摘 要： 针对传统的数字化音乐录音系统录音质量差的问题，设计一种基于USB主机结构的数字化音乐录音系统，以解决录音质量差的问题。该系统硬件主要包括PCM编码电路和USB主机接口芯片，实现音乐信号的A/D转换和音乐数据采集功能；系统软件主要解决录音质量问题。首先对音频帧划分和音乐数据采样，其次为减少噪声数据，对音乐端点检测，并利用三角滤波器公式处理频域，最后采用谱相减法和掩蔽比较法去除背景噪声，以此完成了基于USB主机结构的数字化音乐录音系统的设计。实验对比结果表明，此次设计的系统比传统系统录音质量高，能够满足数字化音乐录音的质量要求。
关键词： 数字化音乐录音; 系统设计; USB主机结构; 数据采样; 噪声去除; 对比验证;
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.
Keyword： digitization music recording; system design; USB host structure; data sampling; noise remove; comparison validation;
0、 引言
录音技术随着数字技术的进步而发展，因数字化录音系统能够提供准确可靠的原始录音记录，已经被广泛应用到音乐录音中。在音乐录制过程中会产生大量音乐数据，导致在数字化音乐录音系统中出现数据冗余情况。同时传统的数字化音乐录音系统不能有效对音乐录音处理，导致录音质量低。针对这种情况，将USB主机结构应用到数字化音乐录音系统中，设计一种基于USB主机结构的数字化音乐录音系统。此次设计基于USB主机结构的数字化音乐录音系统，硬件包括PCM编码电路和USB主机接口芯片，软件部分通过音频帧划分、音乐数据采样、音乐端点检测、频域处理和去除背景噪声五方面实现系统软件的设计。
1、 数字化音乐录音系统硬件架构设计
数字化音乐录音系统硬件由PCM编码电路和USB主机接口芯片两部分组成，硬件的原理图见图1。
图1 系统硬件原理图
PCM编码电路主要用来进行系统中音乐数据转换，USB主机接口芯片[1,2]主要采集主机协议和音乐录音数据。
1.1、 PCM编码电路设计
音乐PCM编码将音乐信号转换为数字语音信号，采用DUFIO-23OUJ芯片，此芯片内具有发送带通滤波器和接收低通滤波器[3]，其原理如图2所示。
图2 DUFIO-23OUJ芯片原理图
PCM中音乐录音数据的输出与输入通过RO+,RO-和TI+,TI-接口实现；模拟信号通过PI,PO+,PO-实现，利用模拟信号驱动录音设备工作；经过PCM输出的数据为串行输出数据[4,5]，需要经过ADC转换，实现音乐录音的输出。
1.2、 USB主机接口芯片设计
USB主机接口芯片设计采用的DFHOA芯片是一种遵从USB 1.1协议的嵌入式芯片[6]。DFHOA功能模块框图如图3所示。
图3 DFHOA功能模块框图
DFHOA芯片能够自动探测所接设备的速度，具有两套并行寄存器，支持乒乓操作[7]。该芯片包括8位宽的数据总线，支持中断操作。具体使用时，将其与微处理器、微控制器和DSP连接，控制DFHOA芯片作为主机或者从机工作方式的管脚接地，并以DFHOA芯片中A0情况对数据传输。同时硬件中的VDD引脚采用124电容，该引脚支持地址自增模式[8,9]，支持连续读写地址数据，以此完成系统硬件的设计。
2、 数字化音乐录音系统软件实现
在上述系统硬件设计的基础上，对数字化音乐录音系统软件进行设计，目的是提高音乐录音质量[10]。具体步骤如下：
1）音频帧划分。采用音乐处理技术把语音按帧划分和处理[11]。
2）音乐数据采样。相邻的两帧在相接处的采样点会受到采样间隔的影响，为消除这种影响，在帧与帧之间设置一半长度的帧移。设计中采用20 ms的方式作为一个音频帧。音帧频划分原理如图4所示。
图4 音帧频划分原理
3）音乐端点检测。音乐录音的起点和终点会出现噪声数据，因此查看录音的开始和终点，计算公式如下：
上述过程为音乐录音数据预处理阶段，通过短时能量和过零率判断语音信号起点，如果系统中的录音区出现10帧以上的平均能量，表示其高于设定门限值，则为录音区终点。
4）频域处理。在上述音乐端点检测的基础上，对音乐频域变换，利用三角滤波器公式表示该频域，计算公式为：
通过上述过程完成对录音的预处理，但是在实际系统录入音乐时，会受到周围噪声干扰，该问题将在下一步解决。
