一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法技术

本发明专利技术公开了一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法，该方法能够实现音频的高品质输出，引入智能设备反馈模块，通过通信模块将修改的参数和数据检测的结果反馈到音频数据采集阵列和音频数据预处理模块，不仅能够自适应调节扩声系统音频，还能够根据不同的标准人工的调整扩声系统音频，解决了传统扩声系统只能人工调试的局限性，同时也解决了改进的自适应扩声系统音质调节不可靠

【技术实现步骤摘要】
一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法


[0001]本专利技术涉及声音处理放大领域，具体是一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法
。

技术介绍

[0002]扩声系统是众所周知的音响设备，扩声系统会受音箱的位置和声音的传播环境因素的影响，往往存在传输速度慢
、
存储介质损耗大
、
音色失真
、
声音干涩
、
无法还原真实的音效的问题
。
传统的扩声系统音质调整方法是在所需检测位置放置音效检测设备并与主机建立无线连接
。
启动检测系统，并打开待调试设备，检测设备收集音效信号并将其反馈给主机
。
工作人员根据各位置的音效信号对调音台或音响设备进行手动调试
。
这种方法依旧需要人工操作，过程复杂，无法确保精确性和一致性
。
[0003]近年来，随着数字信号处理技术的发展，一些新的音质调整方法引入到扩声系统中，现有的音质调整方法主要是利用数字延迟处理
、
自适应滤波方法，但存在以下几个问题：一是复杂性高，实现成本较高问题，二是具有一定的局限性，不同环境和音乐的要求不同，需要对参数进行反复调整，三是很难进行标准化，造成同样的声音效果在不同设备上差异较大
。

