地鐵車廂中的業務廣播是自適應音量廣播系統，可以做到自動控制，在這個基礎上，可以算出在某段時間內噪聲和原始廣播的平均能量，計算出差值，和原來的自適應增益進行比較，在原始廣播信號基礎上疊加增益，播放出適應當下情況的廣播音量。

　　關鍵詞：音量,廣播系統,地鐵

　　廣播系統多安裝于人流集中的地方，比如機場、車站、碼頭、商場等公共場合。它常常用于播報實時信息和緊急疏散信息，或播放背景聲。不過，由于在公共場合下，類似車輛啟動制動造成的噪音、嘈雜的人聲會影響廣播效果，因此在不同的情況下廣播音量的分貝是需要調整的。同樣，地鐵車廂作為乘客密度大的場所，噪音是無序并多變的，手動調節廣播系統音量是不現實的，因此廣播音量自適應系統的出現可以實時處理環境噪音和播放聲音能量不匹配的情況，首先保證人耳能清晰辨別廣播內容，有效地保障和提高信息的傳播效率;其次保證乘客收聽的舒適度，減少公共廣播對環境的污染。

　　1 系統的背景

　　地鐵車廂中的廣播內容主要包括背景音樂、業務宣傳服務廣播和應急廣播。大致來說，音量自適應功能的適用于前兩類廣播內容，其中業務廣播對此功能的需求尤為明顯。

　　目前，相關的自適應系統在聲音處理上通常被稱為“信噪比自適應”。這是指從現場拾取的音源信噪比信號中辨別出噪聲信號，并且按照噪聲增益規律保持合適的擴聲音量。其應用有大環路的信噪比自適應電路、局部功能的信噪比自適應電路等[ 1 ]。

　　2 系統的設計方案

　　自適應音量廣播系統適用于地鐵車廂中所播放的業務廣播，包括安全提示、到站提醒等。但音量自動調節的范圍是需要控制的。在地鐵車廂廣播系統中，當廣播音量低至65dB時，即使環境噪聲再小，音量也不宜隨之降低，否則會影響內容的識別;當廣播音量升至90dB時，音量也不宜隨之增大，一是可能會導致超負荷運行或是產生高度失真，二是造成對環境的噪聲污染。因此，在地鐵車廂中播放的廣播音量應在65dB～90dB的區間中。

　　車廂中音量自動控制的噪聲信號取自現場，按照從現場獲取的真實噪聲信號與播放中的廣播信號進行比較，自主調節揚聲器播放信號的聲壓，從而保證兩者之間存在較為穩定的分貝差值。

　　其中廣播信號y(t)和環境噪聲信號n(t)之間存在固定的相對關系，經過信道的信號z(t)=y(t)+n(t)，由MIC收集。

　　3 系統的算法設計

　　若要實現聲壓級的自動控制，就需要分辨出現場真實環境的噪聲信號的聲壓級。但是，在實際系統運行的情況下，由于正在播放的廣播音頻信號與周圍環境噪聲同時存在，播放音的回波，往往會被拾取成為噪聲的一部分，因而獲取的噪聲信號能量會高于真實情況。這會導致環境噪聲的誤判偏大，現場的廣播音量隨之被調高，一而再再而三的誤判將導致自適應系統的失靈，甚至造成嚴重的環境噪聲污染。

　　因此自適應控制系統在真實噪聲信號與播放中的廣播信號進行比較之前，需要將播放中音頻信號的回波抑制掉。自適應濾波器在不同情況下對于性能的要求是有所區別的，它的性能主要取決于其自適應算法。所以，在平穩狀態中，對算法的關鍵性能參數(收斂速度、收斂性、穩態誤差)進行分析是十分必要的。與此同時，還需要考慮計算難度對運行效率的影響。

　　回波抑制常用的方法有遞推最小二乘算法RLS、最小均方誤差算法LMS、歸一化最小均方誤差算法NLMS等。RLS算法雖然對非穩信號的適應性好，但計算難度高，不適合實時性的應用;LMS算法計算復雜度低，在平穩信號的環境中的收斂性好，但穩態誤差和收斂速度不能同時達到最優;NLMS則在保留LMS優勢的基礎上，收斂速度更快，穩態誤差更小[ 2 ]。

　　因此，為了減少計算復雜度，需要先進行互相關運算估計回波的延時，再對輸入的音頻源進行延時預處理，然后利用NLMS自適應濾波算法提取真實的噪聲信號。

　　其中，x(n)為播放源信號，y(n)為環境噪聲，z(n)為經過自適應系統處理的信號。

　　4 系統的工作步驟

　　1)播放音頻源文件。

　　系統輸入的音頻源文件信號的平均能量是已知并且恒定的。

　　2)檢測環境噪聲，計算出真實環境噪聲的大小。

　　(1)利用互相關算法計算出檢測到的噪聲信號和音頻源信號的互相關，估計得出回波信號的延時。

　　(2)對輸入的音頻源信號進行延時處理。

　　(3)利用NLMS自適應濾波算法抑制檢測到的噪聲信號中的回波信號，從中拾取真正的環境噪聲信號。

　　3)比較真正的環境噪聲大小和廣播音量大小，調節播放音量。

　　(1)對得到的噪聲信號進行滑動平均處理，減少信號變化的劇烈程度。

　　(2)根據設定的增益來調節播放音。

　　5 系統的硬件設計

　　1)噪聲采集裝置。利用MIC模塊收集所需要的語音信號，并將其轉換成模擬電信號，再利用采集裝置中的三極管將弱信號放大和濾波器濾波采樣。最后通過PCF8591芯片的A/D模塊將其轉換成數字信號并存儲在單片機中。

　　2)PCF8591芯片。A/D和D/A轉換部分采用PCF8591芯片，它可以進行8-bit模數轉換和8-bit數模轉換。在該芯片中，引腳AIN0-AIN3為模擬信號輸入端，A0到A2為引腳地址端。一般利用PCF8591的3個地址引腳A0，A1和A2進行數據的模擬輸入與輸出，并將數據以串行方式通過I2C總線接口進行傳輸。

　　3)STC89C52芯片。單片機的芯片采用STC89C52芯片，它是一種性能高、耗能低的8位CPU微控制器。它雖然采用傳統的51單片機內核，但其內部多了一個EEPROM空間，可以通過串口下載程序，執行命令的速度更快。它的8位CPU和可編程Flash功能，可以在很多應用系統上提供更加優益的方法。STC89C52芯片會將由A/D轉換器轉換出的數字信號會進行儲存和運算。

　　4)語音模塊。設計中的播放模塊采用的是SYN6288芯片。它是一款語音合成芯片，通過異步串行通訊(UART)接口，在瞬時實現與處理器間數據的雙向傳輸。并且利用TxD和RxD以及GND實現串口通信。它可以接受STC89C52芯片運算處理后的指令，并調整音量將已經儲存好的語音播放出去。

　　6 結論

　　本設計的音量控制系統算法與硬件結構簡單，對于音量的調控較為準確，可以在不同環境中應用，能夠在非極端條件下實現音量的自動調控，可較好地適應環境噪聲，硬件性價比較高，適用面較廣。

　　參考文獻：

　　[1]馬躍進.公共廣播信噪比自適應聲壓自動控制及應用[J].北京：中國高新技術企業，2009(17)：53-55.

　　[2]趙凡，祁才君.一種自適應調節音量大小的音頻播放設備和方法：中國，102760461B[P]. 2012.05.28.

　　[3]江蘇蓬，楊雨涵，張震等.自適應智能語音報站系統[J].北京：電子技術與軟件工程，2016(15)：57-58.

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