保证麦克风采集的回音大小稳定性和整机回音消除的效果。
附图说明
图1为本发明中，非线性回音消除装置的工作流程框图。
图2为本发明，非线性回音检测部件的工作流程框图。
图3为本发明，幅值包络计算的示意图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。
一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法，包括以下步骤：
（1）采集麦克风输入端的第一音频信号，采集喇叭输入端的第二音频信号。
（2）计算第一音频信号与第二音频信号的相关性系数和包络比值系数；
（3）根据相关性系数和包络比值计算音量控制系数，用音量控制系数调节喇叭音量，使第一音频信号与第二音频信号趋近于线性关系。
上述步骤（2）具体包括子步骤：
（2.1）将采集到的第一音频信号、二音频信号分别转换为频谱信号，并分别计算出两个频谱信号的包络。
作为一种具体实施方式，将频谱信号的20Hz-8KHz频段平均分为N个子频段，并计算各子频段的峰值点A(n)。根据该方案可以分段计算得到频谱幅值的包络Ax(n)和Ay(n)，其中n=1,2,3，……，N；N为正整数。
（2.2）计算两个包络的相关系数；当相关系数大于预设阈值时，计算两个包络的幅值比值。
具体地，采用如下公式计算两个包络的相关系数：；其中，，分别为第一音频信号，第二音频信号中第i子频段包络样本的峰值点，，分别为第一音频信号，第二音频信号中N个包络样本的峰值点均值。在一种具体实施例中，当相关系数r大于预设阈值0.4时，计算两个包络的幅值比值。
具体地，采用如下公式计算各子频段包络样本的幅值比值：； 再通过加权平均法，最终获取包络比值系数：；其中，为经过实验调试后设定的加权系数。系数根据不同频段取值不同，低频和高频的系数会低一点，中频和中高频的系数会高一些，在一种具体实施例中， 0-300Hz频段的系数取值为0.5，300Hz-3kHz频段的系数取值为1.5，3kHz以上频段的系数取值为0.6。
（2.3）对比两帧数据中幅值比值的变化值，当变化值大于预设阈值时，将变化值换算成音量控制系数。在一种具体实施例中，当变化值大于变化值ΔBz大于0.8时，将变化值换算成音量控制系数。
具体地，对比两帧数据的比值系数的变化值；其中，，分别为两帧数据的比值系数。作为优选，，为相邻两帧数据的比值系数。
具体地，音量控制系数；其中， Cv为经过实验调试后设定的系数。系数Cv根据不同的ΔBz数值范围取值不同，在一种具体实施例中，ΔBz为0.8-1.8时，系数 Cv取值为2.6。ΔBz为1.8以上时，系数 Cv取值为3.2。
本发明还公开了一种使用上述基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法的装置，包括喇叭组件、麦克风组件和非线性回音检测部件M4。其中，麦克风组件包括依次连接的麦克风端输入部件M1、回音消除部件M2和近端信号输出部件M3。喇叭组件包括依次连接的远端信号接受部件M5、远端信号处理部件M6、音量控制部件M7和喇叭输出部件M8。
麦克风端输入部件M1，用于缓存麦克风硬件电路采集到的PCM音频信号（即第一音频信号），通常包含回音信号和近端信号，为回音消除部件M2和近端信号输出部件M3输入采集音频数据。
回音消除部件M2，用于消除M1输出信号中的回音部分，为近端信号输出部件M3输入不含回音的音频数据。
近端信号输出部件M3，用于缓存不含回声的近端信号，为其他软件处理提供音频数据。
远端信号接收部件M5，用于缓存来自网络传输的远端音频数据，为远端信号处理部件M6输入远端音频信号。
远端信号处理部件M6，用于处理M6输出的网络数据，一般经过RTP拆包、解码等处理得到远端的PCM音频数据，为音量控制部件M7输入音频数据。
音量控制部件M7：根据M4输出的音量控制系数，对M6输出的音频数据（即第二音频信号）进行放大或者缩小，为M8输入音量合适的音频数据。
喇叭输出部件M8，用于将音量控制部件M7输出的音频信号通过硬件设备播放给用户。
