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)的自動增益補償設(shè)計

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）

針對傳統(tǒng)車載音頻系統(tǒng)不能自動適應(yīng)不斷變化的車內(nèi)聲音環(huán)境的問題，設(shè)計了基于DSP技術(shù)的自動增益補償。首先測試分析當前多媒體播放音量和車內(nèi)噪聲等關(guān)鍵因素對車內(nèi)收聽效果的影響，然后自動調(diào)節(jié)車載音頻系統(tǒng)的增益和濾波器參數(shù)值，尤其對音量和響度進行動態(tài)補償，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。實車測試表明，該設(shè)計能有效地減少車內(nèi)噪聲影響，滿足車內(nèi)聽覺頻響特性。

車載音頻系統(tǒng)；自動增益補償；音量補償；響度補償

0 引言

隨著國內(nèi)汽車市場的快速穩(wěn)定增長和電聲學(xué)的不斷發(fā)展，消費者對車內(nèi)音頻系統(tǒng)的音質(zhì)要求越來越高，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價轎車舒適性的重要依據(jù)之一。

車內(nèi)噪聲來源主要有發(fā)動機噪聲、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，噪聲增益變化較大。而且，車輛使用過程中，傳統(tǒng)的音頻系統(tǒng)沒有對車內(nèi)噪聲進行有效的自動增益補償，嚴重影響了車內(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。

本文針對該缺陷設(shè)計自動增益補償，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），按照對收聽效果的影響程度，動態(tài)調(diào)整音量增益和響度補償曲線，減少車內(nèi)噪聲對高音質(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)鍵因素對車內(nèi)收聽效果的影響，現(xiàn)對某款轎車車內(nèi)的聲音進行測試取樣。

1.1 行駛速度對車內(nèi)聲音的影響

選取實際常見路況，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，對車內(nèi)收聽效果和乘座舒適性的影響也更嚴重。

1.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對車內(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

機怠速泊車下測得車內(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步進音量細調(diào)曲線，其中最大音量作為0 dB參考點（1 kHz，0 dBFS輸入，4 Ω負載，20 W輸出）。如圖1所示。隨著音量的不斷增加，對車內(nèi)噪聲的掩蓋程度不斷加強，人耳對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30～60 km/h車速和空調(diào)中檔風(fēng)速（發(fā)動機怠速）時，選取主駕位置所錄取的噪聲進行頻譜分析，如圖2和圖3所示。通過頻譜發(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、低頻率分布，尖峰點分別在60Hz、250Hz、500Hz和600Hz。由于低頻噪聲對人體的危害更大，必須對以低頻噪聲為主的車內(nèi)噪聲進行有效的處理[2]。

圖2 30～60 km/h車速時噪聲頻譜

圖3 空調(diào)中檔風(fēng)速時噪聲頻譜

2 系統(tǒng)模型設(shè)計

車載音頻系統(tǒng)的自動增益補償框圖主要由車身信息所屬區(qū)域分類和響度補償兩大部分組成，在音頻DSP中并行處理，控制音效補償程度的選擇，如圖4所示。車身信息所屬區(qū)域分類模塊中，通過車身CAN總線實時監(jiān)測車身信息，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)域范圍自動選擇增益補償程度。響度補償模塊中，根據(jù)車內(nèi)多媒體播放音量大小，滿足人耳對車內(nèi)收聽的頻率響應(yīng)特性，自動選擇高低音增益補償程度。最終，通過這兩模塊所決定的增益補償程度，與原多媒體音頻信號一起進行聲音重構(gòu)，輸出音效增強后的新聲音。

圖4 車載音頻系統(tǒng)的增益補償框圖

2.1 車身信息所屬區(qū)域分類

通過車身CAN總線可以方便地獲取娛樂系統(tǒng)（播放音量步進數(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，如果無法確認有效，則放棄調(diào)整DSP參數(shù)，保持原狀態(tài)不變；然后對有效信息所屬的區(qū)域范圍進行分類，并標記記錄當前所屬狀態(tài)；再根據(jù)確定的區(qū)域范圍計算增益補償程度，如果補償后的總增益超過系統(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，實現(xiàn)增益補償增強后的聽覺效果。詳細流程圖如圖5所示。

區(qū)域范圍分類基于實際測得的不同狀態(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）之間近乎相互獨立，并且增益在各區(qū)域范圍內(nèi)準線性變化，故定義增益補償表達式如下：

其中，Gc（Gain Compensation）為補償增益（dB），VCF（Volume Compensation Factor）為音量補償因子，SCF（Speed Compensation Factor）為速度補償因子，F(xiàn)CF（Fan Compensation Factor）為空調(diào)風(fēng)速補償因子，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的邊界點和分段線性變化曲線如表3所示。VCF按照實際音量曲線的增益增長和人耳對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，變化曲線為臺階式逐級上升；FCF按照固定的空調(diào)風(fēng)速檔位劃分，為離散4個點遞增；RCF用于不同車之間微小差異的偏差校準或其他影響因子。

表3 關(guān)鍵補償因子邊界點標定值

2.2 響度補償

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，通過自動響度補償來滿足車內(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，從而補償揚聲器和車內(nèi)聲場環(huán)境的缺陷或不足，實現(xiàn)補償、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FFT（Fast Fourier Transform）轉(zhuǎn)為頻域信號，提取音頻信號的頻譜特性并計算高/低音響度等級；然后根據(jù)當前播放音量配置相應(yīng)的響度增益補償程度，內(nèi)插到相應(yīng)的頻段；隨后，通過 IFFT（Inverse Fast Fourier Transform）轉(zhuǎn)換回時域信號進行時域濾波；最后，把自動響度補償后的多媒體音頻信號輸出到揚聲器[4]。詳細工作原理如圖6所示。

圖6 響度補償工作原理圖

本文使用恩智浦半導(dǎo)體的車載級專用音頻DSP芯片TEF6638HW[5]，通過使用其中的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，有必要在低音量時對高頻和低頻進行聽覺補償，即要求對低頻有較大提升，對高頻也有一定量的提升。在車內(nèi)標定隨播放音量變化的等響曲線增益設(shè)計如表4所示，音量逐漸變小時，低頻音量加強明顯，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/低音響度增益補償表（dB）

3 實車效果測試

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

以音量最大作為0 dB基準曲線，測試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

通過實車測試所得的音量補償曲線和等響度補償曲線表明，所設(shè)計的自動增益補償，尤其是音量和響度的動態(tài)補償，與理論模型設(shè)計的數(shù)據(jù)值保持一致。在不斷變化的車內(nèi)聲音環(huán)境中，可以成功地實現(xiàn)車載音頻系

統(tǒng)的自動增益補償，有效地減少車內(nèi)噪聲對收聽的影響，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 音量補償曲線

圖8 等響度補償曲線

表5 常見行駛情況音量增益補償表

[1]GB/T 18697-2002，聲學(xué)、汽車車內(nèi)噪聲測量方法[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)機械學(xué)報，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)，誤差來源主要是由于激光頭、傳感器安裝誤差，理論計算誤差與測量誤差。考慮通過提高機械本體加工精度、減小安裝誤差、進一步細化理論推導(dǎo)等方法來提高系統(tǒng)的精度。

4 結(jié)束語

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

參考文獻

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（收稿日期：2014-12-05）

作者簡介：

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

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

王吉岱（1961-），男，碩士，教授，主要研究方向：過程裝備控制及機電一體化技術(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：多媒體信號處理與移動流媒體技術(shù)、系統(tǒng)芯片（SOC）技術(shù)。