基于功率譜估計值的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)設(shè)計

侯昀晨

摘? 要： 針對傳統(tǒng)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)錄音質(zhì)量差的問題，設(shè)計一種基于USB主機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)，以解決錄音質(zhì)量差的問題。該系統(tǒng)硬件主要包括PCM編碼電路和USB主機(jī)接口芯片，實現(xiàn)音樂信號的A/D轉(zhuǎn)換和音樂數(shù)據(jù)采集功能;系統(tǒng)軟件主要解決錄音質(zhì)量問題。首先對音頻幀劃分和音樂數(shù)據(jù)采樣，其次為減少噪聲數(shù)據(jù)，對音樂端點(diǎn)檢測，并利用三角濾波器公式處理頻域，最后采用譜相減法和掩蔽比較法去除背景噪聲，以此完成了基于USB主機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)的設(shè)計。實驗對比結(jié)果表明，此次設(shè)計的系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)錄音質(zhì)量高，能夠滿足數(shù)字化音樂錄音的質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化音樂錄音; 系統(tǒng)設(shè)計; USB主機(jī)結(jié)構(gòu); 數(shù)據(jù)采樣; 噪聲去除; 對比驗證

中圖分類號： TN711.5?34; TP334? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）10?0063?03

Design of digitization music recording system based on power spectrum estimation value

HOU Yunchen

（Tianjin Foreign Studies University， Tianjin 300204， China）

ABSTRACT： A digitization music recording system based on USB host structure is designed because the recording quality of the traditional digitization music recording system is poor. The hardware of the system mainly includes PCM encoding circuit and USB host interface chip， which are used to realize the functions of music signal A/D conversion and music data acquisition. The software of the system is applied to improving the recording quality mainly. The audio frames are divided and the music data is sampled first， and then the music endpoints are detected to reduce noise data and the frequency domain is processed with the triangular filter formula. The background noises are removed by means of the spectral subtraction and masking comparison methods， so as to complete the design of the digitization music recording system based on USB host structure. The experimental comparison results show that the designed system has higher recording quality than that of the traditional system， and can meet the quality requirements of digitization music recording.

Keywords： digitization music recording; system design; USB host structure; data sampling; noise remove; comparison validation

0? 引? 言

錄音技術(shù)隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展，因數(shù)字化錄音系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確可靠的原始錄音記錄，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到音樂錄音中。在音樂錄制過程中會產(chǎn)生大量音樂數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)中出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余情況。同時傳統(tǒng)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)不能有效對音樂錄音處理，導(dǎo)致錄音質(zhì)量低。針對這種情況，將USB主機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)中，設(shè)計一種基于USB主機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)。此次設(shè)計基于USB主機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)，硬件包括PCM編碼電路和USB主機(jī)接口芯片，軟件部分通過音頻幀劃分、音樂數(shù)據(jù)采樣、音樂端點(diǎn)檢測、頻域處理和去除背景噪聲五方面實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的設(shè)計。

1? 數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)硬件由PCM編碼電路和USB主機(jī)接口芯片兩部分組成，硬件的原理圖見圖1。

PCM編碼電路主要用來進(jìn)行系統(tǒng)中音樂數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，USB主機(jī)接口芯片[1?2]主要采集主機(jī)協(xié)議和音樂錄音數(shù)據(jù)。

1.1? PCM編碼電路設(shè)計

音樂PCM編碼將音樂信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字語音信號，采用DUFIO?23OUJ芯片，此芯片內(nèi)具有發(fā)送帶通濾波器和接收低通濾波器[3]，其原理如圖2所示。

PCM中音樂錄音數(shù)據(jù)的輸出與輸入通過RO+，RO-和TI+，TI-接口實現(xiàn);模擬信號通過PI，PO+，PO-實現(xiàn)，利用模擬信號驅(qū)動錄音設(shè)備工作;經(jīng)過PCM輸出的數(shù)據(jù)為串行輸出數(shù)據(jù)[4?5]，需要經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)音樂錄音的輸出。

1.2? USB主機(jī)接口芯片設(shè)計

USB主機(jī)接口芯片設(shè)計采用的DFHOA芯片是一種遵從USB 1.1協(xié)議的嵌入式芯片[6]。DFHOA功能模塊框圖如圖3所示。

DFHOA芯片能夠自動探測所接設(shè)備的速度，具有兩套并行寄存器，支持乒乓操作[7]。該芯片包括8位寬的數(shù)據(jù)總線，支持中斷操作。具體使用時，將其與微處理器、微控制器和DSP連接，控制DFHOA芯片作為主機(jī)或者從機(jī)工作方式的管腳接地，并以DFHOA芯片中A0情況對數(shù)據(jù)傳輸。同時硬件中的VDD引腳采用124電容，該引腳支持地址自增模式[8?9]，支持連續(xù)讀寫地址數(shù)據(jù)，以此完成系統(tǒng)硬件的設(shè)計。

2? 數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

在上述系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計，目的是提高音樂錄音質(zhì)量[10]。具體步驟如下：