技术实现思路

[0004]针对以上问题，本专利技术提出了一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法，该方法能够实现音频的高品质输出，不仅能够自适应调节扩声系统音频，还能够根据不同的标准人工的调整扩声系统音频，解决了传统扩声系统只能人工调试的局限性，同时也解决了改进的自适应扩声系统音质调节不可靠
、
不灵活的问题，引入数字化技术及哈夫曼编码，解决传统扩声系统传输速度慢，以及存储转发过程中资源消耗问题
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一，音频数据采集阵列：采用一套高速
、
高精度的采样方案，根据反馈信号和调节信号调整矩阵增益，便于后续的数学处理；
[0007]步骤二，信号数据预处理，是该系统中最重要的模块，用于处理输入的数字音频信号，并将其传输到音频传输模块，在此模块中，实施了与数字音频信号相关的差分
、
滤波
、DSP
处理
、
频域调节
、
时域调节音效处理操作；
[0008]步骤三，信号传输模块，用数字信号代替电信号的方式省却了晶体管放大器以及电容原件，对于硬件来说其依赖程度得到了降低，在稳定程度方面也相对比较高，避免了电子元件的误差影响造成失准的缺点；
[0009]步骤四，扬声器输出阵列，将调整后的数字信号应用于不同的输出模式和输出格式，必要时将数字信号转化成模拟信号；
[0010]步骤五，智能设备反馈，通过这些反馈机制，智能设备更有效地与用户交互
、
提供
服务
。
[0011]作为本专利技术进一步的技术方案，在步骤一中，音频数据采集阵列具体包括以下步骤：
[0012]步骤1，预处理：在进行数据采集之前，需要对现场进行调查评估，制定扩声系统的需求规格，以便采集的数据能够适用于确定配置性能和参数，需要确定所需声音主体和辅助声源的数量和位置；根据智能设备反馈逐通道输出
1KHZ
测试信号，通过音频数据采集阵列采集的声音信号，逐步提升音频数据预处理模块增益直到采集到每个通道的响度满足预设模板值，预设模板值需要在设备内部预设；
[0013]步骤2，采集反馈信号：智能设备中的应用程序会将分频器
、
均衡器
、
延时器相关参数信息呈现在手机频幕上，用户通过调整分频器参数或者手动绘制频响曲线来输入相关参数，输入的参数经过分析后会传输到音频数据采集阵列；
[0014]步骤3，采集信号源信号：利用专业设备对场地杂音进行测量，并以此为参考单元，采用声差法对环境声自动过滤，确定信号类型
、
选择传感器
、
连接信号源和采集设备
、
设置采样参数
、
启动采集设备
、
进行数据记录和处理，最后停止采集；
[0015]步骤4，采样：将模拟音频信号通过采样器进行采样，音频信号的采样频率取决于信号本身的频率范围和恢复时间，以及系统数据处理能力，在本专利技术中，采样频率为
45kHz
，即每秒对音频信号进行
45000
次采样；
[0016]步骤5，存储：将信号存储在计算机内存中，确定采样值的存储介质，在本专利技术中采用设备内存，确定采样值的存储方式，根据数据访问的要求和性能需求，选择顺序存储
。
[0017]作为本专利技术进一步的技术方案，在步骤二中，信号数据预处理具体包括以下步骤：
[0018]步骤1，差分运算
(Difference Operation)
：通过步骤1中的采样，得到离散信号，在离散时间域中，差分可以通过计算相邻样本之间的差异来实现，具体公式如下：
[0019]D[n]＝
a*(x[n]‑
x[n
‑
1])
[0020]其中，输入信号为
x[n]，差分信号为
D[n]，
a
为调整系数；
[0021]步骤2，阈值检测
(Thresholding)
：设置一个阈值，将差分信号绝对值与该阈值进行比较，当差分值超过设定的阈值时，可以认为出现了波动异常；
[0022]步骤3，滤波：对波动信号进行滤波处理，通过应用滤波器来消除噪声以及细小波动的影响，以下是具体步骤：
[0023]步骤
s1
，使用一种均衡器设计双二阶
IIR
滤波器，并引入动态音量压缩和频率响应平滑处理，设计有五个频段的均衡器，对应的增益和中心频率分别为：
G1,G2,G3,G4,G5
和
f1,f2,f3,f4,f5
，对于每个频段
i
，计算
IIR
滤波器的系数，具体公式如下：
[0024][0025]Bi1
＝
‑
2*cos(wi)
；
[0026]Ai0
＝
‑
2*cos(wi)
；
[0027]其中，
Fs
是音频采样率，
Fi
是频段
i
的中心频率，
Bwi
是频段
i
的带宽，
Gi
是频段
i
的增益
。
[0028]步骤
s2
，控制音频信号的动态范围，使得输出音频在高音量情况下不会失真
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，音频数据采集阵列：捕捉声音提供音频信号，根据反馈信号和调节信号调整矩阵增益；步骤二，信号数据预处理，使用差分
、
滤波
、
频域调节
、
时域调节处理数字音频信号，滤波部分使用均衡器设计双二阶
IIR
滤波器，动态控制音频
、
音量和增益；包括动态控制音频
、
动态控制音量
、
动态调整增益和额外平滑处理，具体过程如下：步骤1，差分运算：在离散时间域中，差分通过计算相邻样本之间的差异来实现，具体公式如下：
