竺增寶，劉佩林

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200030）

車載音頻系統(tǒng)的自動(dòng)增益補(bǔ)償設(shè)計(jì)

竺增寶，劉佩林

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200030）

針對(duì)傳統(tǒng)車載音頻系統(tǒng)不能自動(dòng)適應(yīng)不斷變化的車內(nèi)聲音環(huán)境的問題，設(shè)計(jì)了基于DSP技術(shù)的自動(dòng)增益補(bǔ)償。首先測(cè)試分析當(dāng)前多媒體播放音量和車內(nèi)噪聲等關(guān)鍵因素對(duì)車內(nèi)收聽效果的影響，然后自動(dòng)調(diào)節(jié)車載音頻系統(tǒng)的增益和濾波器參數(shù)值，尤其對(duì)音量和響度進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，最終確保在不斷變化的車內(nèi)環(huán)境中高音質(zhì)的聽覺享受。實(shí)車測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)能有效地減少車內(nèi)噪聲影響，滿足車內(nèi)聽覺頻響特性。

車載音頻系統(tǒng)；自動(dòng)增益補(bǔ)償；音量補(bǔ)償；響度補(bǔ)償

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的快速穩(wěn)定增長(zhǎng)和電聲學(xué)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)車內(nèi)音頻系統(tǒng)的音質(zhì)要求越來(lái)越高，不斷追求更優(yōu)質(zhì)的收聽效果。目前，高水平的音效已成為評(píng)價(jià)轎車舒適性的重要依據(jù)之一。

車內(nèi)噪聲來(lái)源主要有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、空調(diào)噪聲、輪胎噪聲、空氣噪聲、外境傳入噪音和車身結(jié)構(gòu)噪聲等。目前，雖然已有靜音、減震、吸音、反音和密封等隔音措施，但仍然無(wú)法徹底隔離所有車內(nèi)噪聲，車速變化和空調(diào)風(fēng)速變化時(shí)，噪聲增益變化較大。而且，車輛使用過(guò)程中，傳統(tǒng)的音頻系統(tǒng)沒有對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行有效的自動(dòng)增益補(bǔ)償，嚴(yán)重影響了車內(nèi)人員的收聽效果，尤其在播放音量較小，而車速較快和空調(diào)風(fēng)速較大的極端情況下。

本文針對(duì)該缺陷設(shè)計(jì)自動(dòng)增益補(bǔ)償，首先提取影響車內(nèi)收聽的關(guān)鍵因數(shù)（行駛速度、空調(diào)風(fēng)速、播放音量等），按照對(duì)收聽效果的影響程度，動(dòng)態(tài)調(diào)整音量增益和響度補(bǔ)償曲線，減少車內(nèi)噪聲對(duì)高音質(zhì)享受的影響，滿足車內(nèi)收聽頻響特性。

1 車內(nèi)聲音測(cè)試分析[1]

為了得到行駛速度、空調(diào)風(fēng)速、播放音量等關(guān)鍵因素對(duì)車內(nèi)收聽效果的影響，現(xiàn)對(duì)某款轎車車內(nèi)的聲音進(jìn)行測(cè)試取樣。

1.1 行駛速度對(duì)車內(nèi)聲音的影響

選取實(shí)際常見路況，分別在怠速泊車、市內(nèi)路段、一般路段、高速路段等行駛車速情形下，保持勻速行駛，測(cè)得車內(nèi)主駕、副駕、后排位置噪聲隨車速變化情況，如表1所示。隨著車速的不斷增加，車內(nèi)噪聲明顯加大，對(duì)車內(nèi)收聽效果和乘座舒適性的影響也更嚴(yán)重。

1.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)車內(nèi)聲音的影響

空調(diào)風(fēng)速一般有高中低三檔，保持其中一檔，發(fā)動(dòng)

機(jī)怠速泊車下測(cè)得車內(nèi)噪聲隨空調(diào)風(fēng)速的變化情況，如表2所示。隨著空調(diào)風(fēng)速的不斷提高，車內(nèi)噪聲也明顯加大，嚴(yán)重了影響車內(nèi)收聽效果和乘座舒適性。

