文化部关于发布实施文化行业标准,动态调节系统参数

by admin on 2020年3月30日

北京朗德科技有限公司在我院计量产业园区声学实验室进行智能通信终端音频检测系统调试,并对我所技术人员进行手机GSM、TD-SCDMA、WCDMA、VOLTE制式及蓝牙音频性能测试培训。  音频性能是智能终端产品的重要指标。在多技术集成的复杂环境中,越来越多的因素影响着音频的实际使用效果,智能终端产品的音频测试成为影响用户体验的关键。北京朗德科技有限公司技术人员用为期一周的时间进行音频检测系统调试,为我所人员详细讲解了移动终端设备的发送响度评定值、接收响度评定值、空闲信道噪声、发送灵敏度/频率特性、接收灵敏度/频率特性、侧音特性,声学回声控制、发送失真、接收失真、延时、噪声条件下信号质量、回声控制等技术要求和测试方法。  音频性能实验室是国家智能通信产品监督检验中心(河南)建设的重要组成部分。音频实验室依托我院已有全消声实验室,通过购置全套通信终端音频测试设备,使我院具备了智能终端产品的检验检测能力。  此外,音频通信终端是通信系统中应用较为广泛的一类通信终端,它可以是应用于普通电话交换网络PSTN的普通模拟电话机、录音电话机、投币电话机、磁卡电话机、IC卡电话机,也可以是应用于ISDN网络的数字电话机以及应用于移动通信网的无线手机。

图片 1

发文单位:文化部

移动手持终端、无线网络、免提设备及其它移动通信系统的语音质量是建立消费者偏好的关键因素。回声和噪声是无线通信固有的毛病。我们需要信号处理技术来解决语音质量问题,确保提供能被市场接受的高质量音频输出。传统方法是在近端或传输路径上采用独立的回声和噪声消除模块,这种方法在周边条件不变的情况下表现出色,但如果周围环境发生了变化,如出现开门或较大的噪声,那么音频系统会很难适应变化,且音频性能也会下降。
新方法则集回声消除、噪声抑制及其它音响增强技术于一体,能够根据环境变化更快地动态调节系统参数。在大多数情况下,消费者还没发现音质出现问题之前,我们就能完成调节。同样,这种新方法实现了更高的集成度,能解决较大的噪声和回声问题,从而能够实现听起来非常自然的全双工语音通话。
回声和噪声消除技术的巨大进步来得非常及时,因为美国许多州都制定了相关法规,全面或部分地禁止驾驶人员在驾车时手握移动电话通话。欧洲大多数国家及全球许多其它国家也都已经有了相关的法规。上述法规的出现,进一步提高了免提技术的需求,并要求能在汽车内部环境中有效消除噪声及回声,这也是免提系统的最大设计挑战所在。设计人员需要简单易用的软硬件,以便能够为免提音频产品提供与传统手持产品一样的音质,这样才能满足用户的需求。
无线通信中的回声来源
无线系统中的回声有两大来源:电气回声和声学回声。如果设计方案不佳,导致扬声器信号直接耦合到扩音器信号,那么就会出现电气回声。这一问题的最佳解决方案就是做好设计工作。
对我们提出更严峻挑战的问题在于声学回声。如果放大后的扬声器信号通过扩音器发生回声,那么就会出现声学回声。消除这种回声相当困难,我们必须考虑到多个因素。放大后的扬声器声音会在不同时间在多个通道上反射。这种间接的回声明显滞后于原始信号,这是因为声音在空气中的传播速度仅为300米/秒,而且由于机械振动加大了复杂性,回声反射也会失真。
半双工交换技术

发布日期:1993-11-18

图1:半双工解决方案
解决回声问题的最基本方法就是在检测到远端语音时禁用近端语音通道,这虽然能消除声学回声,但每次只允许一个人说话。举例来说,就传统的对讲机而言,按下通话按钮,就不能听到其它在线人说的话了,因此双向无线电通话规则中要求说话人讲完话时必须明确表示完毕。后来又有新技术用语音活动检测器
(VAD)
取代了通话按钮,它能在检测到远端语音时自动开/关近端语音通道。在移动通信初期阶段,我们尚能接受这种有局限性的技术,但随着用户逐渐习惯于全双工有线通话,他们今后不再接受这种限制性的单向通话技术。因为全双工有线通话技术使他们能够随意交流,表达想法,同意或不同意对方的观点,随时停顿,不用担心扩音器突然不能使用。
传统回声消除技术

