移動(dòng)手持終端、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、免提設備及其它移動(dòng)通信系統的語(yǔ)音質(zhì)量是建立消費者偏好的關(guān)鍵因素�；芈暫驮肼暿菬o(wú)線(xiàn)通信固有的毛病。我們需要信號處理技術(shù)來(lái)解決語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題，確保提供能被市場(chǎng)接受的高質(zhì)量音頻輸出。傳統方法是在近端或傳輸路徑上采用獨立的回聲和噪聲消除模塊，這種方法在周邊條件不變的情況下表現出色，但如果周?chē)�環(huán)境發(fā)生了變化，如出現開(kāi)門(mén)或較大的噪聲，那么音頻系統會(huì )很難適應變化，且音頻性能也會(huì )下降。

新方法則集回聲消除、噪聲抑制及其它音響增強技術(shù)于一體，能夠根據環(huán)境變化更快地動(dòng)態(tài)調節系統參數。在大多數情況下，消費者還沒(méi)發(fā)現音質(zhì)出現問(wèn)題之前，我們就能完成調節。同樣，這種新方法實(shí)現了更高的集成度，能解決較大的噪聲和回聲問(wèn)題，從而能夠實(shí)現聽(tīng)起來(lái)非常自然的全雙工語(yǔ)音通話(huà)。

回聲和噪聲消除技術(shù)的巨大進(jìn)步來(lái)得非常及時(shí)，因為美國許多州都制定了相關(guān)法規，全面或部分地禁止駕駛人員在駕車(chē)時(shí)手握移動(dòng)電話(huà)通話(huà)。歐洲大多數國家及全球許多其它國家也都已經(jīng)有了相關(guān)的法規。上述法規的出現，進(jìn)一步提高了免提技術(shù)的需求，并要求能在汽車(chē)內部環(huán)境中有效消除噪聲及回聲，這也是免提系統的最大設計挑戰所在。設計人員需要簡(jiǎn)單易用的軟硬件，以便能夠為免提音頻產(chǎn)品提供與傳統手持產(chǎn)品一樣的音質(zhì)，這樣才能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

無(wú)線(xiàn)通信中的回聲來(lái)源

無(wú)線(xiàn)系統中的回聲有兩大來(lái)源：電氣回聲和聲學(xué)回聲。如果設計方案不佳，導致?lián)P聲器信號直接耦合到擴音器信號，那么就會(huì )出現電氣回聲。這一問(wèn)題的最佳解決方案就是做好設計工作。

對我們提出更嚴峻挑戰的問(wèn)題在于聲學(xué)回聲。如果放大后的揚聲器信號通過(guò)擴音器發(fā)生回聲，那么就會(huì )出現聲學(xué)回聲。消除這種回聲相當困難，我們必須考慮到多個(gè)因素。放大后的揚聲器聲音會(huì )在不同時(shí)間在多個(gè)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(dòng)加大了復雜性，回聲反射也會(huì )失真。

半雙工交換技術(shù)


圖1：半雙工解決方案

解決回聲問(wèn)題的最基本方法就是在檢測到遠端語(yǔ)音時(shí)禁用近端語(yǔ)音通道，這雖然能消除聲學(xué)回聲，但每次只允許一個(gè)人說(shuō)話(huà)。舉例來(lái)說(shuō)，就傳統的對講機而言，按下通話(huà)按鈕，就不能聽(tīng)到其它在線(xiàn)人說(shuō)的話(huà)了，因此雙向無(wú)線(xiàn)電通話(huà)規則中要求說(shuō)話(huà)人講完話(huà)時(shí)必須明確表示“完畢”。后來(lái)又有新技術(shù)用語(yǔ)音活動(dòng)檢測器 (VAD) 取代了通話(huà)按鈕，它能在檢測到遠端語(yǔ)音時(shí)自動(dòng)開(kāi)／關(guān)近端語(yǔ)音通道。在移動(dòng)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(zhù)用戶(hù)逐漸習慣于全雙工有線(xiàn)通話(huà)，他們今后不再接受這種限制性的單向通話(huà)技術(shù)。因為全雙工有線(xiàn)通話(huà)技術(shù)使他們能夠隨意交流，表達想法，同意或不同意對方的觀(guān)點(diǎn)，隨時(shí)停頓，不用擔心擴音器突然不能使用。



 

圖2：傳統回聲消除技術(shù)

