基于功率譜估計值的數字化音樂錄音系統設計

侯昀晨

摘? 要： 針對傳統的數字化音樂錄音系統錄音質量差的問題，設計一種基于USB主機結構的數字化音樂錄音系統，以解決錄音質量差的問題。該系統硬件主要包括PCM編碼電路和USB主機接口芯片，實現音樂信號的A/D轉換和音樂數據采集功能;系統軟件主要解決錄音質量問題。首先對音頻幀劃分和音樂數據采樣，其次為減少噪聲數據，對音樂端點檢測，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主機結構的數字化音樂錄音系統的設計。實驗對比結果表明，此次設計的系統比傳統系統錄音質量高，能夠滿足數字化音樂錄音的質量要求。

關鍵詞： 數字化音樂錄音; 系統設計; USB主機結構; 數據采樣; 噪聲去除; 對比驗證

中圖分類號： TN711.5?34; TP334? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： 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

錄音技術隨著數字技術的進步而發展，因數字化錄音系統能夠提供準確可靠的原始錄音記錄，已經被廣泛應用到音樂錄音中。在音樂錄制過程中會產生大量音樂數據，導致在數字化音樂錄音系統中出現數據冗余情況。同時傳統的數字化音樂錄音系統不能有效對音樂錄音處理，導致錄音質量低。針對這種情況，將USB主機結構應用到數字化音樂錄音系統中，設計一種基于USB主機結構的數字化音樂錄音系統。此次設計基于USB主機結構的數字化音樂錄音系統，硬件包括PCM編碼電路和USB主機接口芯片，軟件部分通過音頻幀劃分、音樂數據采樣、音樂端點檢測、頻域處理和去除背景噪聲五方面實現系統軟件的設計。

1? 數字化音樂錄音系統硬件架構設計

數字化音樂錄音系統硬件由PCM編碼電路和USB主機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行系統中音樂數據轉換，USB主機接口芯片[1?2]主要采集主機協議和音樂錄音數據。

1.1? PCM編碼電路設計

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

PCM中音樂錄音數據的輸出與輸入通過RO+，RO-和TI+，TI-接口實現;模擬信號通過PI，PO+，PO-實現，利用模擬信號驅動錄音設備工作;經過PCM輸出的數據為串行輸出數據[4?5]，需要經過ADC轉換，實現音樂錄音的輸出。

1.2? USB主機接口芯片設計

USB主機接口芯片設計采用的DFHOA芯片是一種遵從USB 1.1協議的嵌入式芯片[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位寬的數據總線，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芯片作為主機或者從機工作方式的管腳接地，并以DFHOA芯片中A0情況對數據傳輸。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]，支持連續讀寫地址數據，以此完成系統硬件的設計。

2? 數字化音樂錄音系統軟件實現

在上述系統硬件設計的基礎上，對數字化音樂錄音系統軟件進行設計，目的是提高音樂錄音質量[10]。具體步驟如下：

1） 音頻幀劃分。采用音樂處理技術把語音按幀劃分和處理[11]。

2） 音樂數據采樣。相鄰的兩幀在相接處的采樣點會受到采樣間隔的影響，為消除這種影響，在幀與幀之間設置一半長度的幀移。設計中采用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） 音樂端點檢測。音樂錄音的起點和終點會出現噪聲數據，因此查看錄音的開始和終點，計算公式如下：

[QS=az-1di-Λp] （1）

上述過程為音樂錄音數據預處理階段，通過短時能量和過零率判斷語音信號起點，如果系統中的錄音區出現10幀以上的平均能量，表示其高于設定門限值，則為錄音區終點。

4） 頻域處理。在上述音樂端點檢測的基礎上，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處理，但是在實際系統錄入音樂時，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，再將掩蔽比較法應用到噪聲去除瑕疵，計算公式如下：

[Gk=Sk?Mn] （4）

依據上述計算，完成對音樂錄音數據的處理，在實際使用該系統時，與USB主機結構相結合，以此完成系統軟件的設計。

3? 實驗對比

3.1? 系統測試平臺

為驗證此次設計的基于USB主機結構的數字化音樂錄音系統的有效性，進行實驗對比。實驗硬盤內存為4 GB，以ARMjh45為CPU的機構，采用35 bit的指令集嵌入式處理器，片內集成USB控制器。同時包括ADC數據轉換器，轉換器支持0～15個階層。并設置實驗數據的采樣頻率最低為8 kHz，最高為15 kHz，采樣信號為單聲道16 bit PCM數據。實驗平臺如圖6所示。

在實際測試時，將PC機作為實驗主機，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實時傳輸所達到的最大值，保證數據采集時的準確無誤。

3.2? 實驗結果分析

實驗以判斷錄音識別的正確次數判斷系統的錄音質量實驗對象，進行50次實驗。識別的正確次數越高，則代表系統錄音質量高，反之代表錄音質量低。實驗時分別使用2個系統錄入3句語音，對比2個系統的錄音后的錄音識別正確率，實驗對比結果如表1所示。分析上述實驗結果，總結出3點結論：

1） 語音時長的增加會降低錄音正確率。從實驗對比結果中能夠看出，此次設計系統受到錄音時長的影響較小，能夠保持較高的正確率;而傳統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，說明傳統系統的錄音質量低。

3） 綜合上述對比結果，因本文設計的系統能夠有效地將周圍環境的噪聲去除，并會在端點檢測時攔截實際的語音信號。故此次設計的系統錄音質量優于傳統系統錄音質量。

綜上所述，將USB主機結構應用到數字化錄音系統中，能夠有效控制系統的數據傳輸，并且本文設計的基于USB主機結構的數字化音樂錄音系統能夠有效提高錄音質量，比傳統系統的錄音質量好，具有一定的實際應用意義。

4? 結? 語

針對傳統的數字化音樂錄音系統錄音質量差的問題，設計基于USB主機結構的數字化音樂錄音系統，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，并進行實驗。實驗結果表明，本文設計的錄音系統比傳統系統錄音質量好，能夠滿足音樂錄音的質量要求，具有一定的應用效果。由于系統中眾多協議的限制，故在實際使用中需要進一步加以完善和功能擴展。

參考文獻

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