执行日期:1993-11-18

图2:传统回声消除技术
下面我们将讲述为什么几乎所有手机、免提设备以及带扩音器的电话均提供某种回声消除技术。目前,几乎所有设备都通过监控远端信号,然后从接收信号中去除远端信号这一基本方法来消除回声。如果回声量已知且保持不变,那么上述方法就很容易实现回声消除。但实际上回声幅度及时间取决于无线设备使用的环境,而这一环境经常会发生变化,为此传统回声消除技术需要持续监控近端及远端信号。声学回声消除器算法用近端扬声器的参考信号来估算回声通道,并从近端扩音器信号中去除回声。
自适应滤波器的设计与调节是回声消除性能的决定性因素。滤波器通常使用音频信号已知的特性来计算回声估值,并就此调节滤波器的参数,以尽可能减小误差。我们通常用归一化最小均方
(NLMS)
算法来更新滤波器系数,以此来消除回声。该算法可最小化消除器的均方误差,该误差为残余回声。自适应通常根据信号功率加以归一,以独立于信号电平。
我们在大多数情况下都能以足够的准确度进行上述计算,以降低可感觉到的回声。问题在于,算法能否发挥作用,取决于扬声器与扩音器之间的回声路径的稳定性。只要电话附近出现阻碍声音传递的物体,或当扩音器到扬声器的距离变动时,回声路径就会发生变化。当路径变化时,算法就要根据新的回声路径进行调整,这就会出现延迟。在自适应延迟过程中,回声就会在近端信号路径上传输。
在设计回声消除器时,了解这种器件的工作环境十分重要。扩音器与扬声器是否处于固定位置?位置变动是否会对正常工作产生影响?器件工作环境允许的最长回声路径是多少?预计噪声有多大?噪声是否会发生变化?设备音量应有多大?扬声器与扩音器间的回声返回损耗多大?近端通话人的讲话音量与扩音器端的回声相比应有多大?只有回答了上述问题,才能设计出可根据已知环境进行调整的最佳传统回声消除器。不过,当环境改变时,滤波器系数还在适应新的回声通道,我们就已经听到回声了。根据初始参数设置的不同,适应过程需要
5 到 10 秒的时间。
除了回声影响近端信号质量的问题外,背景噪声也会造成不良影响。针对这一问题的解决方案就是采用噪声消除器。典型的噪声消除器独立于回声消除器工作,任何干扰问题都可忽略不计。与回声消除器不同,噪声消除器没有参考信号作为依据。它必须对噪声进行估测,并将其从扬声器信号中消除,要么就只能估测语音。不管怎么说,上述两种情况下都应瞄准噪声,以尽可能提高性能。结合使用噪声消除器与
AEC
的控制信号,我们能实现更准确的语音活动检测环境,提高整合效果。如果没有上述相互作用,系统可能会把语音信号当作噪声而误消除。
新方法提高了集成度

