摘要：對擴聲系統來講，要求聲場穩定，盡可能抑制各種干擾和噪聲，特別是嘯叫聲，同時要求聲場均勻，聲信號清晰。傳統的擴聲系統很難做到聲場的穩定。本文提出利用現代陣列信號處理技術，結合 DSP和有效的算法，達到穩定聲場的目的，通過仿真，驗證了該方案的可行性。將該設計方案應用于室內擴聲系統中，不會增加大的成本，卻可達到好的效果。
1、引言
對傳統的室內擴聲系統來講，其模式一般為傳聲器拾音，然后將此信號送入功率放大器進行放大，再送入音箱放音，這種擴聲系統對噪聲沒有作任何處理，導致室內聲場特性變壞，甚至影響到聽眾準確地聽清期望信號。本文給出一種改進的擴聲系統設計方案，采用傳聲器陣列，利用數字信號處理技術，在不影響信號實時性的前提下，盡可能抑制無用信號。
2、基于 DSP的室內擴聲系統
2.1室內聲場特性
對室內擴聲系統來講，其聲場特性比較復雜，到達傳聲器的信號可能有期望信號、混響信號、干擾信號、噪聲信號，甚至揚聲器的重放信號（跟室內音響的位置和其指向性有關），這種聲場特性可用圖 1[1]表示。
在這些信號中，除了期望信號（我們需要的）之外，其余的所有信號都會影響聲音信號的清晰度，因此這些信號都可認為是噪聲，特別是音響的重放信號，有可能經過聲反饋而引起嘯叫，嚴重影響到室內聲場的穩定性。因此，如何消除或盡可能減少這些不需要的信號，保持室內聲場的穩定和語言信號的清晰度，是室內擴聲系統首先要考慮和解決的問題。
2.2 本設計方案中的信號模型
本文提出的擴聲系統設計方案，采用現代陣列信號處理技術，利用傳感器陣列，結合數字信號處理技術和相應的算法，使陣列輸出的信號對期望信號來講有較大的信噪比，而對期望信號以外的無用信號，均有較大的衰減（理想結果是衰減到零）。處理示意圖如圖 2[2]：
3 本方案的硬件設計
3.1 設計框圖
本擴聲系統中，采用傳聲器陣列和數字信號處理器，按照相關算法，達到抑制無用信號的目的。框圖如圖3：
本設計中，首先對傳聲器感應到的信號作低通濾波，由于室內擴聲系統一般的期望信號均為語音信號，經過低通濾波后，使輸出信號的頻率限定在 3400Hz以內，然后對各路信號進行模數變換，便于后面的數字信號處理器進行處理，各路信號經過加權求和后，輸出的信號送入后續的功率放大器進行放大，進而送入音箱放音。這里關鍵就是權值的自動更新，只要采用有效的算法，DSP會自動將權值進行修正，使得期望信號得以正確輸出，而將無用信號盡可能抑制。
3.2 器件選擇
本方案中，傳聲器選用一般的全向傳聲器即可，低通濾波器選用普通低通濾波器即可，在此增加濾波器的目的是將聲信號的頻率限定在 3400Hz以內。經過濾波后的模擬音頻信號，要進行數字化處理過程即 A/D變換，即通過抽樣、量化、編碼，將模擬信號轉化為數字信號。在此過程中，由于量化存在量化誤差（噪聲），因此不可避免地產生信號損失，特別是對于小信號來講，有可能完全丟失，因此，如果 A/D變換器件動態范圍不足，就會造成很多有用的小信號被量化為零。因此，在滿足采樣頻率條件下，應該選擇采樣精度較高的 A/D變換器，使得量化失真盡可能小（這也是器件選擇的一個原則）。當然，在本方案中，由于直接處理的模擬信號頻率較低，市場上的 AD7870、AD7870A是不錯的 A/D變換器，其精度均為 12bit。
經過模數轉換后，將各路數字信號送入數字信號處理模塊進行處理，對于擴聲系統來講，在有效抑制各種無用信號（取決于算法的有效性）的前提下，對實時性要求很高，這對數字信號處理器的選擇就有一定的要求，對于數字信號處理器件來講，選擇時要考慮其運算的速度、精度，以及存儲器的大小等。
本設計方案中， DSP芯片選用 Ti公司的 TMS320VC5509A,內部集成了一個 C54x內核， 128KBΧ16位片上 RAM存儲器，具有最大 8MB Χ16位的外部存儲空間。其主要特點有 [4]：
CPU：兩個乘法累加單元（ MAC）；40位的算術邏輯單元和一個 16位的算術邏輯單元；多總線結構等。
存儲器：128KBΧ16位片上 RAM存儲器；8MB Χ16位的外部存儲空間等。
片上外設：2個 20位定時器；6通道直接存儲器存取控制器（DMA）等。
3.3仿真結果
本仿真假設傳聲器陣列由 4個傳聲器組成線陣，采用 MUSIC算法[5][6]，相鄰傳聲器之間的距離為 8cm，頻率為 2kHz，仿真分為兩種情況，圖 4假定有兩個我們需要的信號，其輸入信噪比為 34dB（實際擴聲系統中可以達到），兩個期望望信號入射角分別為 30度和 70度時的仿真結果，可見，在兩個有用信號方向上，傳聲器陣列有較大的功率譜輸出，而在其余方向上（對應無用信號），功率譜很小 [4]。（圖中橫軸表示入射角度，縱軸表示陣列輸出功率譜密度。）
圖 5是在輸入信噪比為 25dB，期望信號入射角分別為 15度時的仿真結果。
從仿真結果來看，對于有用信號來講，有較大的輸出結果（也可理解為有較大的信噪比），而對無用信號來講，均被衰減到很小的結果，可見算法的有效性。
4結束語
對室內擴聲系統性能的改善，可以采用的方法很多，比如，建筑聲學方法，電聲方法等，本文提出的基于 DSP技術的擴聲系統，理論上來講，確實也可以起到改善性能的目的，同時，系統也不是非常復雜，只要在擴聲系統中增加陣列處理部分（可以集成到功放中），然后經過相反的處理過程即可。當然，如何更有效地改善系統性能，還有待科研工作者繼續努力。本文作者創新點：現代信號處理技術應用于室內擴聲系統中，在擴聲系統中增加陣列信號處理部分，利用高效有效的算法，結合數字信號處理技術，利用數字信號處理器件，使室內聲場的無用信號得到很好的抑制。