表1 不同車速下的車內(nèi)噪聲（dB）

表2 不同空調(diào)風(fēng)速下的車內(nèi)噪聲（dB）

1.3 播放音量對(duì)車內(nèi)聲音的影響

車內(nèi)多媒體音頻系統(tǒng)具有音量調(diào)節(jié)功能，常見的有63步進(jìn)音量細(xì)調(diào)曲線，其中最大音量作為0 dB參考點(diǎn)（1 kHz，0 dBFS輸入，4 Ω負(fù)載，20 W輸出）。如圖1所示。隨著音量的不斷增加，對(duì)車內(nèi)噪聲的掩蓋程度不斷加強(qiáng)，人耳對(duì)聲音的響度要求下降，車內(nèi)噪聲的影響程度也明顯下降，有助于改善車內(nèi)收聽效果和乘座舒適性。

圖1 播放音量調(diào)整曲線

1.4 車內(nèi)主要噪聲頻率特性

為確定車內(nèi)噪聲的頻率特性，分別對(duì)30～60 km/h車速和空調(diào)中檔風(fēng)速（發(fā)動(dòng)機(jī)怠速）時(shí)，選取主駕位置所錄取的噪聲進(jìn)行頻譜分析，如圖2和圖3所示。通過(guò)頻譜發(fā)現(xiàn)，車速和空調(diào)風(fēng)速產(chǎn)生的噪聲特性呈窄頻帶、多頻點(diǎn)、低頻率分布，尖峰點(diǎn)分別在60Hz、250Hz、500Hz和600Hz。由于低頻噪聲對(duì)人體的危害更大，必須對(duì)以低頻噪聲為主的車內(nèi)噪聲進(jìn)行有效的處理[2]。

圖2 30～60 km/h車速時(shí)噪聲頻譜

圖3 空調(diào)中檔風(fēng)速時(shí)噪聲頻譜

2 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

車載音頻系統(tǒng)的自動(dòng)增益補(bǔ)償框圖主要由車身信息所屬區(qū)域分類和響度補(bǔ)償兩大部分組成，在音頻DSP中并行處理，控制音效補(bǔ)償程度的選擇，如圖4所示。車身信息所屬區(qū)域分類模塊中，通過(guò)車身CAN總線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車身信息，獲取音量、車速、空調(diào)風(fēng)速等影響車內(nèi)收聽效果的關(guān)鍵因子，分類歸入到模型所設(shè)置的某一區(qū)域范圍，基于所歸入的區(qū)域范圍自動(dòng)選擇增益補(bǔ)償程度。響度補(bǔ)償模塊中，根據(jù)車內(nèi)多媒體播放音量大小，滿足人耳對(duì)車內(nèi)收聽的頻率響應(yīng)特性，自動(dòng)選擇高低音增益補(bǔ)償程度。最終，通過(guò)這兩模塊所決定的增益補(bǔ)償程度，與原多媒體音頻信號(hào)一起進(jìn)行聲音重構(gòu)，輸出音效增強(qiáng)后的新聲音。

圖4 車載音頻系統(tǒng)的增益補(bǔ)償框圖

2.1 車身信息所屬區(qū)域分類

通過(guò)車身CAN總線可以方便地獲取娛樂系統(tǒng)（播放音量步進(jìn)數(shù)）、儀表盤（行駛速度）、空調(diào)（空調(diào)風(fēng)速檔位）等車內(nèi)電子控制單元的相關(guān)信息。首先，不斷讀取車身信息值，如果無(wú)法確認(rèn)有效，則放棄調(diào)整DSP參數(shù)，保持原狀態(tài)不變；然后對(duì)有效信息所屬的區(qū)域范圍進(jìn)行分類，并標(biāo)記記錄當(dāng)前所屬狀態(tài)；再根據(jù)確定的區(qū)域范圍計(jì)算增益補(bǔ)償程度，如果補(bǔ)償后的總增益超過(guò)系統(tǒng)最大增益，則限定為系統(tǒng)最大增益，隨后轉(zhuǎn)換為音頻DSP參數(shù)并寫入相應(yīng)的寄存器中；最終輸出重建后的多媒體聲音，實(shí)現(xiàn)增益補(bǔ)償增強(qiáng)后的聽覺效果。詳細(xì)流程圖如圖5所示。