生效日期:1900-1-1

图3:新方法将回声与噪声消除与其它音频处理技术相集成
为了解决传统技术的局限性,我们开发出一种可提高无线音频质量的新方法。新老方法的基本差异在于:新方法将回声消除、噪声消除与其它音频信号处理功能相集成,统一由新型全双工控制模块来控制。这种方法采用同一核心
NLMS
算法,不过拥有一些专门特性,这不仅能够充分发挥这种集成型方法特有的系统技术广度优势,还能动态调节系统参数,以便加速
NLMS 的重新整合。
全双工控制技术是新方法能够提高性能的关键所在。通过将无线通信设备的音频部分与最新数字信号处理技术相结合,就能采用非线性控制算法,就突发的环境变化做出调整,如背景中的关门声或用户拿电话的手突然做出什么手势或动作等。由于在主控制器下同时优化了不同控制算法,从而进一步提高了音质。最后,由于采用了更强大的信号处理架构,因此我们还能添加新功能,如在背景中填充自然发声的舒适噪声以补偿噪声背景的改变,避免出现噪声抽送
(noise pumping)。
将近端与远端音频路径所有关键元件的系统处理技术加以整合,进而优化通话两端的信号质量,这对前代
DSP 来说是非常困难的。近期推出的 DSP
在性能与高级片上存储器容量间实现了适当平衡,其算法的复杂程度与音频处理的集成度都足以适应不同音频元件快速优化的要求,有助于实现最佳无线话音质量。
新方法的工作原理
新方法用整个系统来了解当前工作环境的情况,并动态调节系统参数以获得最佳性能。分析与参数调节是集成式全双工控制的任务。全双工控制技术可评估近端与远端信号,首先确定信号目前是否处于工作状态,然后从不同角度评估信号质量。根据上述信息,全双工控制机制将对各模块进行全面的动态调节,以提高近端与远端信号的质量。
近端信号通道上的全双工控制机制控制着非线性处理器、回声消除器以及噪声消除器的参数,以降低回声和噪声。远端信号路径上的全双工控制机制控制着动态处理机制,调节音频信号,在降低扬声器非线性的同时提高音量输出。两个信号路径上都采用图形均衡器与音质增强技术。图形均衡器用于调节变送器,也可用于调节音频信号的频率特性。音质增强技术则用于调节音质,以实现最佳的话音清晰度。
使用这种系统技术的特点在于,全双工控制技术采用系统了解到的环境信息实现了更高音量与更低回声,并能快速适应不断变化的环境。
设计新型音频处理系统
新型音频处理系统的集成度大幅提高,这给我们提出了一系列设计挑战。首先,我们应找到一种适当的
DSP,在为新设计提供所需高性能的同时,提供适当的编程环境,以支持复杂度较传统回声与噪声消除技术高得多的设计,从而能够缩短移动通信系统的设计周期。
例如,德州仪器 (TI) 的 C5000 DSP
平台就实现了处理性能与大容量片上存储器的优化组合,有助于降低片外存储器的工作强度,减少处理器的负担。架构的选择是非常重要的,该架构不仅要针对音频处理进行优化,而且要包含丰富的器件,从而实现领先节电特性、丰富外设选择与小型封装的完美结合。TI
拥有广泛的第三方开发商网络,可提供多样化的产品,有助于 OEM 与 ODM
厂商添加 MP3 与 WMA 文件的音频流、蓝牙、话音识别、电话簿下载等特性。
开发工作采用基于模型的设计方法,能就多个设备的复杂声音行为进行建模,并就设备环境生成测试矢量。我们用
MathWorks 的 Simulink来设计与开发有关模型。设计人员可用 C
代码创建自主算法模块,并集成到仿真环境中用于测试。
工程师只需编写相应脚本,描述典型工作情况,即可利用软件提供的模型仿真回声与噪声消除系统的性能。这种方法使我们能评估多种设计方案,进一步了解性能,同时还能节省设计时间与成本。设计人员能快速修改模型,观察性能变化,从而快速优化设计方案,实现最佳音频性能。
工程师对系统仿真结果感到满意后,就能针对 TMS320C5000 DSP 平台生成 C
语言二进制代码。我们用 Code Composer Studio
集成式开发环境能很方便地创建二进制对象代码,在对二进制影像进行测试同时,对其源代码进行调试,从而帮助工程师方便地调试设计方案。建模技术与
Code Composer Studio
目标支持相结合使工程师能在实际硬件上用仿真输入来验证设计方案的性能有效性。随后,他们还能用独立于仿真模型的实时音频输入输出来做进一步微调,在评估中对代码作进一步优化。
回声消除和噪声消除能否实现最佳性能,取决于系统解决方案能否动态适应于不断变化的环境。系统参数的动态调节应快速响应于环境的变化,避免间歇性回声和噪声干扰电流生成技术。只有采用良好的建模环境,才能做好上述解决方案的测试工作。成功的终端产品的关键在于选择适当的
DSP
技术,不仅要提供强大的信号处理功能,还要提供开发基础局端,以确保在一定时间内适时向市场投放产品。

