作者：Greg Eslinger
Acoustic 技術(shù)公司工程設(shè)計副總裁
John Dixon
德州儀器 (TI) 全球低功耗 DSP 經(jīng)理
移動手持終端、無線網(wǎng)絡(luò),、免提設(shè)備及其它移動通信系統(tǒng)的語音質(zhì)量是建立消費者偏好的關(guān)鍵因素,。回聲和噪聲是無線通信固有的毛病,。我們需要信號處理技術(shù)來解決語音質(zhì)量問題,，確保提供能被市場接受的高質(zhì)量音頻輸出。傳統(tǒng)方法是在近端或傳輸路徑上采用獨立的回聲和噪聲消除" title="噪聲消除">噪聲消除模塊,，這種方法在周邊條件不變的情況下表現(xiàn)出色,，但如果周圍環(huán)境發(fā)生了變化，如出現(xiàn)開門或較大的噪聲,，那么音頻系統(tǒng)會很難適應(yīng)變化,，且音頻性能也會下降。
新方法則集回聲消除" title="回聲消除">回聲消除,、噪聲抑制及其它音響增強技術(shù)于一體,，能夠根據(jù)環(huán)境變化更快地動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。在大多數(shù)情況下,，消費者還沒發(fā)現(xiàn)音質(zhì)出現(xiàn)問題之前,，我們就能完成調(diào)節(jié)。同樣,，這種新方法實現(xiàn)了更高的集成度,，能解決較大的噪聲和回聲問題，從而能夠?qū)崿F(xiàn)聽起來非常自然的全雙工語音通話。
回聲和噪聲消除技術(shù)" title="消除技術(shù)">消除技術(shù)的巨大進(jìn)步來得非常及時,，因為美國許多州都制定了相關(guān)法規(guī),，全面或部分地禁止駕駛?cè)藛T在駕車時手握移動電話通話。歐洲大多數(shù)國家及全球許多其它國家也都已經(jīng)有了相關(guān)的法規(guī),。上述法規(guī)的出現(xiàn),，進(jìn)一步提高了免提技術(shù)的需求，并要求能在汽車內(nèi)部環(huán)境中有效消除噪聲及回聲,，這也是免提系統(tǒng)的最大設(shè)計挑戰(zhàn)所在,。設(shè)計人員需要簡單易用的軟硬件，以便能夠為免提音頻產(chǎn)品提供與傳統(tǒng)手持產(chǎn)品一樣的音質(zhì),，這樣才能滿足用戶的需求,。
無線通信中的回聲來源
無線系統(tǒng)中的回聲有兩大來源：電氣回聲和聲學(xué)回聲。如果設(shè)計方案不佳,，導(dǎo)致?lián)P聲器信號直接耦合到擴音器信號,，那么就會出現(xiàn)電氣回聲。這一問題的最佳解決方案就是做好設(shè)計工作,。
對我們提出更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的問題在于聲學(xué)回聲,。如果放大后的揚聲器信號通過擴音器發(fā)生回聲，那么就會出現(xiàn)聲學(xué)回聲,。消除這種回聲相當(dāng)困難,，我們必須考慮到多個因素。放大后的揚聲器聲音會在不同時間在多個通道上反射,。這種間接的回聲明顯滯后于原始信號,，這是因為聲音在空氣中的傳播速度僅為300米/秒，而且由于機械振動加大了復(fù)雜性,，回聲反射也會失真,。
半雙工交換技術(shù)
圖1：半雙工解決方案
解決回聲問題的最基本方法就是在檢測到遠(yuǎn)端語音時禁用近端語音通道，這雖然能消除聲學(xué)回聲,，但每次只允許一個人說話,。舉例來說，就傳統(tǒng)的對講機而言,，按下通話按鈕,，就不能聽到其它在線人說的話了，因此雙向無線電通話規(guī)則中要求說話人講完話時必須明確表示“完畢”,。后來又有新技術(shù)用語音活動檢測器 (VAD) 取代了通話按鈕,，它能在檢測到遠(yuǎn)端語音時自動開／關(guān)近端語音通道。在移動通信初期階段,，我們尚能接受這種有局限性的技術(shù),，但隨著用戶逐漸習(xí)慣于全雙工有線通話,，他們今后不再接受這種限制性的單向通話技術(shù)。因為全雙工有線通話技術(shù)使他們能夠隨意交流,，表達(dá)想法,，同意或不同意對方的觀點，隨時停頓,，不用擔(dān)心擴音器突然不能使用,。