D[n]
＝
a*(x[n]
‑
x[n
‑
1])
；其中，输入信号为
x[n]
，差分信号为
D[n]
，
a
为调整系数；步骤2，阈值检测：设置一个阈值，将差分信号绝对值与阈值进行比较，当差分值超过设定的阈值时，认为出现波动异常，进行步骤3的调整；步骤3，滤波：对波动信号进行滤波处理，应用滤波器来消除噪声以及细小波动的影响；步骤4，利用预加重网络，人为加重输入信号的高频分量，在输出端进行相反的信号处理，减小噪声的高频分量，能够提高输出信噪比；步骤5，根据不同的环境和音频类型，结合音乐信号的统计特性和人耳的感知机制，通过对音频信号的频域分析和时域分析，在不改变动态范围的情况下优化音频信号：步骤三，信号传输模块使用哈夫曼编码构建可变长度编码，减少传输和存储数据所需的比特数；步骤四，扬声器输出阵列，将调整后的数字信号应用于不同的输出模式和输出格式；步骤五，智能设备反馈，通过反馈机制，实现智能设备与用户交互
。2.
根据权利要求1所述的一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法，其特征在于
,
在步骤一中，音频数据采集阵列包括预处理
、
采集反馈信号
、
采集信号源信号
、
采样
、
存储，具体过程如下：步骤1，预处理：数据采集之前，确定所需声音主体和辅助声源的数量和位置；根据智能设备反馈逐通道输出
1KHZ
测试信号，通过音频数据采集阵列采集的声音信号，逐步提升音频数据预处理模块增益直到采集到每个通道的响度满足预设模板值；步骤2，采集反馈信号：智能设备中的应用程序将分频器
、
均衡器
、
延时器参数信息呈现在频幕上，通过调整分频器参数及手动绘制频响曲线来输入参数，输入的参数经过分析后传输到音频数据采集阵列；步骤3，采集信号源信号：采用声差法对环境声自动过滤，确定信号类型
、
选择传感器
、
连接信号源和采集设备
、
设置采样参数
、
启动采集设备
、
进行数据记录和处理，最后停止采集；步骤4，采样：将模拟音频信号通过采样器进行采样，音频信号的采样频率为
45kHz
；步骤5，存储：将信号存储在计算机内存中，采用设备内存的存储介质，根据数据访问的要求和性能需求，选择顺序存储存储方式
。3.
根据权利要求1所述的一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法，其特征在于
,
在步骤二中，用滤波器来消除噪声以及细小波动的影响的具体步骤包括：步骤
s1
，使用均衡器设计双二阶
IIR
滤波器，并引入动态音量压缩和频率响应平滑处
理，设计有五个频段的均衡器，对应的增益和中心频率分别为：
G1,G2,G3,G4,G5
和
f1,f2,f3,f4,f5
，对于每个频段
i
，计算
IIR
滤波器的系数，具体公式如下：滤波器的系数，具体公式如下：
Bi1
＝
‑
2*cos(wi)
；；
Ai0
＝
‑
2*cos(wi)
；其中，
Fs
是音频采样率，
Fi
是频段
i
的中心频率，
Bwi
是频段
i
的带宽，
Gi
是频段
i
的增益；步骤
s2
，控制音频信号的动态范围，使得输出音频在高音量情况下不会失真；步骤
s3
，将经过动态音量压缩和频率响应平滑处理后的音频信号
T[n]
输入到
IIR
滤波器进行频率调整，具体过程如下：
(1)Yi[n]
＝
Bi0*T[n]+Bi1*T[n
‑
1]+Bi2*T[n
‑
2]
‑
Ai1*Yi[n
‑
1]
‑
Ai2*Yi[n
‑
2]
；
(2)
将所有频段的输出相加得到最终输出：
Y[n]
＝
Y1[n]+Y2[n]+Y3[n]+Y4[n]+Y5[n]
；步骤
s4
，调整音频信号的动态范围，使得较强的信号变得较弱，增强较弱信号的音量，使整体音频平衡和统一，具体过程如下：
(1)
计算音频动态范围控制的增益
Dg
＝
(1
‑
Ds)+Ds*exp(
‑
|T[n]|)
，其中
Ds
为音频动态范围控制的强度；
(2)
音频动态范围控制增益：
Xc[n]
＝
Dg*T[n]
步骤
s5
，根据音频信号的动态变化，调整不同频段的响应，使得音质调整更加自适应，具体过程如下：
(1)
计算动态响应调整的增益：其中
DR_t
为动态响应调整的阈值，
DR_g
为增益范围；
(2)
应用动态响应调整增益：
Xr[n]
＝
DR*Xc[n]
步骤
s6
，额外平滑处理避免出现不连续和尖锐的音质变化
。4.
根据权利要求3所述的一种自适应音频数据采集和扩声的数据处理方法，其特征在于
,
在步骤
s2
中，控制音频信号的动态范围的具体步骤包括：
(1)|x[n]|>T
时，
Gv
＝
1+(R
‑
1)*(1
‑
exp(
‑
|x[n]|))
；
|x[n]|<
＝
T
时，
Gv
＝1；其中，
x[n]
为输入音频的采样值，
y[n]
为输出音频的采样值，
T
为压缩阈值，
R(R<1)
为压缩系数，
Gv
为音量增益；
(2)
动态压缩增益
xc[n]
＝

【专利技术属性】
技术研发人员：张彪，蒋承忠，
申请(专利权)人：华音珠海数字科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：