基于程控电子衰减器的抑制回声和防啸叫语音对讲系统的制作方法

1.本发明涉及一种抑制回声和防啸叫语音对讲系统，尤其是涉及一种基于程控电子衰减器的抑制回声和防啸叫语音对讲系统。


背景技术：

2.语音对讲系统用于两个房间之间的双向语音通话，主要包括两个电声转换模块和信号处理模块，每个电声转换模块分别包括一个麦克风和一个扬声器，两个电声转换模块一一对应设置在两个房间。将两个房间分别称为a房间与b房间，两个电声转换模块分别称为电声转换模块a和电声转换模块b，其中电声转换模块a包括麦克风a和扬声器a,电声转换模块b包括麦克风b和扬声器b。将麦克风a和扬声器a设置在a房间，麦克风b和扬声器b设置在b房间。a房间与b房间通话时，位于a房间的麦克风a收集到的声音，通过信号处理模块处理后传递到位于b房间的扬声器b播放；反方向通话同理。由于位于同一房间内的麦克风和扬声器无法实现声隔离，导致语音对讲系统会出现以下问题：(1)回声：麦克风a收到的声音通过信号处理模块处理后传递到扬声器b播放，声音会被麦克风b收入，再通过信号处理模块返回扬声器a播放，信号环回产生回声；反方向通话同理。(2)啸叫：产生啸叫的原因有以下两方面：
①
双向通话时，麦克风a和扬声器a距离较近，或麦克风b和扬声器b距离较近，扬声器a播放的声音被麦克风a收入，扬声器b播放的声音被麦克风b收入(同一房间内很难实现声隔离)，声音会通过本系统形成闭环，使扬声器a和b都产生啸叫；
②
单向通话时，两个房间距离较近或房间门是敞开的，扬声器a的声音被麦克风b收入，扬声器b的声音被麦克风a收入(房间之间没有声隔离)，声音会通过空气环回，声音通过空气传输形成闭环，使扬声器a或b产生啸叫。
3.当前主要有两种方案解决上述回声和啸叫问题。第一种方案中，信号处理模块基于专用芯片来实现，第二种方案中，信号处理模块基于数字信号处理器(dsp)来实现。上述第一种方案成本低、芯片集成度高，应用简单，但是却具有如下缺点：一、只能半双工，即一个方向通话时会阻止另一个方向的通话；二、环境适应性差，嘈杂环境中，或声源离麦克风距离较远时，系统无法正常工作，出现声音断续等异常现象；三、专用芯片外围的阻容器件参数需根据应用场景匹配，调试优化难度大。上述第二种方案利用音频信号处理算法，抑制可能产生啸叫和回音的频谱成分，实现全双工通话，且软件自动识别声源与麦克风距离，增益自动控制，环境适应性强，但是其却具有如下缺点：一、对cpu开销大，成本高；二、软件算法复杂度高，应用门槛高。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种在具有较低的成本以及较低的应用门槛的同时，能实现全双工通话，且环境适应性强的基于程控电子衰减器的抑制回声和防啸叫语音对讲系统。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于程控电子衰减器的抑制
回声和防啸叫语音对讲系统，包括两个电声转换模块和信号处理模块，将两个电声转换模块分别称为电声转换模块a和电声转换模块b，所述的电声转换模块a包括麦克风a和扬声器a,所述的电声转换模块b包括麦克风b和扬声器b,所述的信号处理模块包括预放大器a、衰减器a、功放a、预放大器b、衰减器b、功放b和单片机，所述的麦克风a的输出端与所述的预放大器a的输入端连接，所述的预放大器a的输出端分别与所述的衰减器a的输入端和所述的单片机连接，所述的衰减器a的输出端和所述的功放a的输入端连接，所述的功放a的输出端和所述的扬声器b的输入端连接，所述的麦克风b的输出端与所述的预放大器b的输入端连接，所述的预放大器b的输出端分别与所述的衰减器b的输入端和所述的单片机连接，所述的衰减器b的输出端和所述的功放b的输入端连接，所述的功放b的输出端和所述的扬声器a的输入端连接；
6.在工作时，所述的麦克风a和所述的扬声器a设置在房间a，所述的麦克风b和所述的扬声器b设置在房间b；所述的麦克风a用于收集房间a中的语音信号发送给所述的预放大器a，所述的预放大器a用于对其接收到的语音信号进行放大得到语音放大信号a在其输出端输出，所述的麦克风b用于收集房间b中的语音信号发送给所述的预放大器b，所述的预放大器b用于对其接收到的语音信号进行放大得到语音放大信号b在其输出端输出，所述的单片机内具有12位多通道adc，12位多通道adc用于采集所述的所述的预放大器a的输出端的语音放大信号a和所述的预放大器b的输出端的语音放大信号b，所述的单片机内预存有环境背景噪音电平阈值、扬声器声音电平阈值、直接人声电平阈值，环境背景噪音电平阈值小于扬声器声音电平阈值，扬声器声音电平阈值小于直接人声电平阈值，所述的单片机周期性的从所述的预放大器a的输出端采集语音放大信号a和所述的预放大器b的输出端采集语音放大信号b；