傳統(tǒng)回聲消除技術(shù)
圖2：傳統(tǒng)回聲消除技術(shù)
下面我們將講述為什么幾乎所有手機、免提設(shè)備以及帶擴音器的電話均提供某種回聲消除技術(shù),。目前,，幾乎所有設(shè)備都通過監(jiān)控遠(yuǎn)端信號，然后從接收信號中去除遠(yuǎn)端信號這一基本方法來消除回聲,。如果回聲量已知且保持不變,，那么上述方法就很容易實現(xiàn)回聲消除。但實際上回聲幅度及時間取決于無線設(shè)備使用的環(huán)境,，而這一環(huán)境經(jīng)常會發(fā)生變化,，為此傳統(tǒng)回聲消除技術(shù)需要持續(xù)監(jiān)控近端及遠(yuǎn)端信號。聲學(xué)回聲消除器算法用近端揚聲器的參考信號來估算回聲通道,，并從近端擴音器信號中去除回聲,。
自適應(yīng)濾波器的設(shè)計與調(diào)節(jié)是回聲消除性能的決定性因素。濾波器通常使用音頻信號已知的特性來計算回聲估值,，并就此調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù)，以盡可能減小誤差,。我們通常用歸一化最小均方 (NLMS) 算法來更新濾波器系數(shù),，以此來消除回聲。該算法可最小化消除器的均方誤差,，該誤差為殘余回聲,。自適應(yīng)通常根據(jù)信號功率加以歸一，以獨立于信號電平,。
我們在大多數(shù)情況下都能以足夠的準(zhǔn)確度進(jìn)行上述計算,，以降低可感覺到的回聲。問題在于,，算法能否發(fā)揮作用,，取決于揚聲器與擴音器之間的回聲路徑的穩(wěn)定性。只要電話附近出現(xiàn)阻礙聲音傳遞的物體（比方說把手里的電話放到桌面上,，觸摸鍵區(qū),，把紙張蓋在揚聲器上），或當(dāng)擴音器到揚聲器的距離變動時（帶線話筒放回原位）,，回聲路徑就會發(fā)生變化,。當(dāng)路徑變化時，算法就要根據(jù)新的回聲路徑進(jìn)行調(diào)整，這就會出現(xiàn)延遲,。在自適應(yīng)延遲過程中,，回聲就會在近端信號路徑上傳輸。
在設(shè)計回聲消除器時,，了解這種器件的工作環(huán)境十分重要,。擴音器與揚聲器是否處于固定位置？位置變動是否會對正常工作產(chǎn)生影響,？器件工作環(huán)境允許的最長回聲路徑是多少,？預(yù)計噪聲有多大？噪聲是否會發(fā)生變化（比如在汽車環(huán)境中）,？設(shè)備音量應(yīng)有多大,？揚聲器與擴音器間的回聲返回?fù)p耗多大？近端通話人的講話音量與擴音器端的回聲相比應(yīng)有多大,？只有回答了上述問題,，才能設(shè)計出可根據(jù)已知環(huán)境進(jìn)行調(diào)整的最佳傳統(tǒng)回聲消除器。不過,，當(dāng)環(huán)境改變時,，濾波器系數(shù)還在適應(yīng)新的回聲通道，我們就已經(jīng)聽到回聲了,。根據(jù)初始參數(shù)設(shè)置的不同,，適應(yīng)過程需要 5 到 10 秒的時間。
除了回聲影響近端信號質(zhì)量的問題外,，背景噪聲也會造成不良影響,。針對這一問題的解決方案就是采用噪聲消除器。典型的噪聲消除器獨立于回聲消除器工作,，任何干擾問題都可忽略不計,。與回聲消除器不同，噪聲消除器沒有參考信號作為依據(jù),。它必須對噪聲進(jìn)行估測,，并將其從揚聲器信號中消除，要么就只能估測語音,。不管怎么說,，上述兩種情況下都應(yīng)瞄準(zhǔn)噪聲，以盡可能提高性能,。結(jié)合使用噪聲消除器與 AEC 的控制信號,，我們能實現(xiàn)更準(zhǔn)確的語音活動檢測環(huán)境，提高整合效果,。如果沒有上述相互作用,，系統(tǒng)可能會把語音信號當(dāng)作噪聲而誤消除,。
