基于激光传感器的音频信号处理系统

王晓蒙

(陕西交通职业技术学院 轨道交通学院， 陕西 西安 710018)

0 引言

随着信号处理技术、声音采集技术的不断成熟，出现了许多音频信号，相对于其他信号，音频信号具有一定的优点，因此在许多领域得到了广泛应用，如智能导航、语音识别、智能监测等[1-3]。在音频信号的实际应用过程中，包括许多关键技术，如音频信号的采集，音频信号的识别等，因此设计性能优异的音频信号处理系统一直是人们追求的目标，成为信号处理与分析领域中的研究热点[4-6]。

近年来，众多学者对音频信号处理系统进行了深入研究，国外一些发达国家的音频信号处理技术相当成熟，而国内的音频信号处理研究相对较晚[7]，有学者提出了基于DSP的音频信号处理系统[8]，该系统通过DSP搭建音频信号处理平台，但是该系统的音频信号处理过程比较复杂，音频信号处理时间长[9]；有学者提出了基于虚拟仪器技术的音频信号处理系统[10]，采用虚拟仪器对音频信号进行采集，然后通过一定技术对音频信号进行识别和处理，该方法的音频信号处理效率明显提升，但是音频信号处理误差比较大，无法获得理想的音频信号处理结果[11]。

针对当前系统存在音频信号处理误差大、耗费时间长等不足，以提高音频信息处理正确率，设计了基于激光传感器的音频信号处理系统，并与其他音频信号处理系统进行了对比实验，结果表明，本文系统是一种正确率高，实时性好的音频信号处理系统。

1 激光传感器的音频信号处理系统的总体设计

1.1 音频信号处理系统的总体框架

激光传感器的音频信号处理系统包括2个部分：硬件子系统和软件子系统，其功能模块划分为：发射信号模块、信号接收模块、信号处理模块、音频放大模块、音频信号识别模块和音频信号输出模块。激光传感器的音频信号处理系统工作原理为：首先采用激光传感器采集信号，并将信号发送到音频信号处理模块，然后在音频信号处理模块进行信号放大操作、分类识别，最后将音频信号通过输出模块输出，激光传感器的音频信号处理系统的总体框架如图1所示。

图1 激光传感器的音频信号处理框图

1.2 音频信号处理系统的总体方案

激光传感器的音频信号处理系统的核心为信号主控模块，对系统中的其他模块进行控制和协调，它们处于一种同步状态。因此，系统的总体设计方案为激光传感器负责接收和发射信号，信号经过音频处理电路进行放大操作，信号主控模块通过一定指令作用于系统的扬声器，通过扬声器输出不同频率的音频，信号主控模块周期性得到激光传感器采集的信号，激光传感器音频信号接收模块划为7个通道，每一个通道表示一种音符，具体如表1所示。

表1 激光传感器接收通道对应的音符

2 激光传感器的音频信号处理系统的详细设计

2.1 音频信号处理系统的硬件设计

2.1.1 音频信号处理系统的主控制器

在音频信号处理系统的主控制器中，主控制芯片为STM32F103C8T6，内核为采用嵌入技术的Cortex-M3，有多个引脚和接口，接口的类型包括外部终端接口和通信接口，主控制芯片的电压低，这样使得音频信号处理系统的工作成本低，而且可以根据音频信号处理系统的工作状态进行智能电压调节，保证主控制芯片长期处于一种稳定状态，使得音频信号处理系统的输出更加可靠。

2.1.2 音频信号采集的激光传感器设计

本文设计的音频信号处理系统与传统音频信号处理系统最大的区别是本文引入了激光传感器进行音频信号的采集，即负责音频信号的接收和发送。激光传感器的主要部分包括二极管、镜头、驱动电路，其中二极管的工作波长为405-1 550 nm，镜头通过光学原理改变发散角和光斑值，驱动电路主要负责电流和功率控制，电流控制单元保证输入电流处于恒定范围，功率控制可以智能、自适应地根据输入电流调节输出光功率。