  近几年来,随着我国经济的发展和人民生活水平的提高,各类歌舞厅的建设发展很快,对提高社会文化事业的发展起到了积极的促进作用。但是由于对歌舞厅在技术上没有提出声、光质量的控制标准,致使一些歌舞厅的声、光污染很大。为了保证广大娱乐群众的健康水平,我部于一九九二年下达并委托江苏省文化厅科教处、北京市文化艺术科研所、上海市舞台技术研究所起草制订了歌舞厅的声光质量控制行业标准。1993年6月29日我部教科司在北京主持召开了先期完成的“歌舞厅扩声系统的声学特性指标与测量方法”行业标准审定会。与会专家一致同意通过了该项标准。根据国家对行业标准管理办法的规定,现由我部正式发布并立即实施。希望各地文化主管部门积极组织专业队伍,会同当地有关部门对本地区的歌舞厅扩声系统的声学质量进行检查,并认真贯彻执行。

  中华人民共和国文化行业标准歌舞厅扩声系统的声学特性指标与测量方法

  Acoustical characteristics andmeasurement methods 
for the sound reinforcement system  in ballroom WH0301—93

  1.主要内容与适用范围

  本标准规定了营业性歌舞厅的扩声系统的声学特性指标与测量方法。

  本标准适用于安装有扩声设备的各类歌厅、舞厅、卡拉OK厅和类似功能的厅。

  2.引用标准

  GB3241 声和振动分析用1/1和1/3倍频程滤波器

  GB3661 测试电容传声器技术条件

  GB3785 声级计电、声性能及测量方法

  GB3947 声学名词术语

  GB4959 厅堂扩声特性测量方法

  GYJ25 厅堂扩声系统声学特性指标

  3.术语

  3.1 扩声系统 sound reinforcement system

  扩声系统由扩声设备和声场组成。主要包括:声源和它周围的环境,把声信号转变为电信号的传声器,放大电信号并对信号加工的设备、传输线,把电信号转变为声信号的扬声器和听众区的声学环境。

  3.2 空场 vacant auditoria

  除必要的测量技术人员外,厅内没有观众和演员。测量时,厅内设置与相对应的满场正常使用时间完全相同。

  3.3 最大声压级 maximum sound pressure level

  厅内空场稳态时的最大声压级。

  3.4 最高可用增益 maximum available gain

  歌舞厅扩声系统在声反馈自激临界状态的增益减去6dB时的增益。

  3.5 声反馈 acoustic feedback

  由于扩声系统中扬声器输出的能量的一部分反馈到传声器而引起的啸叫声或衰变声。

  3.6 传输频率特性 transmission frequencycharacteristic

  厅内各测点处稳态声压的平均值相对于扩声系统传声器处声压或扩声设备输入端电压的幅频响应。

  3.7 传声增益 〔sound〕transmission gain

  扩声系统达最高可用增益时,厅内各测点处稳态声压级平均值与扩声系统传声器处声压级的差值。

  3.8 声场不均匀度 sound field nonuniformity

  有扩声时,歌舞厅内各测点处得到的稳态压级的极大值和极小值的差值,以分贝表示。

  3.9 背景噪声 background noise

  当扩声系统不工作时,厅内各测点处室内本底噪声声压级的平均值。

  3.10 总噪声 over all noise

  扩声系统达到最高可用增益,但无有用声信号输入时,厅内各测点处噪声声压级的平均值。

  3.11 系统失真 system distortion

  扩声系统由输入声信号到输出声信号全过程中产生的非线性畸变。

  注:当测量由声输入到声输出的非线性失真有困难时,允许测量由电输入到声输出的非线性失真作为系统失真,但应注明。一般常用谐波失真来近似衡量系统失真。

  3.12 混响时间 reverberation time

  声源达到稳态,待停止发声后,室内声压级衰减60dB所需的时间。

  4.歌舞厅扩声系统的声学特性指标

  4.1 歌厅、卡拉OK厅扩声系统声学特性指标分为一、二级,

  注:①歌舞厅扩声系统的声压级,正常使用应用96dB以下为宜,短时间最大声压级应控制在110dB以内。

  ②迪斯科舞厅的扩声系统声学特性指标,只在舞池考核。

  4.2 歌舞厅扩声系统声学特性指标分为一、二、三级。

  4.3 迪斯科舞厅扩声系统声学特性指标分为一、二级。

  4.4 歌舞厅建筑声学的一般要求

  歌舞厅新建或改建过程中应进行声学设计。

  4.4.1 观众厅内各处要求有合适的响度、均匀度、清晰度和丰满度,在歌舞厅内不得出现回声、颤动回声和声聚焦等缺陷。

  4.4.2 歌舞厅的混响(T60)见附录A.