7.当所述的单片机从所述的预放大器a采集的语音放大信号a和所述的预放大器b采集的语音放大信号b均小于等于环境背景噪音电平阈值时，表明房间a与房间b之间没有进行任何通话，此时所述的单片机控制所述的衰减器a和所述的衰减器b均关断，停止工作；
8.当所述的单片机从所述的预放大器a采集的语音放大信号a大于扬声器声音电平阈值，而从所述的预放大器b采集的语音放大信号b大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值时，说明当前在进行房间a到房间b的单向通话，所述的单片机控制所述的衰减器a使语音放大信号a能够通过所述的衰减器a进行衰减后生成对应的语音衰减信号a输出至所述的功放a，所述的功放a对所述的语音衰减信号a进行功率放大后通过所述的扬声器b播放出语音，在房间a到房间b的单向通话过程中，所述的单片机控制所述的衰减器b始终处于关断状态，切断反方向通话路径，防止回音，并且所述的单片机实时监测是否发生啸叫，当所述的单片机监测到语音放大信号b大于直接人声电平阈值时，则判断为发生啸叫，当发生啸叫时，所述的单片机进行如下控制：所述的单片机控制所述的衰减器a来降低所述的扬声器b播放的声音进行啸叫抑制，直到所述的单片机监测到的语音放大信号b大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值，然后再控制所述的衰减器a逐渐提高所述的扬声器b播放的声音，在所述的扬声器b播放的声音提高过程中，如果再次出现啸叫，则再次控制所述的衰减器a来降低所述的扬声器b播放的声音，直到达到平衡状态，啸叫解除；
9.当所述的单片机从所述的预放大器b采集的语音放大信号b大于扬声器声音电平
阈值，而从所述的预放大器a采集的语音放大信号a大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值时，说明当前在进行房间b到房间a的单向通话，所述的单片机控制所述的衰减器b使语音放大信号b能够通过所述的衰减器b进行衰减后生成对应的语音衰减信号b输出至所述的功放b，所述的功放b对所述的语音衰减信号b进行功率放大后通过所述的扬声器a播放出语音，在房间b到房间a的单向通话过程中，所述的单片机控制所述的衰减器a始终处于关断状态，切断反方向通话路径，防止回音，并且所述的单片机实时监测是否发生啸叫，当所述的单片机监测到语音放大信号a大于直接人声电平阈值时，则判断为发生啸叫，当发生啸叫时，所述的单片机进行如下控制：所述的单片机控制所述的衰减器b来降低所述的扬声器a播放的声音进行啸叫抑制，直到所述的单片机监测到的语音放大信号a大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值，然后再控制所述的衰减器b逐渐提高所述的扬声器a播放的声音，在所述的扬声器a播放的声音提高过程中，如果再次出现啸叫，则再次控制所述的衰减器b来降低所述的扬声器a播放的声音，直到达到平衡状态，啸叫解除；
10.当所述的单片机从所述的预放大器b采集的语音放大信号b大于扬声器声音电平阈值，而从所述的预放大器a采集的语音放大信号a也大于扬声器声音电平阈值时，说明当前在进行房间a和房间b之间的双向通话，所述的单片机控制所述的衰减器a使语音放大信号a能够通过所述的衰减器a进行衰减后生成对应的语音衰减信号a输出至所述的功放a，所述的功放a对所述的语音衰减信号a进行功率放大后通过所述的扬声器b播放出语音，并且所述的单片机控制所述的衰减器b使语音放大信号b能够通过所述的衰减器b进行衰减后生成对应的语音衰减信号b输出至所述的功放b，所述的功放b对所述的语音衰减信号b进行功率放大后通过所述的扬声器a播放出语音，在房间a和房间b双向通话过程中，所述的单片机实时监测是否发生啸叫，当所述的单片机监测到语音放大信号b大于直接人声电平阈值时，则判断为发生啸叫，此时所述的单片机进行如下控制：所述的单片机控制所述的衰减器a来降低所述的扬声器b播放的声音进行啸叫抑制，直到所述的单片机监测到的语音放大信号b大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值，然后再控制所述的衰减器a逐渐提高所述的扬声器b播放的声音，在所述的扬声器b播放的声音提高过程中，如果再次出现啸叫，则再次控制所述的衰减器a来降低所述的扬声器b播放的声音，如此反复，直到在预设啸叫调整时间内达到平衡状态，啸叫解除或者在预设啸叫调整时间内仍未达到平衡状态；当所述的单片机监测到语音放大信号a大于直接人声电平阈值时，则判断为发生啸叫，此时所述的单片机进行如下控制：所述的单片机控制所述的衰减器b来降低所述的扬声器a播放的声音进行啸叫抑制，直到