新方法提高了集成度
圖3：新方法將回聲與噪聲消除與其它音頻處理技術(shù)相集成
為了解決傳統(tǒng)技術(shù)的局限性，我們開發(fā)出一種可提高無線音頻質(zhì)量的新方法（如圖 3 所示）,。新老方法的基本差異在于：新方法將回聲消除,、噪聲消除與其它音頻信號處理功能相集成，統(tǒng)一由新型全雙工控制模塊來控制,。這種方法采用同一核心 NLMS 算法,，不過擁有一些專門特性，這不僅能夠充分發(fā)揮這種集成型方法特有的系統(tǒng)技術(shù)廣度優(yōu)勢,，還能動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù),，以便加速 NLMS 的重新整合。
全雙工控制技術(shù)" title="控制技術(shù)">控制技術(shù)是新方法能夠提高性能的關(guān)鍵所在,。通過將無線通信設(shè)備的音頻部分與最新數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合,，就能采用非線性控制算法，就突發(fā)的環(huán)境變化做出調(diào)整,，如背景中的關(guān)門聲或用戶拿電話的手突然做出什么手勢或動作等,。由于在主控制器下同時優(yōu)化了不同控制算法，從而進(jìn)一步提高了音質(zhì),。最后,，由于采用了更強大的信號處理架構(gòu)，因此我們還能添加新功能,，如在背景中填充自然發(fā)聲的舒適噪聲以補償噪聲背景的改變,，避免出現(xiàn)噪聲抽送 (noise pumping)。
將近端與遠(yuǎn)端音頻路徑所有關(guān)鍵元件的系統(tǒng)處理技術(shù)加以整合,，進(jìn)而優(yōu)化通話兩端的信號質(zhì)量,，這對前代 DSP 來說是非常困難的。近期推出的 DSP 在性能與高級片上存儲器容量間實現(xiàn)了適當(dāng)平衡,，其算法的復(fù)雜程度與音頻處理的集成度都足以適應(yīng)不同音頻元件快速優(yōu)化的要求，有助于實現(xiàn)最佳無線話音質(zhì)量,。
新方法的工作原理
新方法用整個系統(tǒng)來了解當(dāng)前工作環(huán)境的情況,，并動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)以獲得最佳性能。分析與參數(shù)調(diào)節(jié)是集成式全雙工控制的任務(wù),。全雙工控制技術(shù)可評估近端與遠(yuǎn)端信號,，首先確定信號目前是否處于工作狀態(tài)，然后從不同角度評估信號質(zhì)量,。根據(jù)上述信息,，全雙工控制機制將對各模塊進(jìn)行全面的動態(tài)調(diào)節(jié)，以提高近端與遠(yuǎn)端信號的質(zhì)量,。
近端信號通道上的全雙工控制機制控制著非線性處理器,、回聲消除器以及噪聲消除器的參數(shù),，以降低回聲和噪聲。遠(yuǎn)端信號路徑上的全雙工控制機制控制著動態(tài)處理機制,，調(diào)節(jié)音頻信號,，在降低揚聲器非線性的同時提高音量輸出。兩個信號路徑上都采用圖形均衡器與音質(zhì)增強技術(shù),。圖形均衡器用于調(diào)節(jié)變送器（揚聲器與擴音器）,，也可用于調(diào)節(jié)音頻信號的頻率特性。音質(zhì)增強技術(shù)則用于調(diào)節(jié)音質(zhì),，以實現(xiàn)最佳的話音清晰度,。
使用這種系統(tǒng)技術(shù)的特點在于，全雙工控制技術(shù)采用系統(tǒng)了解到的環(huán)境信息實現(xiàn)了更高音量與更低回聲,，并能快速適應(yīng)不斷變化的環(huán)境,。