區(qū)域范圍分類基于實(shí)際測(cè)得的不同狀態(tài)下的車內(nèi)聲音頻譜曲線，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)影響因子（播放音量、行駛速度、空調(diào)風(fēng)速）之間近乎相互獨(dú)立，并且增益在各區(qū)域范圍內(nèi)準(zhǔn)線性變化，故定義增益補(bǔ)償表達(dá)式如下：

其中，Gc（Gain Compensation）為補(bǔ)償增益（dB），VCF（Volume Compensation Factor）為音量補(bǔ)償因子，SCF（Speed Compensation Factor）為速度補(bǔ)償因子，F(xiàn)CF（Fan Compensation Factor）為空調(diào)風(fēng)速補(bǔ)償因子，RCF（Reserved Compensation Factor）

為預(yù)留影響因子或偏差因子。

圖5 車身信息所屬區(qū)域分類流程圖

VCF、SCF、FCF的邊界點(diǎn)和分段線性變化曲線如表3所示。VCF按照實(shí)際音量曲線的增益增長(zhǎng)和人耳對(duì)音量增益的感受劃分，變化曲線為梯形；SCF按照常見路況行駛速度劃分，變化曲線為臺(tái)階式逐級(jí)上升；FCF按照固定的空調(diào)風(fēng)速檔位劃分，為離散4個(gè)點(diǎn)遞增；RCF用于不同車之間微小差異的偏差校準(zhǔn)或其他影響因子。

表3 關(guān)鍵補(bǔ)償因子邊界點(diǎn)標(biāo)定值

2.2 響度補(bǔ)償

為了更全面地滿足車內(nèi)聽覺頻響特性，需要設(shè)置等響曲線，等響曲線是反映人耳對(duì)不同聲壓的主觀感受曲線，在不同的多媒體播放音量下，通過(guò)自動(dòng)響度補(bǔ)償來(lái)滿足車內(nèi)的高音質(zhì)聽覺享受。在車內(nèi)建立類似于1 kHz純音等響度曲線，通過(guò)分別調(diào)節(jié)音頻DSP內(nèi)的高低音濾波器的中心頻率、增益、Q值成分，從而補(bǔ)償揚(yáng)聲器和車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境的缺陷或不足，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償、修飾、調(diào)整各種聲源及其他一些特殊效果[3]。

車內(nèi)多媒體音頻輸入到音頻DSP，首先，通過(guò)FFT（Fast Fourier Transform）轉(zhuǎn)為頻域信號(hào)，提取音頻信號(hào)的頻譜特性并計(jì)算高/低音響度等級(jí)；然后根據(jù)當(dāng)前播放音量配置相應(yīng)的響度增益補(bǔ)償程度，內(nèi)插到相應(yīng)的頻段；隨后，通過(guò) IFFT（Inverse Fast Fourier Transform）轉(zhuǎn)換回時(shí)域信號(hào)進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波；最后，把自動(dòng)響度補(bǔ)償后的多媒體音頻信號(hào)輸出到揚(yáng)聲器[4]。詳細(xì)工作原理如圖6所示。

圖6 響度補(bǔ)償工作原理圖

本文使用恩智浦半導(dǎo)體的車載級(jí)專用音頻DSP芯片TEF6638HW[5]，通過(guò)使用其中的IIR雙線性濾波器設(shè)置等響度曲線的高低音濾波器，傳遞函數(shù)定義如下：

通過(guò)中間變量（Gmax為最大增益，g為增益，fs為采樣頻率，fc為中心頻率，Q為品質(zhì)因子），可求得濾波器傳遞函數(shù)系數(shù)。

由于人耳對(duì)高低頻聲，特別是低頻聲的聽覺靈敏度差，為了在車內(nèi)獲得高質(zhì)量的聽覺享受，有必要在低音量時(shí)對(duì)高頻和低頻進(jìn)行聽覺補(bǔ)償，即要求對(duì)低頻有較大提升，對(duì)高頻也有一定量的提升。在車內(nèi)標(biāo)定隨播放音量變化的等響曲線增益設(shè)計(jì)如表4所示，音量逐漸變小時(shí)，低頻音量加強(qiáng)明顯，高頻音量也有稍許抬升。音頻DSP等響度曲線參數(shù)即，低音峰值濾波器：fs=48 kHz，fc=60Hz，Q=0.4；高音峰值濾波器：fs=48 kHz，fc=10 kHz，Q=0.9。

