作者：Greg Eslinger
Acoustic 技術(shù)公司工程設(shè)計(jì)副總裁
John Dixon
德州儀器 (TI) 全球低功耗 DSP 經(jīng)理
移動(dòng)手持終端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、免提設(shè)備及其它移動(dòng)通信系統(tǒng)的語(yǔ)音質(zhì)量是建立消費(fèi)者偏好的關(guān)鍵因素。回聲和噪聲是無(wú)線通信固有的毛病。我們需要信號(hào)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(tǒng)方法是在近端或傳輸路徑上采用獨(dú)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?chē)h(huán)境發(fā)生了變化，如出現(xiàn)開(kāi)門(mén)或較大的噪聲，那么音頻系統(tǒng)會(huì)很難適應(yīng)變化，且音頻性能也會(huì)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(qiáng)技術(shù)于一體，能夠根據(jù)環(huán)境變化更快地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。在大多數(shù)情況下，消費(fèi)者還沒(méi)發(fā)現(xiàn)音質(zhì)出現(xiàn)問(wèn)題之前，我們就能完成調(diào)節(jié)。同樣，這種新方法實(shí)現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)聽(tīng)起來(lái)非常自然的全雙工語(yǔ)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(lái)得非常及時(shí)，因?yàn)槊绹?guó)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(chē)時(shí)手握移動(dòng)電話通話。歐洲大多數(shù)國(guó)家及全球許多其它國(guó)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(chē)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(jì)挑戰(zhàn)所在。設(shè)計(jì)人員需要簡(jiǎn)單易用的軟硬件，以便能夠?yàn)槊馓嵋纛l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(wú)線通信中的回聲來(lái)源
無(wú)線系統(tǒng)中的回聲有兩大來(lái)源：電氣回聲和聲學(xué)回聲。如果設(shè)計(jì)方案不佳，導(dǎo)致?lián)P聲器信號(hào)直接耦合到擴(kuò)音器信號(hào)，那么就會(huì)出現(xiàn)電氣回聲。這一問(wèn)題的最佳解決方案就是做好設(shè)計(jì)工作。
對(duì)我們提出更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的問(wèn)題在于聲學(xué)回聲。如果放大后的揚(yáng)聲器信號(hào)通過(guò)擴(kuò)音器發(fā)生回聲，那么就會(huì)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(gè)因素。放大后的揚(yáng)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(hào)，這是因?yàn)槁曇粼诳諝庵械膫鞑ニ俣葍H為300米/秒，而且由于機(jī)械振動(dòng)加大了復(fù)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(cè)到遠(yuǎn)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。舉例來(lái)說(shuō)，就傳統(tǒng)的對(duì)講機(jī)而言，按下通話按鈕，就不能聽(tīng)到其它在線人說(shuō)的話了，因此雙向無(wú)線電通話規(guī)則中要求說(shuō)話人講完話時(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(cè)器 (VAD) 取代了通話按鈕，它能在檢測(cè)到遠(yuǎn)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?yàn)槿p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(duì)方的觀點(diǎn)，隨時(shí)停頓，不用擔(dān)心擴(kuò)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(jī)、免提設(shè)備以及帶擴(kuò)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(guò)監(jiān)控遠(yuǎn)端信號(hào)，然后從接收信號(hào)中去除遠(yuǎn)端信號(hào)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(xiàn)回聲消除。但實(shí)際上回聲幅度及時(shí)間取決于無(wú)線設(shè)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(tǒng)回聲消除技術(shù)需要持續(xù)監(jiān)控近端及遠(yuǎn)端信號(hào)。聲學(xué)回聲消除器算法用近端揚(yáng)聲器的參考信號(hào)來(lái)估算回聲通道，并從近端擴(kuò)音器信號(hào)中去除回聲。
自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)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(hào)已知的特性來(lái)計(jì)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(lái)更新濾波器系數(shù)，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(yīng)通常根據(jù)信號(hào)功率加以歸一，以獨(dú)立于信號(hào)電平。
我們?cè)诖蠖鄶?shù)情況下都能以足夠的準(zhǔn)確度進(jìn)行上述計(jì)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(yáng)聲器與擴(kuò)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(shuō)把手里的電話放到桌面上，觸摸鍵區(qū)，把紙張蓋在揚(yáng)聲器上），或當(dāng)擴(kuò)音器到揚(yáng)聲器的距離變動(dòng)時(shí)（帶線話筒放回原位），回聲路徑就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)路徑變化時(shí)，算法就要根據(jù)新的回聲路徑進(jìn)行調(diào)整，這就會(huì)出現(xiàn)延遲。在自適應(yīng)延遲過(guò)程中，回聲就會(huì)在近端信號(hào)路徑上傳輸。
在設(shè)計(jì)回聲消除器時(shí)，了解這種器件的工作環(huán)境十分重要。擴(kuò)音器與揚(yáng)聲器是否處于固定位置？位置變動(dòng)是否會(huì)對(duì)正常工作產(chǎn)生影響？器件工作環(huán)境允許的最長(zhǎng)回聲路徑是多少？預(yù)計(jì)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(shè)備音量應(yīng)有多大？揚(yáng)聲器與擴(kuò)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(kuò)音器端的回聲相比應(yīng)有多大？只有回答了上述問(wèn)題，才能設(shè)計(jì)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(guò)，當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，濾波器系數(shù)還在適應(yīng)新的回聲通道，我們就已經(jīng)聽(tīng)到回聲了。根據(jù)初始參數(shù)設(shè)置的不同，適應(yīng)過(guò)程需要 5 到 10 秒的時(shí)間。