1） 音頻幀劃分。采用音樂處理技術(shù)把語音按幀劃分和處理[11]。

2） 音樂數(shù)據(jù)采樣。相鄰的兩幀在相接處的采樣點(diǎn)會受到采樣間隔的影響，為消除這種影響，在幀與幀之間設(shè)置一半長度的幀移。設(shè)計中采用20 ms的方式作為一個音頻幀。音幀頻劃分原理如圖4所示。

3） 音樂端點(diǎn)檢測。音樂錄音的起點(diǎn)和終點(diǎn)會出現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)，因此查看錄音的開始和終點(diǎn)，計算公式如下：

[QS=az-1di-Λp] （1）

上述過程為音樂錄音數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，通過短時能量和過零率判斷語音信號起點(diǎn)，如果系統(tǒng)中的錄音區(qū)出現(xiàn)10幀以上的平均能量，表示其高于設(shè)定門限值，則為錄音區(qū)終點(diǎn)。

4） 頻域處理。在上述音樂端點(diǎn)檢測的基礎(chǔ)上，對音樂頻域變換，利用三角濾波器公式表示該頻域，計算公式為：

[Hk=2k-fi-1fi+1-fi-1，? k≥fi-12fi+1-kfi+1-fi-1，? k

通過上述過程完成對錄音的預(yù)處理，但是在實際系統(tǒng)錄入音樂時，會受到周圍噪聲干擾，該問題將在下一步解決。

5） 去除背景噪聲。采用譜相減法減去噪聲信號功率譜，得到純語音功率譜估計值，算法流程如圖5所示。

按照譜相減法理論，頻域公式如下：

[Sk=yt-k2] （3）

通過式（3）能夠去除大部分背景噪聲，再將掩蔽比較法應(yīng)用到噪聲去除瑕疵，計算公式如下：

[Gk=Sk?Mn] （4）

依據(jù)上述計算，完成對音樂錄音數(shù)據(jù)的處理，在實際使用該系統(tǒng)時，與USB主機(jī)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以此完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計。

3? 實驗對比

3.1? 系統(tǒng)測試平臺

為驗證此次設(shè)計的基于USB主機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行實驗對比。實驗硬盤內(nèi)存為4 GB，以ARMjh45為CPU的機(jī)構(gòu)，采用35 bit的指令集嵌入式處理器，片內(nèi)集成USB控制器。同時包括ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器支持0～15個階層。并設(shè)置實驗數(shù)據(jù)的采樣頻率最低為8 kHz，最高為15 kHz，采樣信號為單聲道16 bit PCM數(shù)據(jù)。實驗平臺如圖6所示。

在實際測試時，將PC機(jī)作為實驗主機(jī)，通過USB接口控制錄音的采樣頻率，采樣頻率控制需要小于USB實時傳輸所達(dá)到的最大值，保證數(shù)據(jù)采集時的準(zhǔn)確無誤。

3.2? 實驗結(jié)果分析

實驗以判斷錄音識別的正確次數(shù)判斷系統(tǒng)的錄音質(zhì)量實驗對象，進(jìn)行50次實驗。識別的正確次數(shù)越高，則代表系統(tǒng)錄音質(zhì)量高，反之代表錄音質(zhì)量低。實驗時分別使用2個系統(tǒng)錄入3句語音，對比2個系統(tǒng)的錄音后的錄音識別正確率，實驗對比結(jié)果如表1所示。分析上述實驗結(jié)果，總結(jié)出3點(diǎn)結(jié)論：

1） 語音時長的增加會降低錄音正確率。從實驗對比結(jié)果中能夠看出，此次設(shè)計系統(tǒng)受到錄音時長的影響較小，能夠保持較高的正確率;而傳統(tǒng)方法容易受到時長的影響，正確率隨著時間的增加而下降。

2） 傳統(tǒng)方法并沒有隨著采樣率的提高而增加錄音識別效果，說明傳統(tǒng)系統(tǒng)的錄音質(zhì)量低。

3） 綜合上述對比結(jié)果，因本文設(shè)計的系統(tǒng)能夠有效地將周圍環(huán)境的噪聲去除，并會在端點(diǎn)檢測時攔截實際的語音信號。故此次設(shè)計的系統(tǒng)錄音質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)錄音質(zhì)量。

綜上所述，將USB主機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到數(shù)字化錄音系統(tǒng)中，能夠有效控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，并且本文設(shè)計的基于USB主機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)能夠有效提高錄音質(zhì)量，比傳統(tǒng)系統(tǒng)的錄音質(zhì)量好，具有一定的實際應(yīng)用意義。

4? 結(jié)? 語

針對傳統(tǒng)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)錄音質(zhì)量差的問題，設(shè)計基于USB主機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化音樂錄音系統(tǒng)，其中硬件部分主要對錄音文件采集和輸出，軟件部分通過5個步驟實現(xiàn)，并進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的錄音系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)錄音質(zhì)量好，能夠滿足音樂錄音的質(zhì)量要求，具有一定的應(yīng)用效果。由于系統(tǒng)中眾多協(xié)議的限制，故在實際使用中需要進(jìn)一步加以完善和功能擴(kuò)展。

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