  4.4.3 对外界环境的影响

  歌舞厅扩声系统在正常工作时,对外界的影响应满足环保部门的标准要求,短时间音乐高潮平均值允许超出标准165dB.

  5.测量方法

  5.1 测量条件

  5.1.1 测量前扩声设备须按设计要求在厅堂内安装完毕,并调整扩声系统,使之处于正常工作状态。

  注:如有系统均衡器,则测量前应调整到系统最佳补偿。

  5.1.2 测量时,扩声系统中调音台的多频率补偿置于“平直”位置,功率放大器的音调补偿(若有的话)置于正常位置。

  5.1.3 测量时,厅堂内测点的声压级至少高于厅堂总噪声15dB.混响时间测量时信噪比至少满足35dB要求。

  5.1.4 各项测量一般在空场条件下分别进行。

  5.1.5 所有测点必须离墙1.5m以远,测点高度距地面1.2~2.3m.对于有楼座的厅堂,测点应包括楼座区域。

  5.1.6 测点应均匀分布在厅内,一般不得少于4—9点。对于对称的歌舞厅其主要活动区的测点的最低要求如下:

  100平方米以下的厅测4点,分布如图1所示。100~200平方米的厅测6点。200平方米以上的厅测9点。要求测点均匀分布在对称的一侧。

  注:这里所指的对称不仅是建筑上对称,还包括声场对称。

  5.2 测量仪器

  本标准不排斥使用达到同样精确度的其它仪器。

  5.2.1 声频信号发生器

  5.2.1.1 频率范围:20~20000Hz±0.5dB.

  5.2.1.2 总谐波失真:不大于0.3%。

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               图 1

  5.2.2 噪声信号发生器5.2.2.1 粉红噪声的频谱密度:20~20000Hz.在其输出端的不均匀度为±1.5dB.

  5.2.2.2 信噪比不低于60dB.

  5.2.3 功率放大器5.2.3.1 频率范围:20~20000Hz,不均匀度优于±0.5dB.

  5.2.3.2 总谐波失真:不大于0.5%。

  5.2.3.3 额定功率:不小于50W

  5.2.4 测试传声器

  按GB3661所规定的要求。

  5.2.5 滤波器

  按GB3241所规定的要求。

  5.2.6 声级计

  按GB3785中I型声级计要求。

  5.2.7 测量放大器

  5.2.7.1 频率范围:20~20000Hz,不均匀度优于±0.5dB.

  5.2.7.2 总谐波失真:不大于0.5%。

  5.2.8 失真度测量仪

  5.2.8.1 频率范围:20~20000Hz.

  5.2.8.2 失真度测量范围:0.1%~10%。

  5.2.9 测试声源

  5.2.9.1 频率范围:100~10000Hz,不均匀度优于6dB.

  5.2.9.2 总谐波失真:不大于5%。

  5.2.9.3 额定功率:10W(灵敏度>90dB)。

  5.2.10 混响时间测试仪

  5.2.10.1 频率范围:100~8000Hz.

  5.2.10.2 混响时间测试范围:0.3s~10s.

  5.2.11 频率分析仪

  对时间域的信号能进行频谱分析的仪器,其中滤波器应符合5.2.5条要求。要求滤波器各中心频率档能自动扫描或手动扫描。

  5.3 测量项目

  5.3.1 传输〔幅度〕频率特性

  5.3.1.1 电输入法

  测量采用图2所示的点测法,测量步骤如下:

  a、开启测试系统,输出1/3Oct粉红噪声信号,调节噪声源的输出,使扬声器系统的输出满足5.1.3条要求。

  b、改变1/3Oct带通滤波器的中心频率,并保持各频段电平值恒定,在歌舞厅内的每一测点上用声级计或频谱分析仪分别测量声压级。

  c、测量在传输频率范围内进行,测试信号按1/3Oct中心频率取点。

  d、测量点按5.1.5条和5.1.6条进行。

  注:用频谱分析仪连续扫频测量时,可以用粉红噪声作为信号源,在各测点上用扫频法测量频谱,然后将各测点频谱减去粉红噪声的频谱即可得到传输频率特性。

  5.3.1.2 声输入法

  测量采用图3所示的点测法,测量步骤如下:

  a、关闭测试声源系统,调节扩声系统增益,使之达到最高可用增益。

  b、传声器离测试声源的距离为0.5m.