非线性回音检测部件M4的其中一输入端与麦克风组件相连接，另一输入端与喇叭组件相连接，输出端与喇叭组件相连接。该非线性回音检测部件M4用于计算麦克风端输入部件M1输出的第一音频信号和音量控制部件M7输出的第二音频信号的相关性系数和包络比值系数，并根据相关性系数和包络比值得出音量控制系数，将控制系数输出给音量控制部件M7，对喇叭组件进行音量控制，使第一音频信号与第二音频信号趋近于线性关系。
综上可见，本发明采用控制播放端音量来解决非线回音的问题，针对面板振动引起的非线性回音问题，如果播放音量稳定在一定的范围内，面板的振动幅度比较固定，由面板振动引起的回音大小也会相对固定，因此麦克风采集到的回音大小比较稳定，回音消除模块会长期处于收敛，从而保证回音消除的效果。
在使用过程中，由非线性回音检测模块来获取回音的改变量，从而计算出播放端的音量控制系数，可以更加准确且快速地控制播放音量，以保证麦克风采集的回音大小稳定性和整机回音消除的效果。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采集麦克风输入端的第一音频信号，采集喇叭输入端的第二音频信号；
（2）计算第一音频信号与第二音频信号的相关性系数和包络比值系数；所述步骤（2）包括子步骤：
（2.1）将采集到的第一音频信号、二音频信号分别转换为频谱信号，并分别计算出两个频谱信号的包络；
将频谱信号的20Hz-8KHz频段平均分为N个子频段，并计算各子频段的峰值点A(n)，分段计算得到频谱幅值的包络Ax(n)和Ay(n)，其中n=1,2,3，……，N；N为正整数；
（2.2）计算两个包络的相关系数；当相关系数大于预设阈值时，计算两个包络的幅值比值；
采用如下公式计算两个包络的相关系数；
；
其中，，分别为第一音频信号，第二音频信号中第i子频段包络样本的峰值点， ，分别为第一音频信号，第二音频信号中N个包络样本的峰值点均值；
采用如下公式计算各子频段包络样本的幅值比值；
；
再通过加权平均法，最终获取包络比值系数；
；其中，为设定的加权系数；
（2.3）对比两帧数据中幅值比值的变化值，当变化值大于预设阈值时，将变化值换算成音量控制系数；
（3）根据相关性系数和包络比值计算音量控制系数，用音量控制系数调节喇叭音量。
2.根据权利要求1所述的一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法，其特征在于：所述步骤（2.3）中，对比两帧数据的比值系数的变化值；其中，，分别为两帧数据的比值系数。
3.根据权利要求2所述的一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法，其特征在于：所述，为相邻两帧数据的比值系数。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法，其特征在于：所述步骤（2.3）中，音量控制系数；其中，Cv为设定的系数。
5.一种使用如权利要求1-4任一所述基于音量控制的对讲设备非线性回音消除方法的装置，其特征在于：包括喇叭组件、麦克风组件和非线性回音检测部件；
所述非线性回音检测部件的其中一输入端与麦克风组件相连接，用于从麦克风组件中获取第一音频信号；另一输入端与喇叭组件相连接，用于从喇叭组件中获取第二音频信号；其输出端与喇叭组件相连接；非线性回音检测部件用于计算第一音频信号与第二音频信号的相关性系数和包络比值系数，根据相关性系数和包络比值得出音量控制系数。
6.根据权利要求5所述装置，其特征在于：所述喇叭组件包括依次连接的远端信号接受部件、远端信号处理部件、音量控制部件和喇叭输出部件，所述麦克风组件包括依次连接的麦克风端输入部件、回音消除部件和近端信号输出部件；所述非线性回音检测部件的其中一输入端连接于音量控制部件的输出端，另一输入端连接于麦克风端输入部件的输出端，且输出端连接于音量控制部件的输入端。
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