地铁车厢中广播自适应音量控制系统的设计

雷星蒙 孙婧楠 肖曼琳

摘 要 自适应音量广播系统适用于地铁车厢中所播放的业务广播，实现在一个可辨识度高、适宜人耳收听的音量区间内，进行广播音量的自动控制。由于在采集环境噪声的过程中会拾取到播放音，所以在利用Matlab软件设计的自适应算法中，包含了NLMS回波抑制法去除播放音，从而获得实际的环境噪声。在此基础上，计算出某一小段时间内的噪声和原始广播的平均能量，计算两者差值，和既定的自适应增益进行比较，在原始广播信号基础上叠加增益，播放出适应当下情况的广播音量。系统硬件部分以STC89C52芯片为处理器核心，将由A/D转换器转换出的数字信号会进行储存和运算。

关键词 音量；广播系统；地铁

中图分类号 TN93 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）208-0066-02

广播系统多安装于人流集中的地方，比如机场、车站、码头、商场等公共场合。它常常用于播报实时信息和紧急疏散信息，或播放背景声。不过，由于在公共场合下，类似车辆启动制动造成的噪音、嘈杂的人声会影响广播效果，因此在不同的情况下广播音量的分贝是需要调整的。同样，地铁车厢作为乘客密度大的场所，噪音是无序并多变的，手动调节广播系统音量是不现实的，因此广播音量自适应系统的出现可以实时处理环境噪音和播放声音能量不匹配的情况，首先保证人耳能清晰辨别广播内容，有效地保障和提高信息的传播效率；其次保证乘客收听的舒适度，减少公共广播对环境的污染。

1 系统的背景

地铁车厢中的广播内容主要包括背景音樂、业务宣传服务广播和应急广播。大致来说，音量自适应功能的适用于前两类广播内容，其中业务广播对此功能的需求尤为明显。

目前，相关的自适应系统在声音处理上通常被称为“信噪比自适应”。这是指从现场拾取的音源信噪比信号中辨别出噪声信号，并且按照噪声增益规律保持合适的扩声音量。其应用有大环路的信噪比自适应电路、局部功能的信噪比自适应电路等[ 1 ]。

2 系统的设计方案

自适应音量广播系统适用于地铁车厢中所播放的业务广播，包括安全提示、到站提醒等。但音量自动调节的范围是需要控制的。在地铁车厢广播系统中，当广播音量低至65dB时，即使环境噪声再小，音量也不宜随之降低，否则会影响内容的识别；当广播音量升至90dB时，音量也不宜随之增大，一是可能会导致超负荷运行或是产生高度失真，二是造成对环境的噪声污染。因此，在地铁车厢中播放的广播音量应在65dB～90dB的区间中。

车厢中音量自动控制的噪声信号取自现场，按照从现场获取的真实噪声信号与播放中的广播信号进行比较，自主调节扬声器播放信号的声压，从而保证两者之间存在较为稳定的分贝差值。

其中广播信号y（t）和环境噪声信号n（t）之间存在固定的相对关系，经过信道的信号z（t）=y（t）+n（t），由MIC收集。

3 系统的算法设计

若要实现声压级的自动控制，就需要分辨出现场真实环境的噪声信号的声压级。但是，在实际系统运行的情况下，由于正在播放的广播音频信号与周围环境噪声同时存在，播放音的回波，往往会被拾取成为噪声的一部分，因而获取的噪声信号能量会高于真实情况。这会导致环境噪声的误判偏大，现场的广播音量随之被调高，一而再再而三的误判将导致自适应系统的失灵，甚至造成严重的环境噪声污染。因此自适应控制系统在真实噪声信号与播放中的广播信号进行比较之前，需要将播放中音频信号的回波抑制掉。

自适应滤波器在不同情况下对于性能的要求是有所区别的，它的性能主要取决于其自适应算法。所以，在平稳状态中，对算法的关键性能参数（收敛速度、收敛性、稳态误差）进行分析是十分必要的。与此同时，还需要考虑计算难度对运行效率的影响。

回波抑制常用的方法有递推最小二乘算法RLS、最小均方误差算法LMS、归一化最小均方误差算法NLMS等。RLS算法虽然对非稳信号的适应性好，但计算难度高，不适合实时性的应用；LMS算法计算复杂度低，在平稳信号的环境中的收敛性好，但稳态误差和收敛速度不能同时达到最优；NLMS则在保留LMS优势的基础上，收敛速度更快，稳态误差更小[ 2 ]。

因此，为了减少计算复杂度，需要先进行互相关运算估计回波的延时，再对输入的音频源进行延时预处理，然后利用NLMS自适应滤波算法提取真实的噪声信号。

其中，x（n）为播放源信号，y（n）为环境噪声，z（n）为经过自适应系统处理的信号。

4 系统的工作步骤

1）播放音频源文件。

系统输入的音频源文件信号的平均能量是已知并且恒定的。

2）检测环境噪声，计算出真实环境噪声的大小。

（1）利用互相关算法计算出检测到的噪声信号和音频源信号的互相关，估计得出回波信号的延时。

（2）对输入的音频源信号进行延时处理。

（3）利用NLMS自适应滤波算法抑制检测到的噪声信号中的回波信号，从中拾取真正的环境噪声信号。

3）比较真正的环境噪声大小和广播音量大小，调节播放音量。

（1）对得到的噪声信号进行滑动平均处理，减少信号变化的剧烈程度。

（2）根据设定的增益来调节播放音。

5 系统的硬件设计

1）噪声采集装置。利用MIC模块收集所需要的语音信号，并将其转换成模拟电信号，再利用采集装置中的三极管将弱信号放大和滤波器滤波采样。最后通过PCF8591芯片的A/D模块将其转换成数字信号并存储在单片机中。

2）PCF8591芯片。A/D和D/A转换部分采用PCF8591芯片，它可以进行8-bit模数转换和8-bit数模转换。在该芯片中，引脚AIN0-AIN3为模拟信号输入端，A0到A2为引脚地址端。一般利用PCF8591的3个地址引脚A0，A1和A2进行数据的模拟输入与输出，并将数据以串行方式通过I2C总线接口进行传输。

3）STC89C52芯片。单片机的芯片采用STC89C52芯片，它是一种性能高、耗能低的8位CPU微控制器。它虽然采用传统的51单片机内核，但其内部多了一个EEPROM空间，可以通过串口下载程序，执行命令的速度更快。它的8位CPU和可编程Flash功能，可以在很多应用系统上提供更加优益的方法。STC89C52芯片会将由A/D转换器转换出的数字信号会进行储存和运算。

4）语音模块。设计中的播放模块采用的是SYN6288芯片。它是一款语音合成芯片，通过异步串行通讯（UART）接口，在瞬时实现与处理器间数据的双向传输。并且利用TxD和RxD以及GND实现串口通信。它可以接受STC89C52芯片运算处理后的指令，并调整音量将已经储存好的语音播放出去。

6 结论

本设计的音量控制系统算法与硬件结构简单，对于音量的调控较为准确，可以在不同环境中应用，能够在非极端条件下实现音量的自动调控，可较好地适应环境噪声，硬件性价比较高，适用面较广。

参考文献

[1]马跃进.公共广播信噪比自适应声压自动控制及应用[J].北京：中国高新技术企业，2009（17）：53-55.

[2]赵凡，祁才君.一种自适应调节音量大小的音频播放设备和方法：中国，102760461B[P]. 2012.05.28.

[3]江苏蓬，杨雨涵，张震，等.自适应智能语音报站系统[J].北京：电子技术与软件工程，2016（15）：57-58.