所述的单片机监测到的语音放大信号a大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值，然后再控制所述的衰减器b逐渐提高所述的扬声器a播放的声音，在所述的扬声器a播放的声音提高过程中，如果再次出现啸叫，则再次控制所述的衰减器b来降低所述的扬声器a播放的声音，如此反复，直到在预设啸叫调整时间内达到平衡状态，啸叫解除或者在预设啸叫调整时间内仍未达到平衡状态；当在预设啸叫调整时间内仍未达到平衡状态时，所述的单片机控制所述的衰减器a和所述的衰减器b周期性交替关断和正常工作，实现双向通话，其中在同一时刻，所述的衰减器a和所述的衰减器b中一个关断而另一个正常工作，周期时长为30ms-100ms。
11.所述的衰减器a具有5个衰减档，5个衰减档的衰减系数分别为100％、75％、50％、
25％和0％，当衰减系数为100％时，所述的衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量保持不变直接作为语音衰减信号a在其输出端输出，当衰减系数为75％时，所述的衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量降低为75％后作为语音衰减信号a在其输出端输出，当衰减系数为50％时，所述的衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量降低为50％后作为语音衰减信号a在其输出端输出，当衰减系数为25％时，所述的衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量降低为25％后作为语音衰减信号a在其输出端输出，当衰减系数为0％时，所述的衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量降低为0％后作为语音衰减信号a在其输出端输出，即所述的衰减器a处于关断状态；所述的衰减器a包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关，所述的第一电阻、所述的第二电阻、所述的第三电阻和所述的第四电阻的阻值相同，所述的第一电阻的一端和所述的第一开关的一端连接且其连接端为所述的衰减器a的输入端，所述的第一电阻的另一端、所述的第二电阻的一端和所述的第二开关的一端连接，所述的第二电阻的另一端、所述的第三电阻的一端和所述的第三开关的一端连接，所述的第三电阻的另一端。所述的第四电阻的一端和所述的第四开关的一端连接，所述的第四电阻的另一端和所述的第五开关的一端均接地，所述的第一开关的另一端、所述的第二开关的另一端、所述的第三开关的另一端、所述的第四开关的另一端和所述的第五开关的另一端连接且其连接端为所述的衰减器a的输出端，所述的第一开关、所述的第二开关、所述的第三开关、所述的第四开关和所述的第五开关分别与所述的单片机连接，所述的单片机通过控制所述的第一开关、所述的第二开关、所述的第三开关、所述的第四开关和所述的第五开关的导通和断开状态来控制所述的衰减器a的衰减档，当所述的第五开关导通时，所述的衰减器a关断，所述的衰减器a的衰减系数为0％；当所述的第五开关断开时，所述的第一开关、所述的第二开关、所述的第三开关和所述的第四开关中任意两个不能同时导通，此时当所述的第一开关、所述的第二开关、所述的第三开关和所述的第四开关中任意一个导通时，所述的衰减器a进入工作状态，当所述的第一开关导通时，此时所述的衰减器a的衰减系数为100％，当所述的第二开关导通时，此时所述的衰减器a的衰减系数为75％，当所述的第三开关导通时，此时所述的衰减器a的衰减系数为50％，当所述的第四开关导通时，此时所述的衰减器a的衰减系数为25％；所述的衰减器b与所述的衰减器a完全一样。
12.与现有技术相比，本发明的优点在于通过预放大器a、衰减器a、功放a、预放大器b、衰减器b、功放b和单片机构成信号处理模块，通过采集预放大器a输出的语音放大信号a和预放大器b输出的语音放大信号b，然后与语音信号正常范围进行比较判定是否存在啸叫，在存在啸叫时，通过对衰减器a和衰减器b进行逻辑控制即可实现啸叫抑制和回声抑制，环境适应性强，能实现全双工通话，不需要掌握复杂的数字滤波器算法，应用门槛较低，且运算量较低，不需要借助dsp处理，简单的单片机就能处理，方案成本降低。
附图说明
13.图1为本发明的基于程控电子衰减器的抑制回声和防啸叫语音对讲系统的结构图；
14.图2为本发明的基于程控电子衰减器的抑制回声和防啸叫语音对讲系统的衰减器a的电路图。
具体实施方式
15.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