激光传感器音频信号接收模块划为7个通道，每一个通道均有发射与接收功能，这样构成了7个音符线路，在正常状态下，激光传感器的输出电压范围为0-5 V，激光传感器的接收光谱区间为400-1 000 nm，在非理想环境下，如室外含噪声的场景下，需适当提高激光传感器的功率，以提高音频信号采集和输出的稳定性。

2.1.3 音频信号处理系统的声音驱动模块

音频信号的声音驱动模块很重要，直接影响音频信号的质量，由于有时音频信号比较弱，因此声音驱动电路通常包括一个音频信号放大单元，负责将一个弱的音频信号放大，并且使放大后的音频不发生变形，该电路为TDA7297，TDA7297具体设置如表2所示。

表2 声音驱动电路TDA7297的参数

TDA7297的两个输入端和主控制芯片相连接，同时其输出端与扬声器输入端连接，扬声器得到信号后，可以产生相应的音符。

2.2 音频信号处理系统的软件设计

软件是音频信号处理系统的灵魂，硬件需要有与其相应的软件，才能够得到比较理想的音频信号处理结果。音频信号处理系统的软件主要包括主控制程序、信号采样时延程序、信号周期采集定时器、音频信号数模变换程序、音频信号识别和分类程序和音频信号输出，还包括一些中断子程序等。主程序主要负责寄存器地址、变量的初始化和各子程序之间的协调。

3 音频信号处理系统的性能测试结果与分析

3.1 测试环境的设置

为了测试激光传感器的音频信号处理系统有效性，对其进行仿真测试。仿真测试实验环境为：硬件为4核 Intel2.8 GHz的CPU，16 GB DDR2000的内存；软件为Win 10操作系统，MATLAB 2019工具箱。音频信号处理系统的相关参数设置如表3所示。

表3 音频信号处理系统的相关参数设置

在相同仿真测试环境下，选择基于DSP的音频信号处理系统和基于虚拟仪器技术的音频信号处理系统进行对比测试。

3.2 测试实验对象

采用不同的音频信号作为测试对象，音频信号变化曲线具体如图2所示。

图2 音频信号处理的实验对象

选择音频信号处理的正确率和音频信号处理时间作为实验结果的评价标准。

3.3 结果与分析

3.3.1 不同系统的音频信号处理结果对比

为了验证音频信号处理效果，每一种系统进行5次音频信号处理实验，统计不同系统的音频信号处理正确率和误差，结果分别如图3、图4所示。

图3 不同系统的音频信号处理正确率

图4 不同系统的音频信号处理错误率

分析图3和图4的音频信号处理结果可以发现，随着迭代次数不断增加，音频处理正确率不断增加，音频信号处理误差逐步下降；在相同的迭代次数时，本文系统的音频处理正确率要高于两种对比系统，减少了音频信号处理误差，获得了更优的音频信号处理结果。

3.3.2 不同系统的音频信号处理实时性对比

为了进一步测试音频信号处理系统的优越性，统计3种系统的音频信号处理时间，结果如表4所示。对表4的音频信号处理时间进行分析可以发现，相同实验环境下，本文系统的音频信号处理时间最少，而对比系统的音频信号处理时间相对较长，本文系统提高了音频信号处理速度，具有更好的音频信号处理实时性。

表4 不同系统的音频信号处理时间比较/s

4 总结

音频信号处理系统直接影响音频信号的质量，因此一直是人们关注的焦点。为了解决当前音频信号处理系统存在的一些局限性，获得更优的音频信号处理结果，设计了基于激光传感器的音频信号处理系统。首先设计了音频信号处理系统的总体结构，然后分别对系统的硬件和软件部分进行设计，由于本文采用光传感器采集音频信号，加快了音频信号采集速度，获得的音频信号处理结果要优于对比系统，具有更加广泛的应用范围。