除了回聲影響近端信號(hào)質(zhì)量的問(wèn)題外，背景噪聲也會(huì)造成不良影響。針對(duì)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(dú)立于回聲消除器工作，任何干擾問(wèn)題都可忽略不計(jì)。與回聲消除器不同，噪聲消除器沒(méi)有參考信號(hào)作為依據(jù)。它必須對(duì)噪聲進(jìn)行估測(cè)，并將其從揚(yáng)聲器信號(hào)中消除，要么就只能估測(cè)語(yǔ)音。不管怎么說(shuō)，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(hào)，我們能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)環(huán)境，提高整合效果。如果沒(méi)有上述相互作用，系統(tǒng)可能會(huì)把語(yǔ)音信號(hào)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(kāi)發(fā)出一種可提高無(wú)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(hào)處理功能相集成，統(tǒng)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(tǒng)技術(shù)廣度優(yōu)勢(shì)，還能動(dòng)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(guò)將無(wú)線通信設(shè)備的音頻部分與最新數(shù)字信號(hào)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(mén)聲或用戶拿電話的手突然做出什么手勢(shì)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(qiáng)大的信號(hào)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(bǔ)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(hào)質(zhì)量，這對(duì)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(jí)片上存儲(chǔ)器容量間實(shí)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(shí)現(xiàn)最佳無(wú)線話音質(zhì)量。
新方法的工作原理
新方法用整個(gè)系統(tǒng)來(lái)了解當(dāng)前工作環(huán)境的情況，并動(dòng)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(píng)估近端與遠(yuǎn)端信號(hào)，首先確定信號(hào)目前是否處于工作狀態(tài)，然后從不同角度評(píng)估信號(hào)質(zhì)量。根據(jù)上述信息，全雙工控制機(jī)制將對(duì)各模塊進(jìn)行全面的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以提高近端與遠(yuǎn)端信號(hào)的質(zhì)量。
近端信號(hào)通道上的全雙工控制機(jī)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(hào)路徑上的全雙工控制機(jī)制控制著動(dòng)態(tài)處理機(jī)制，調(diào)節(jié)音頻信號(hào)，在降低揚(yáng)聲器非線性的同時(shí)提高音量輸出。兩個(gè)信號(hào)路徑上都采用圖形均衡器與音質(zhì)增強(qiáng)技術(shù)。圖形均衡器用于調(diào)節(jié)變送器（揚(yáng)聲器與擴(kuò)音器），也可用于調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的頻率特性。音質(zhì)增強(qiáng)技術(shù)則用于調(diào)節(jié)音質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)最佳的話音清晰度。
使用這種系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)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(shí)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(jì)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(jì)挑戰(zhàn)。首先，我們應(yīng)找到一種適當(dāng)?shù)?DSP，在為新設(shè)計(jì)提供所需高性能的同時(shí)，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(jì)，從而能夠縮短移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期。
例如，德州儀器 (TI) 的 C5000 DSP 平臺(tái)就實(shí)現(xiàn)了處理性能與大容量片上存儲(chǔ)器的優(yōu)化組合，有助于降低片外存儲(chǔ)器的工作強(qiáng)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(duì)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(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(kāi)發(fā)商網(wǎng)絡(luò)，可提供多樣化的產(chǎn)品，有助于 OEM 與 ODM 廠商添加 MP3 與 WMA 文件的音頻流、藍(lán)牙、話音識(shí)別、電話簿下載等特性。
開(kāi)發(fā)工作采用基于模型的設(shè)計(jì)方法，能就多個(gè)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(cè)試矢量。我們用 MathWorks 的 Simulink來(lái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)有關(guān)模型。設(shè)計(jì)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(cè)試。
工程師只需編寫(xiě)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(píng)估多種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步了解性能，同時(shí)還能節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與成本。設(shè)計(jì)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(jì)方案，實(shí)現(xiàn)最佳音頻性能。
工程師對(duì)系統(tǒng)仿真結(jié)果感到滿意后，就能針對(duì) TMS320C5000? DSP 平臺(tái)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(duì)象代碼，在對(duì)二進(jìn)制影像進(jìn)行測(cè)試同時(shí)，對(duì)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(jì)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(shí)際硬件上用仿真輸入來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的性能有效性。隨后，他們還能用獨(dú)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(diào)，在評(píng)估中對(duì)代碼作進(jìn)一步優(yōu)化。
回聲消除和噪聲消除能否實(shí)現(xiàn)最佳性能，取決于系統(tǒng)解決方案能否動(dòng)態(tài)適應(yīng)于不斷變化的環(huán)境。系統(tǒng)參數(shù)的動(dòng)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(cè)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(qiáng)大的信號(hào)處理功能，還要提供開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)局端，以確保在一定時(shí)間內(nèi)適時(shí)向市場(chǎng)投放產(chǎn)品。