表4 高/低音響度增益補(bǔ)償表（dB）

3 實(shí)車效果測(cè)試

選取主駕頭部位置作為優(yōu)選位置，分別在不同車速、不同音量步進(jìn)數(shù)、不同空調(diào)風(fēng)速檔位下，選擇常見行駛路況，測(cè)取20Hz～20 kHz全頻段實(shí)際音量補(bǔ)償曲線如圖7所示，理論增益補(bǔ)償值與實(shí)際值的比較如表5所示。

以音量最大作為0 dB基準(zhǔn)曲線，測(cè)試20Hz～20 kHz全頻段隨音量增益10 dB遞減的等響度曲線，如圖8所示。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)車測(cè)試所得的音量補(bǔ)償曲線和等響度補(bǔ)償曲線表明，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益補(bǔ)償，尤其是音量和響度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，與理論模型設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)值保持一致。在不斷變化的車內(nèi)聲音環(huán)境中，可以成功地實(shí)現(xiàn)車載音頻系

統(tǒng)的自動(dòng)增益補(bǔ)償，有效地減少車內(nèi)噪聲對(duì)收聽的影響，并滿足不同音量下的車內(nèi)聽覺頻響特性，最終確保在不同車內(nèi)環(huán)境中高音質(zhì)的聽覺享受。

圖7 音量補(bǔ)償曲線

圖8 等響度補(bǔ)償曲線

表5 常見行駛情況音量增益補(bǔ)償表

[1]GB/T 18697-2002，聲學(xué)、汽車車內(nèi)噪聲測(cè)量方法[S]. 2002.

[2]賈繼德，陳劍，王軍，等.車內(nèi)噪聲分析與控制研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（2）：204-208.

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[5]NXP.TEF6635，TEF6638 user manual audio device version：V1C-05，Rev.1.4[Z].2012.

表2 誤差統(tǒng)計(jì)表

胸環(huán)靶每環(huán)寬度為 50 mm，故平均誤差為1/25環(huán)，誤差來(lái)源主要是由于激光頭、傳感器安裝誤差，理論計(jì)算誤差與測(cè)量誤差?？紤]通過(guò)提高機(jī)械本體加工精度、減小安裝誤差、進(jìn)一步細(xì)化理論推導(dǎo)等方法來(lái)提高系統(tǒng)的精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用激光定位、嵌入式處理系統(tǒng)加PC上位機(jī)（Access、Visual Basic、組態(tài)王）的激光靶自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)，能夠精確地計(jì)算彈著點(diǎn)坐標(biāo)，誤差為2.1 mm，響應(yīng)時(shí)間小于 2 μs，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送，實(shí)時(shí)、直觀的顯示以及結(jié)果的貯存、統(tǒng)計(jì)。該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，設(shè)備輕便，成本低廉，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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（收稿日期：2014-12-05）

作者簡(jiǎn)介：

陳廣慶（1975-），男，碩士，副教授，主要研究方向：過(guò)程裝備控制及機(jī)電一體化技術(shù)。

孫建（1989-），通信作者，男，碩士，主要研究方向：機(jī)電一體化，E-mail：15154242906@163.com。

王吉岱（1961-），男，碩士，教授，主要研究方向：過(guò)程裝備控制及機(jī)電一體化技術(shù)。

Auto gain compensation design on car audio system

Zhu Zengbao，Liu Peilin
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200030，China）

Aiming at traditional car audio system does not adapt to the changing in-car audio environment automatically，this paper designs an automatic gain compensation based on DSP technology.First，it tests and analyzes the current multimedia volume and interior noise which are key factors to impact car audio effect.Then it adjusts the gain and filter parameters of car audio systems automatically，especially dynamic compensate volume and loudness，aim to ensure high quality enjoyment in constantly changing environment finally.Real vehicle tests show that this design reduces the interior car noise effectively，and meets the car audio characteristics of frequency response.

car audio system；auto gain compensation；volume compensation；loudness compensation

TN72

A

0258-7998（2015）05-0035-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.05.005

2014-12-30）

竺增寶（1983-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：信號(hào)和信息處理、嵌入式系統(tǒng)。

劉佩林（1965-），女，博士研究生，教授，主要研究方向：多媒體信號(hào)處理與移動(dòng)流媒體技術(shù)、系統(tǒng)芯片（SOC）技術(shù)。