下面我們將講述為什么幾乎所有手機、免提設備以及帶擴音器的電話(huà)均提供某種回聲消除技術(shù)。目前，幾乎所有設備都通過(guò)監控遠端信號，然后從接收信號中去除遠端信號這一基本方法來(lái)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(shí)現回聲消除。但實(shí)際上回聲幅度及時(shí)間取決于無(wú)線(xiàn)設備使用的環(huán)境，而這一環(huán)境經(jīng)常會(huì )發(fā)生變化，為此傳統回聲消除技術(shù)需要持續監控近端及遠端信號。聲學(xué)回聲消除器算法用近端揚聲器的參考信號來(lái)估算回聲通道，并從近端擴音器信號中去除回聲。

自適應濾波器的設計與調節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(lái)計算回聲估值，并就此調節濾波器的參數，以盡可能減小誤差。我們通常用歸一化最小均方 (NLMS) 算法來(lái)更新濾波器系數，以此來(lái)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。自適應通常根據信號功率加以歸一，以獨立于信號電平。

我們在大多數情況下都能以足夠的準確度進(jìn)行上述計算，以降低可感覺(jué)到的回聲。問(wèn)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定性。只要電話(huà)附近出現阻礙聲音傳遞的物體（比方說(shuō)把手里的電話(huà)放到桌面上，觸摸鍵區，把紙張蓋在揚聲器上），或當擴音器到揚聲器的距離變動(dòng)時(shí)（帶線(xiàn)話(huà)筒放回原位），回聲路徑就會(huì )發(fā)生變化。當路徑變化時(shí)，算法就要根據新的回聲路徑進(jìn)行調整，這就會(huì )出現延遲。在自適應延遲過(guò)程中，回聲就會(huì )在近端信號路徑上傳輸。

在設計回聲消除器時(shí)，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(dòng)是否會(huì )對正常工作產(chǎn)生影響？器件工作環(huán)境允許的最長(cháng)回聲路徑是多少？預計噪聲有多大？噪聲是否會(huì )發(fā)生變化（比如在汽車(chē)環(huán)境中）？設備音量應有多大？揚聲器與擴音器間的回聲返回損耗多大？近端通話(huà)人的講話(huà)音量與擴音器端的回聲相比應有多大？只有回答了上述問(wèn)題，才能設計出可根據已知環(huán)境進(jìn)行調整的最佳傳統回聲消除器。不過(guò)，當環(huán)境改變時(shí)，濾波器系數還在適應新的回聲通道，我們就已經(jīng)聽(tīng)到回聲了。根據初始參數設置的不同，適應過(guò)程需要 5 到 10 秒的時(shí)間。

除了回聲影響近端信號質(zhì)量的問(wèn)題外，背景噪聲也會(huì )造成不良影響。針對這一問(wèn)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(wèn)題都可忽略不計。與回聲消除器不同，噪聲消除器沒(méi)有參考信號作為依據。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(yǔ)音。不管怎么說(shuō)，上述兩種情況下都應瞄準噪聲，以盡可能提高性能。結合使用噪聲消除器與 AEC 的控制信號，我們能實(shí)現更準確的語(yǔ)音活動(dòng)檢測環(huán)境，提高整合效果。如果沒(méi)有上述相互作用，系統可能會(huì )把語(yǔ)音信號當作噪聲而誤消除。



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

為了解決傳統技術(shù)的局限性，我們開(kāi)發(fā)出一種可提高無(wú)線(xiàn)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，統一由新型全雙工控制模塊來(lái)控制。這種方法采用同一核心 NLMS 算法，不過(guò)擁有一些專(zhuān)門(mén)特性，這不僅能夠充分發(fā)揮這種集成型方法特有的系統技術(shù)廣度優(yōu)勢，還能動(dòng)態(tài)調節系統參數，以便加速 NLMS 的重新整合。

全雙工控制技術(shù)是新方法能夠提高性能的關(guān)鍵所在。通過(guò)將無(wú)線(xiàn)通信設備的音頻部分與最新數字信號處理技術(shù)相結合，就能采用非線(xiàn)性控制算法，就突發(fā)的環(huán)境變化做出調整，如背景中的關(guān)門(mén)聲或用戶(hù)拿電話(huà)的手突然做出什么手勢或動(dòng)作等。由于在主控制器下同時(shí)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，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，避免出現噪聲抽送 (noise pumping)。