5）去除背景噪声。采用谱相减法减去噪声信号功率谱，得到纯语音功率谱估计值，算法流程如图5所示。
图5 谱相减法流程
按照谱相减法理论，频域公式如下：
通过式（3）能够去除大部分背景噪声，再将掩蔽比较法应用到噪声去除瑕疵，计算公式如下：
依据上述计算，完成对音乐录音数据的处理，在实际使用该系统时，与USB主机结构相结合，以此完成系统软件的设计。
3、 实验对比
3.1、 系统测试平台
为验证此次设计的基于USB主机结构的数字化音乐录音系统的有效性，进行实验对比。实验硬盘内存为4 GB，以ARMjh45为CPU的机构，采用35 bit的指令集嵌入式处理器，片内集成USB控制器。同时包括ADC数据转换器，转换器支持0～15个阶层。并设置实验数据的采样频率最低为8 kHz，最高为15 kHz，采样信号为单声道16 bit PCM数据。实验平台如图6所示。
图6 实验平台
在实际测试时，将PC机作为实验主机，通过USB接口控制录音的采样频率，采样频率控制需要小于USB实时传输所达到的最大值，保证数据采集时的准确无误。
3.2、 实验结果分析
实验以判断录音识别的正确次数判断系统的录音质量实验对象，进行50次实验。识别的正确次数越高，则代表系统录音质量高，反之代表录音质量低。实验时分别使用2个系统录入3句语音，对比2个系统的录音后的录音识别正确率，实验对比结果如表1所示。分析上述实验结果，总结出3点结论：
1）语音时长的增加会降低录音正确率。从实验对比结果中能够看出，此次设计系统受到录音时长的影响较小，能够保持较高的正确率；而传统方法容易受到时长的影响，正确率随着时间的增加而下降。
2）传统方法并没有随着采样率的提高而增加录音识别效果，说明传统系统的录音质量低。
3）综合上述对比结果，因本文设计的系统能够有效地将周围环境的噪声去除，并会在端点检测时拦截实际的语音信号。故此次设计的系统录音质量优于传统系统录音质量。
综上所述，将USB主机结构应用到数字化录音系统中，能够有效控制系统的数据传输，并且本文设计的基于USB主机结构的数字化音乐录音系统能够有效提高录音质量，比传统系统的录音质量好，具有一定的实际应用意义。
表1 实验结果
4、 结语
针对传统的数字化音乐录音系统录音质量差的问题，设计基于USB主机结构的数字化音乐录音系统，其中硬件部分主要对录音文件采集和输出，软件部分通过5个步骤实现，并进行实验。实验结果表明，本文设计的录音系统比传统系统录音质量好，能够满足音乐录音的质量要求，具有一定的应用效果。由于系统中众多协议的限制，故在实际使用中需要进一步加以完善和功能扩展。
参考文献
[1]苗静，杨帆，潘国峰.嵌入式智能音乐播放系统的设计与实现[J].声学技术，2017,36(4):357-362.
[2]龚家华，易志雄，刘卫忠.基于数字机顶盒的嵌入式USB主机接口设计[J].电视技术，2017,23(3):42-44.
[3]孙慧贤，张玉华.采用USB和CAN总线的电力监控数据采集系统[J].电力系统及其自动化学报，2019,21(1):99-103.
[4]崔立超，王侃伟.基于SL811HS芯片的USB主机系统的设计应用[J].机械设计与制造，2017,22(7):64-66.
[5]郑翔，殷瑞祥.基于SL811HST和PIC18F452的USB主机系统的设计[J].现代电子技术，2017,40(6):34-37.
[6]陆阳，闵信余.嵌入式USB主机文件系统下的实时数据存储[J].计算机工程与设计，2017,28(6):1384-1386.
[7] 曾春年，张晓伟.基于SL811HS芯片的车载USB主机研究[J].武汉理工大学学报，2018,30(2):133-136.
[8]仲伟峰，李全利.基于ARM的嵌入式USB主机系统设计[J].哈尔滨理工大学学报，2017,15(6):42-46.
[9]赵磊，牛俊邦.基于USB主机的嵌入式数据采集系统的设计和应用[J].仪表技术与传感器，2019,34(3):52-54.
[10]肖凌，凌明.基于ASIX-OS^1的USBHost系统软件的实现与应用[J].电子器件，2017,30(3):1102-1104.
[11]陈星宇，李广军.基于EHCI协议的USB2.0主机传输调度的设计与实现[J].电子技术应用，2017,33(11):41-43.