16.实施例：如图1所示，一种基于程控电子衰减器的抑制回声和防啸叫语音对讲系统，包括两个电声转换模块和信号处理模块，将两个电声转换模块分别称为电声转换模块a和电声转换模块b，电声转换模块a包括麦克风a和扬声器a,电声转换模块b包括麦克风b和扬声器b,其特征在于信号处理模块包括预放大器a、衰减器a、功放a、预放大器b、衰减器b、功放b和单片机，麦克风a的输出端与预放大器a的输入端连接，预放大器a的输出端分别与衰减器a的输入端和单片机连接，衰减器a的输出端和功放a的输入端连接，功放a的输出端和扬声器b的输入端连接，麦克风b的输出端与预放大器b的输入端连接，预放大器b的输出端分别与衰减器b的输入端和单片机连接，衰减器b的输出端和功放b的输入端连接，功放b的输出端和扬声器a的输入端连接；在工作时，麦克风a和扬声器a设置在房间a，麦克风b和扬声器b设置在房间b；麦克风a用于收集房间a中的语音信号发送给预放大器a，预放大器a用于对其接收到的语音信号进行放大得到语音放大信号a在其输出端输出，麦克风b用于收集房间b中的语音信号发送给预放大器b，预放大器b用于对其接收到的语音信号进行放大得到语音放大信号b在其输出端输出，单片机内具有12位多通道adc，12位多通道adc用于采集预放大器a的输出端的语音放大信号a和预放大器b的输出端的语音放大信号b，单片机内预存有环境背景噪音电平阈值、扬声器声音电平阈值、直接人声电平阈值，环境背景噪音电平阈值小于扬声器声音电平阈值，扬声器声音电平阈值小于直接人声电平阈值，单片机周期性的从预放大器a的输出端采集语音放大信号a和预放大器b的输出端采集语音放大信号b；
17.当单片机从预放大器a采集的语音放大信号a和预放大器b采集的语音放大信号b均小于等于环境背景噪音电平阈值时，表明房间a与房间b之间没有进行任何通话，此时单片机控制衰减器a和衰减器b均关断，停止工作；当单片机从预放大器a采集的语音放大信号a大于扬声器声音电平阈值，而从预放大器b采集的语音放大信号b大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值时，说明当前在进行房间a到房间b的单向通话，单片机控制衰减器a使语音放大信号a能够通过衰减器a进行衰减后生成对应的语音衰减信号a输出至功放a，功放a对语音衰减信号a进行功率放大后通过扬声器b播放出语音，在房间a到房间b的单向通话过程中，单片机控制衰减器b始终处于关断状态，切断反方向通话路径，防止回音，并且单片机实时监测是否发生啸叫，当单片机监测到语音放大信号b大于直接人声电平阈值时，则判断为发生啸叫，当发生啸叫时，单片机进行如下控制：单片机控制衰减器a来降低扬声器b播放的声音进行啸叫抑制，直到单片机监测到的语音放大信号b大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值，然后再控制衰减器a逐渐提高扬声器b播放的声音，在扬声器b播放的声音提高过程中，如果再次出现啸叫，则再次控制衰减器a来降低扬声器b播放的声音，直到达到平衡状态，啸叫解除；当单片机从预放大器b采集的语音放大信号b大于扬声器声音电平阈值，而从预放大器a采集的语音放大信号a大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值时，说明当前在进行房间b到房间a的单向通话，单片机控制衰减器b使语音放大信号b能够通过衰减器b进行衰减后生成对应的语音衰减信号b输出至功放b，功放b对语音衰减信号b进行功率放大后通过扬声器a播放出语音，在房间b到房间a的单向通话过程中，单片机控制衰减器a始终处于关断状态，切断反方向通话
路径，防止回音，并且单片机实时监测是否发生啸叫，当单片机监测到语音放大信号a大于直接人声电平阈值时，则判断为发生啸叫，当发生啸叫时，单片机进行如下控制：单片机控制衰减器b来降低扬声器a播放的声音进行啸叫抑制，直到单片机监测到的语音放大信号a大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值，然后再控制衰减器b逐渐提高扬声器a播放的声音，在扬声器a播放的声音提高过程中，如果再次出现啸叫，则再次控制衰减器b来降低扬声器a播放的声音，直到达到平衡状态，啸叫解除；当单片机从预放大器b采集的语音放大信号b大于扬声器声音电平阈值，而从预放大器a采集的语音放大信号a也大于扬声器声音电平阈值时，说明当前在进行房间a和房间b之间的双向通话，单片机控制衰减器a使语音放大信号a能够通过衰减器a进行衰减后生成对应的语音衰减信号a输出至功放a，功放a对语音衰减信号a进行功率放大后通过扬声器b播放出语音，并且单片机控制衰减器b使语音放大信号b能够通过衰减器b进行衰减后生成对