基于CSR芯片和CSR-HF回聲消除軟件實現藍牙車載免提系統(tǒng)的設計

隨著駕駛安全問題受到更廣泛的關注，藍牙車載免提也因此而獲得強大的市場支持。藍牙車載免提系統(tǒng)的設計涉及兩大主要問題，第一個是藍牙技術的問題，第二個是在車內空間狹小的情況下所涉及的回音消除及噪聲抑制的問題，CSR公司在這兩個方面都處于領導者的地位，本文將詳細描述基于CSR芯片方案和CSR-HF回聲消除軟件系統(tǒng)的藍牙車載免提系統(tǒng)方案。

今天，汽車已經不再是少數人的奢侈品，走下了神壇，進入尋常百姓家中。從而汽車駕駛安全的問題也就自然成為大眾關心的話題。為了行車安全，目前很多國家都不允許開車時用手接聽電話，這也就給采用藍牙技術的車載免提造就了巨大的市場空間。但要實現車載的藍牙免提，需要解決兩大技術問題，其一是藍牙技術問題，其二是在車內復雜的空間環(huán)境下所帶來的回音問題，即通話的語音品質問題。

藍牙協(xié)議是由特別興趣小組SIG（Special Intresting Group）組織制定并推廣的一個開放的短距離、低功耗的無線解決方案。其射頻工作在無需授權的ISM（工業(yè)，科學以及醫(yī)療）頻段，并采用跳頻技術來消除干擾和降低衰減。藍牙技術一個重要的特點是它不僅是一個連接層的規(guī)范，同時還制定了很多基于這個連接協(xié)議層上的很多的應用，比如Handfree Profile、文件傳輸、網絡接入等。本文所談到的車載系統(tǒng)就應用到了其中的Handfree Profile。

整個藍牙協(xié)議體系結構可以分為底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應用層三大部分，如圖1所示。

圖1：藍牙協(xié)議體系結構。

鏈路管理層（LM）、基帶層（BB）和射頻（RF）構成了藍牙的底層模塊。中間協(xié)議層包括邏輯鏈路控制與適配協(xié)議（L2CAP）、服務發(fā)現協(xié)議（SDP）、串口仿真協(xié)議（RFCOMM）和電話控制協(xié)議規(guī)范（TCS），最高層是應用層，即眾多的profile。

藍牙的車載實際應用總是和手機聯系在一起的，雖然藍牙SIG組織在互操作性方面做了很多的規(guī)定。但是各個手機廠商在具體實現上各有各的不同，這些實現方式只能保證在基本的方面沒有問題，而目前有很多手機廠商并沒有做BQB認證，這更加加劇了互操作性的問題。所以與手機的兼容性問題對于產品實現非常重要。CSR（Cambridge Silicon Radio）公司是藍牙業(yè)界的領導者，其在兼容性方面做了非常充分的測試，這樣OEM廠商可以從這個問題中解放出來。

前面提到第二項關鍵技術是回音消除和噪音抑制，這也是本文討論的重點。汽車內的空間特別狹小，由揚聲器發(fā)出的聲音通過在車內不同的地方發(fā)生反射，又傳回到車載系統(tǒng)的麥克風是車載系統(tǒng)產生回音的一個根本原因，從圖2可以看出車載系統(tǒng)在使用時回音產生的復雜情況。

圖2：車載系統(tǒng)產生回音的復雜情況。

從回音的產生到用戶聽到回音有一定的時間間隔，主要是由于電波傳輸以及反射會引起時間消耗。如何提高車載系統(tǒng)通話的語音質量是一個關鍵的話題，直接關系到用戶體驗，而由于車內的復雜環(huán)境，又使得該項技術充滿了挑戰(zhàn)。

CSR推出的BlueCore3-Multimedia和其回音消除軟件整合在一起構成了藍牙車載系統(tǒng)的完整解決方案，BlueCore3-Mutlimedia是一顆集處理器和藍牙無線射頻控制于一體的單芯片方案。圖2是它的系統(tǒng)架構。

圖3：BlueCore3-Multimedia系統(tǒng)架構。

從圖3可以看到，BlueCore3-Multimedia還集成了開放平臺DSP－Kalimba DSP。Kalimba DSP作為基帶處理器的協(xié)處理器，用于完成對語音通信中的回音消除。

該方案將實現車載系統(tǒng)的兩大關鍵技術整合到一顆芯片中來，無疑降低了產品的開發(fā)難度和系統(tǒng)成本，為產品的快速上市創(chuàng)造了很好條件。

在BlueCore3-Mulitmedia的基帶控制器（MCU）中運行藍牙協(xié)議棧以及Handfree Profile和HandsetProfile，并從藍牙的同步面向連接（SCO）鏈路中提取語音信息并轉送給Kalimba DSP，Kalimba DSP中的軟件完成語音處理，再經過數模轉換到揚聲器放出來，反方向是模數轉換從麥克風中收集語音信息，到Kalimba DSP中進行處理，然后傳送給基帶控制器，再通過藍牙的SCO鏈路發(fā)送出去，流程示意見圖4。