將近端與遠端音頻路徑所有關(guān)鍵元件的系統處理技術(shù)加以整合，進(jìn)而優(yōu)化通話(huà)兩端的信號質(zhì)量，這對前代 DSP 來(lái)說(shuō)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(shí)現了適當平衡，其算法的復雜程度與音頻處理的集成度都足以適應不同音頻元件快速優(yōu)化的要求，有助于實(shí)現最佳無(wú)線(xiàn)話(huà)音質(zhì)量。

新方法的工作原理

新方法用整個(gè)系統來(lái)了解當前工作環(huán)境的情況，并動(dòng)態(tài)調節系統參數以獲得最佳性能。分析與參數調節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。根據上述信息，全雙工控制機制將對各模塊進(jìn)行全面的動(dòng)態(tài)調節，以提高近端與遠端信號的質(zhì)量。

近端信號通道上的全雙工控制機制控制著(zhù)非線(xiàn)性處理器、回聲消除器以及噪聲消除器的參數，以降低回聲和噪聲。遠端信號路徑上的全雙工控制機制控制著(zhù)動(dòng)態(tài)處理機制，調節音頻信號，在降低揚聲器非線(xiàn)性的同時(shí)提高音量輸出。兩個(gè)信號路徑上都采用圖形均衡器與音質(zhì)增強技術(shù)。圖形均衡器用于調節變送器（揚聲器與擴音器），也可用于調節音頻信號的頻率特性。音質(zhì)增強技術(shù)則用于調節音質(zhì)，以實(shí)現最佳的話(huà)音清晰度。

使用這種系統技術(shù)的特點(diǎn)在于，全雙工控制技術(shù)采用系統了解到的環(huán)境信息實(shí)現了更高音量與更低回聲，并能快速適應不斷變化的環(huán)境。

設計新型音頻處理系統

新型音頻處理系統的集成度大幅提高，這給我們提出了一系列設計挑戰。首先，我們應找到一種適當的 DSP，在為新設計提供所需高性能的同時(shí)，提供適當的編程環(huán)境，以支持復雜度較傳統回聲與噪聲消除技術(shù)高得多的設計，從而能夠縮短移動(dòng)通信系統的設計周期。

例如，德州儀器 (TI) 的 C5000 DSP 平臺就實(shí)現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，減少處理器的負擔。架構的選擇是非常重要的，該架構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(shí)現領(lǐng)先節電特性、豐富外設選擇與小型封裝的完美結合。TI 擁有廣泛的第三方開(kāi)發(fā)商網(wǎng)絡(luò )，可提供多樣化的產(chǎn)品，有助于 OEM 與 ODM 廠(chǎng)商添加 MP3 與 WMA 文件的音頻流、藍牙、話(huà)音識別、電話(huà)簿下載等特性。

開(kāi)發(fā)工作采用基于模型的設計方法，能就多個(gè)設備的復雜聲音行為進(jìn)行建模，并就設備環(huán)境生成測試矢量。我們用 MathWorks 的 Simulink來(lái)設計與開(kāi)發(fā)有關(guān)模型。設計人員可用 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(xiě)相應腳本，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的性能。這種方法使我們能評估多種設計方案，進(jìn)一步了解性能，同時(shí)還能節省設計時(shí)間與成本。設計人員能快速修改模型，觀(guān)察性能變化，從而快速優(yōu)化設計方案，實(shí)現最佳音頻性能。

工程師對系統仿真結果感到滿(mǎn)意后，就能針對 TMS320C5000™ DSP 平臺生成 C 語(yǔ)言二進(jìn)制代碼。我們用 Code Composer Studio™ 集成式開(kāi)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(shí)，對其源代碼進(jìn)行調試，從而幫助工程師方便地調試設計方案。建模技術(shù)與 Code Composer Studio 目標支持相結合使工程師能在實(shí)際硬件上用仿真輸入來(lái)驗證設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(shí)時(shí)音頻輸入輸出來(lái)做進(jìn)一步微調，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(shí)現最佳性能，取決于系統解決方案能否動(dòng)態(tài)適應于不斷變化的環(huán)境。系統參數的動(dòng)態(tài)調節應快速響應于環(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)鍵在于選擇適當的 DSP 技術(shù)，不僅要提供強大的信號處理功能，還要提供開(kāi)發(fā)基礎局端，以確保在一定時(shí)間內適時(shí)向市場(chǎng)投放產(chǎn)品。