  c、开启测试系统,输出1/3Oct粉红噪声信号,调节噪声源的输出,使测点的信噪比大于15dB.

  d、改变1/3Oct带通滤波器的中心频率,在传声器处和歌舞厅内的测点上用声级计或频谱分析仪分别测量声压级。

  e、测量时要求控制传声器处声压恒定。

  f、测量在传输频率范围内进行,测试信号按1/3Oct中心频率取点。

  g、测量点按5.1.5条和5.1.6条进行。

  注:用频谱分析仪连续扫频测量时,可以用粉红噪声作为信号源,分别在传声器处和各测点上用扫频法测量频谱,然后将各测点的频谱减去传声器处的频谱即可得到传输频率特性。

  5.3.2 传声增益

  测量框图同图3.

  在按5.3.1.2项测量传输频率特性的同时,把在歌舞厅内各测点上测得的声压级减去传声器所接收的声压级,按频率加以平均即得该频带的传声增益。

  测试信号的中心频率同5.3.1.2条,也允许按倍频程中心频率测量。

  5.3.3 最大声压级5.3.3.1 电输入法

  测量框图同图2,测量步骤同5.3.1.1条,要求馈入扬声器系统的电压相当设计使用功率(或额定功率)的电压值的1/n,(n=2~10)。

  在系统最大声压级要求频率范围内在每一测点测出每一个1/3Oct频带声压级,加上201gn后获得相应频带的最大声压级然后加以平均。

  5.3.4 声场不均匀度

  根据5.3.1条测量的结果,将每一中心频率在不同测点测到的声压级的值列表或作图即得到相应的声场分布。

  5.3.5 总噪声

  测量在空场条件下进行。

  测量时在歌舞厅内的设备,例如通风、调温等产生噪声的设备及扩声系统设备和可控硅调光系统全部开启。

  测点按5.1.5条和5.1.6条进行。

  扩声系统的增益控制位置同5.3.1.2条。

  测量用声级计在63~8000Hz范围内按倍频程带宽取值。测量结果绘在同一张记录纸上可获得歌舞厅的噪声谱。

  测量应包括线性和A计权数据。

  注:在测量总噪声的同时,关闭扩声系统设备,按上述步骤测量,则得背景噪声谱。A计权声级大致上为噪声评价曲线NR值加5,即噪声评价数NR=A声级减5.

  5.3.6 系统失真

  测量框图如图4所示。

  测试信号经调音台和功率放大器,馈给扬声器系统。要求馈入扬声器系统的电压相当于设计使用功率(或额定功率)的电压值的1/n,(n=2~10)。

  测试频率点为500Hz,1000Hz,2000Hz.用频谱分析仪分别测出各频率点的声压级和二次谐波和三次谐波的声压级。

  分别为二次谐波和三次谐波的声压级。

  其测量点,应在被测扬声器的中心线上,离扬声器2m处。

  5.3.7 混响时间

  测量框图同图2,并将声级计接收到的信号馈给混响时间测量仪(或直接用混响时间测量仪接收和测量)。

  由噪声源发出的1/3Oct粉红噪声信号直接馈入扩声系统调音台输入端。调节扩声系统输出,使测点的信噪比满足第5.1.3条要求。在歌舞厅内预定的测点上进行测量。亦可使用外加集中声源进行测量,该声源应置于厅内墙角附近。

  当声源停止发声后,用混响时间测量仪测量该频率的混响时间。

  测量频率的选取至少应有125Hz,250Hz,500Hz,1000Hz,2000Hz,和4000Hz六点。

  附录A 歌舞厅的混响(T60)(补充件)(略)

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