圖4： CSR藍牙車載系統(tǒng)的語音信號流向示意。

前面已經提到回音產生的一個根本原因是揚聲器發(fā)出的聲音耦合到麥克風而產生的，所以回音消除的方法就是采用一定的技術手段把這些耦合進去的聲音信號提取出來?？梢詮膱D5中理解這個消除回音的基本原理。

圖5：回聲消除的基本原理。

在圖5中，先在從SCO鏈路到揚聲器這個通路上采集參考信號，在回聲消除器里對這些參考信號進行處理，得到處理好的結果再與從麥克風里的信號進行疊加，從而去掉回音。

CSR-HF車載回聲消除軟件系統(tǒng)

CSR-HF由兩大部分組成：OMS（用于噪聲抑制）和AEC（回聲消除），它是唯一一款將回音消除和噪聲抑制整合在一起的軟件解決方案。該程序運行在CSRBlueCore3-Multimedia芯片的Kalimba DSP中，與基帶部分的藍牙協(xié)議一起組成了車載系統(tǒng)的完整解決方案。圖6展示了清晰語音捕捉（CVC）軟件的主要部分，從圖中可以看出，需要四個語音通道來滿足CVC的工作。

CSR-HF采用仿真人類接收語音信號的系統(tǒng)來處理語音信號，捕獲背景噪音并把它們剝離出來，從而實現高品質的語音通信。

CSR-HF主要部分的說明

CVC-OMS：OMS處理過程是一個實時的處理過程，它采用語音抽取技術來選擇并獲取感興趣的語音信息，從而減小了背景噪音的干擾。在捕獲有小的失真的語音信息的時候，容易產生在統(tǒng)計上相對比較穩(wěn)定的非白噪聲（Colored Noise），OMS對這類信號尤其有用，對噪聲的抑制可以達到12dB。

CVC-AEC：AEC是一款標準的回音消除程序，它從車載系統(tǒng)中捕獲回音，并將其清理出去。這個實時處理過程對由于揚聲器耦合到麥克風而產生的回音非常有效。AEC的回波損耗誤差（ERLE）可以達到50dB。同時AEC還具備自適應能力。

ALT（AGC）：自動音量調整（ALT）以及自動增益控制（AGC）位于來自藍牙接口的接收通路上（Rx），自動地調節(jié)Rx通路上的音量信號，彌補移動電話或者網絡系統(tǒng)在對信號進行處理過程中對信號帶來的的影響。ALT和內部其它音量調整部分一起構成一個整體，并可以對其進行參數調節(jié)。

CVC-HF的性能可以通過參數進行調整，缺省情況下，這些參數是存儲在BlueCore3-Multimedia芯片內的閃存中，CVG-HF和BlueCore3-Multimedia通過緩沖區(qū)來與該芯片上的微控制器進行通信。

CSR-CVC被制作成庫的形式進行發(fā)布，配合CSR的藍牙開發(fā)套件Bluelab進行開發(fā)。根據產品的不同，用戶可以通過參數來對CVC進行配置，比如增益控制等等。

配合CVC-HF工作的四個語音通道：1.CVC-HF麥克風輸入，從近端的麥克風到BlueCore3-Multimedia的編解碼器，再輸入到CVC-HF；2.CVC-Rx，從藍牙的Rx通道獲取參考信號，在該信號中包含遠端用戶的語音信號，是必須過濾掉的信號。Rx的PCM數據直接送到AEC處理器中。另外，從Rx來的PCM數據也可以先進行ALT和音量調節(jié)處理，再送入AEC，但是這個過程可以進行選擇，不是必須的；3.CVC-Tx，該通道用于把經過回音消除的語音信息發(fā)送到藍牙接口，這就是遠端用戶聽到的語音信息；4.揚聲器輸出通道。

CVC-HF的一些參數：處理器能力需要22MIPS，程序大小為3.4KW（32位為一個字長），數據存儲器需要6.6KW（24位為一個字長），8KHz的抽樣率；由于回音處理帶來的延遲在發(fā)送通道是36毫秒，在接收通道是12毫秒，這個延遲包括采樣轉換時間，以及從數據緩沖區(qū)中獲取數據的時間。

上文已經指出回音是由于揚聲器發(fā)出的聲音耦合到麥克風中是其主要因素，所以，麥克風與揚聲器的相對位置非常重要，一般來說揚聲器的位置離麥克風的距離是越遠越好，當然基于車內的空間，這個距離始終是有限的，所以在安裝的時候，要充分考慮這一點。如果把麥克風和揚聲器做在一體，要考慮連接的材質，以及連接部分空間的填充物的材料。另外，麥克風與揚聲器盡量不要放在風口，麥克風的方向與揚聲器發(fā)聲方向相反或者呈90度也可以獲得更加理想的效果。

由于汽車市場的快速增長，藍牙車載系統(tǒng)也將擁有更多的發(fā)展空間，在這個充滿機遇同時又面臨眾多的技術調整的市場上，選擇合適的解決方案將對OEM廠商在這個市場上是否能取得成功起著非常關鍵的作用。

世健系統(tǒng)有限公司在藍牙技術、藍牙互操作性以及CSR回音消除軟件的參數調試方面都積累了豐富的經驗，并推出了在藍牙車載領域的參考設計，OEM廠商可以利用該參考設計快速的將產品推向市場。

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