应的语音衰减信号b输出至功放b，功放b对语音衰减信号b进行功率放大后通过扬声器a播放出语音，在房间a和房间b双向通话过程中，单片机实时监测是否发生啸叫，当单片机监测到语音放大信号b大于直接人声电平阈值时，则判断为发生啸叫，此时单片机进行如下控制：单片机控制衰减器a来降低扬声器b播放的声音进行啸叫抑制，直到单片机监测到的语音放大信号b大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值，然后再控制衰减器a逐渐提高扬声器b播放的声音，在扬声器b播放的声音提高过程中，如果再次出现啸叫，则再次控制衰减器a来降低扬声器b播放的声音，如此反复，直到在预设啸叫调整时间内达到平衡状态，啸叫解除或者在预设啸叫调整时间内仍未达到平衡状态；当单片机监测到语音放大信号a大于直接人声电平阈值时，则判断为发生啸叫，此时单片机进行如下控制：单片机控制衰减器b来降低扬声器a播放的声音进行啸叫抑制，直到单片机监测到的语音放大信号a大于环境背景噪音电平阈值且小于等于扬声器声音电平阈值，然后再控制衰减器b逐渐提高扬声器a播放的声音，在扬声器a播放的声音提高过程中，如果再次出现啸叫，则再次控制衰减器b来降低扬声器a播放的声音，如此反复，直到在预设啸叫调整时间内达到平衡状态，啸叫解除或者在预设啸叫调整时间内仍未达到平衡状态；当在预设啸叫调整时间内仍未达到平衡状态时，单片机控制衰减器a和衰减器b周期性交替关断和正常工作，实现双向通话，其中在同一时刻，衰减器a和衰减器b中一个关断而另一个正常工作，周期时长为30ms-100ms。
18.如图2所示，本实施例中，衰减器a具有5个衰减档，5个衰减档的衰减系数分别为100％、75％、50％、25％和0％，当衰减系数为100％时，衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量保持不变直接作为语音衰减信号a在其输出端输出，当衰减系数为75％时，衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量降低为75％后作为语音衰减信号a在其输出端输出，当衰减系数为50％时，衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量降低为50％后作为语音衰减信号a在其输出端输出，当衰减系数为25％时，衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量降低为25％后作为语音衰减信号a在其输出端输出，当衰减系数为0％时，衰减器a将其输入端接入的语音放大信号a的音量降低为0％后作为语音衰减信号a在其输出端输出，即衰减器a处于关断状态；衰减器a包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4和第五开关k5，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4的阻值相同，第一电阻r1的一端和第一开关k1的一端连接且其连接端为衰减器a的输入端，第一电阻r1的另一端、第二电阻r2的一端和
第二开关k2的一端连接，第二电阻r2的另一端、第三电阻r3的一端和第三开关k3的一端连接，第三电阻r3的另一端。第四电阻r4的一端和第四开关k4的一端连接，第四电阻r4的另一端和第五开关k5的一端均接地，第一开关k1的另一端、第二开关k2的另一端、第三开关k3的另一端、第四开关k4的另一端和第五开关k5的另一端连接且其连接端为衰减器a的输出端，第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4和第五开关k5分别与单片机连接，单片机通过控制第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3、第四开关k4和第五开关k5的导通和断开状态来控制衰减器a的衰减档，当第五开关k5导通时，衰减器a关断，衰减器a的衰减系数为0％；当第五开关k5断开时，第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3和第四开关k4中任意两个不能同时导通，此时当第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3和第四开关k4中任意一个导通时，衰减器a进入工作状态，当第一开关k1导通时，此时衰减器a的衰减系数为100％，当第二开关k2导通时，此时衰减器a的衰减系数为75％，当第三开关k3导通时，此时衰减器a的衰减系数为50％，当第四开关k4导通时，此时衰减器a的衰减系数为25％；衰减器b与衰减器a完全一样。