設(shè)計新型音頻處理系統(tǒng)
新型音頻處理系統(tǒng)的集成度大幅提高，這給我們提出了一系列設(shè)計挑戰(zhàn),。首先,，我們應(yīng)找到一種適當(dāng)?shù)?DSP，在為新設(shè)計提供所需高性能的同時,，提供適當(dāng)?shù)木幊汰h(huán)境,，以支持復(fù)雜度較傳統(tǒng)回聲與噪聲消除技術(shù)高得多的設(shè)計，從而能夠縮短移動通信系統(tǒng)的設(shè)計周期,。
例如,，德州儀器 (TI) 的 C5000 DSP 平臺就實現(xiàn)了處理性能與大容量片上存儲器的優(yōu)化組合，有助于降低片外存儲器的工作強度,，減少處理器的負(fù)擔(dān),。架構(gòu)的選擇是非常重要的，該架構(gòu)不僅要針對音頻處理進(jìn)行優(yōu)化,，而且要包含豐富的器件,，從而實現(xiàn)領(lǐng)先節(jié)電特性、豐富外設(shè)選擇與小型封裝的完美結(jié)合,。TI 擁有廣泛的第三方開發(fā)商網(wǎng)絡(luò),，可提供多樣化的產(chǎn)品，有助于 OEM 與 ODM 廠商添加 MP3 與 WMA 文件的音頻流,、藍(lán)牙,、話音識別、電話簿下載等特性,。
開發(fā)工作采用基于模型的設(shè)計方法,，能就多個設(shè)備的復(fù)雜聲音行為進(jìn)行建模，并就設(shè)備環(huán)境生成測試矢量,。我們用 MathWorks 的 Simulink來設(shè)計與開發(fā)有關(guān)模型,。設(shè)計人員可用 C 代碼創(chuàng)建自主算法模塊,，并集成到仿真環(huán)境中用于測試。
工程師只需編寫相應(yīng)腳本,，描述典型工作情況,，即可利用軟件提供的模型仿真回聲與噪聲消除系統(tǒng)的性能。這種方法使我們能評估多種設(shè)計方案,，進(jìn)一步了解性能,，同時還能節(jié)省設(shè)計時間與成本。設(shè)計人員能快速修改模型,，觀察性能變化,，從而快速優(yōu)化設(shè)計方案，實現(xiàn)最佳音頻性能,。
工程師對系統(tǒng)仿真結(jié)果感到滿意后,，就能針對 TMS320C5000? DSP 平臺生成 C 語言二進(jìn)制代碼。我們用 Code Composer Studio? 集成式開發(fā)環(huán)境能很方便地創(chuàng)建二進(jìn)制對象代碼,，在對二進(jìn)制影像進(jìn)行測試同時,，對其源代碼進(jìn)行調(diào)試，從而幫助工程師方便地調(diào)試設(shè)計方案,。建模技術(shù)與 Code Composer Studio 目標(biāo)支持相結(jié)合使工程師能在實際硬件上用仿真輸入來驗證設(shè)計方案的性能有效性,。隨后，他們還能用獨立于仿真模型的實時音頻輸入輸出來做進(jìn)一步微調(diào),，在評估中對代碼作進(jìn)一步優(yōu)化,。
回聲消除和噪聲消除能否實現(xiàn)最佳性能，取決于系統(tǒng)解決方案能否動態(tài)適應(yīng)于不斷變化的環(huán)境,。系統(tǒng)參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)應(yīng)快速響應(yīng)于環(huán)境的變化,，避免間歇性回聲和噪聲干擾電流生成技術(shù)。只有采用良好的建模環(huán)境,，才能做好上述解決方案的測試工作,。成功的終端產(chǎn)品的關(guān)鍵在于選擇適當(dāng)?shù)?DSP 技術(shù)，不僅要提供強大的信號處理功能,，還要提供開發(fā)基礎(chǔ)局端,，以確保在一定時間內(nèi)適時向市場投放產(chǎn)品。