DSP系統(tǒng)的自適應(yīng)回聲消除模塊的設(shè)計

引言

常見的DSP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由低通濾波器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字信號處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）五個模塊構(gòu)成。DSP系統(tǒng)設(shè)計步驟如圖1所示。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文回聲消除模塊的總體設(shè)計如圖2所示。

如圖，本文設(shè)計的DSP系統(tǒng)可以劃分成信號輸入模塊、算法實現(xiàn)模塊和信號輸出模塊。

信號輸入模塊，可分為主通道和參考通道。DSP在處理算法時需要用到遠端語音輸入信號和近端語音輸入信號。主通道和參考通道分別采集近端語音信號和遠端語音信號，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時送入到DSP中進行處理。

算法實現(xiàn)是自適應(yīng)濾波器設(shè)計的核心部分。本文采用型號為TMS320F28335的高速信號處理器。已經(jīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的主通道和參考通道信號在高速信號處理器中按照自適應(yīng)濾波算法進行處理，處理完成以后送到系統(tǒng)的輸出模塊。在信號的輸出模塊，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到模擬信號，再經(jīng)過低通濾波，送給揚聲器輸出，由此得到經(jīng)過回聲消除以后的語音信號。

本文設(shè)計的自適應(yīng)回聲消除模塊的程序設(shè)計流程圖如圖3所示。在各個子模塊的程序設(shè)計中，通過調(diào)用集成在CCS開發(fā)平臺中的芯片支持庫，可以有效地簡化開發(fā)流程，極大地提高工作效率。

2 軟件設(shè)計

CCS（Code Composer Studio）是美國德州儀器公司（Texas Instrument，簡稱TI）推出的代碼開發(fā)和調(diào)試軟件。

自適應(yīng)濾波算法的軟件實現(xiàn)流程框圖如圖4所示。根據(jù)濾波器系數(shù)迭代數(shù)據(jù)以后，并不需要根據(jù)計算誤差e（n）來判斷計算得到的數(shù)據(jù)是否輸出。而是不管得到的數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)的誤差有多大，都把該數(shù)據(jù)輸出，所以輸出的數(shù)據(jù)有個收斂的過程，剛開始誤差比較大，往后就穩(wěn)定在一個較小的誤差范圍以內(nèi)。

在CCS開發(fā)平臺上搭建好開發(fā)環(huán)境，選擇目標(biāo)配置對象為TMS320F28335，用C語言編寫實現(xiàn)LMS自適應(yīng)算法的核心程序代碼如下：

for（i=0;i《n;i++）《 p=“”》

{

sum = 0.0f;

for（j=0;j《m;j++）《 p=“”》

{

sum+=h［j］*x［i+j］;

}

y［i］=sum;

error=d［i］-y［i］;

for（j=0;j《nh;j++）《 p=“”》

{

h［j］=h［j］+（miu*error*x［i+j］）;

}

}

首先對程序中需要用到的各個參數(shù)進行初始化，取每一次需要處理的信號序列長度N=512，濾波器的階數(shù)M=4，步長因子miu=0.0001。用MATLAB錄制一段語音從參考通道輸入，作為回聲消除算法的遠端參考語音。同時把這段語音從主通道輸入，在DSP處理器中把它縮小為原來的三分之一，作為近端回聲信號。

在視頻和音頻數(shù)據(jù)流控制中經(jīng)常用到一種被稱為“乒乓操作”的處理機制。它的最大特點是接收數(shù)據(jù)流的緩存單元按照一定規(guī)律有節(jié)拍的切換，這樣數(shù)據(jù)就傳送的很順暢，不會丟失，而且沒有任何停頓，不會阻塞。這種方式非常適合音頻和視頻數(shù)據(jù)的流水線處理。在每一段單位時間內(nèi)，處理器處理數(shù)據(jù)的時間不能過長，否則本段數(shù)據(jù)還沒有處理完成，下一段數(shù)據(jù)就已經(jīng)來了，這樣就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失和錯亂。通過DMA實現(xiàn)“乒乓操作”的流程如圖5所示。

3 雙端檢測（DTD）

雙端通話指近端和遠端同時說話的情況，此時遠端、近端語音信號不相關(guān)，近端語音在算法處理時會表現(xiàn)成一個干擾信號，使得自適應(yīng)濾波器性能變差，甚至發(fā)散。因此，為了使濾波器適應(yīng)雙端通話的情況，需要在回聲消除系統(tǒng)中添加一個雙端通話檢測器（Double-Talk Detector，DTD）。通過它來區(qū)分單端和雙端通話，如果不存在雙端通話時，濾波器就實時更新其系數(shù)，反之，濾波器系數(shù)則停止更新。

目前，最常見的DTD算法有互相關(guān)比較法和能量比較法。

4 硬件設(shè)計

具體硬件設(shè)計如圖6所示。整個硬件系統(tǒng)以TMS320F28335型號的DSP為核心，通過編碼器TLV320AIC23b與外部進行語音信號的交換（TLV320AIC23b實現(xiàn)語音信號的模擬-數(shù)字，數(shù)字-模擬的轉(zhuǎn)換工作）。TMS320F28335對TLV320AIC23b的控制通過I2C總線實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)交換通過多通道緩沖端口（McBSP）來完成。JTAG通過仿真器連接DSP與上位機，以實現(xiàn)程序的下載、調(diào)試。其他模塊與DSP構(gòu)成能正常工作的最小系統(tǒng)。DSP與編碼器的具體連接如圖7所示。TLV320AIC23b數(shù)字音頻接口與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸時序如圖8所示。

在音頻信號的輸入端和輸出端各加了一級濾波器，濾除高頻信號的干擾。共有兩個通道，分別獲取遠端參考信號和近端回聲信號。

為了使編碼器能夠正常工作，需要對它內(nèi)部的寄存器進行配置，配置是通過控制接口（I2C接口）來完成的。對應(yīng)的配置命令字的前7位表示的是寄存器地址，后9位代表對寄存器的配置內(nèi)容。該音頻芯片提供了11個配置寄存器，如表1所示。

在本DSP系統(tǒng)設(shè)計中，采用+5 V的穩(wěn)壓直流輸入作為外部引入電源，這樣首先就滿足了模擬電路供電需求，并且通過LM117DT3-3.3電源轉(zhuǎn)換芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V來給I/O引腳及部分外圍電路，再通過LM117DT3-1.8電源轉(zhuǎn)換芯片將3.3 V主電源轉(zhuǎn)換為1.8 V，給DSP內(nèi)核供電。

5 回聲消除系統(tǒng)調(diào)試

為了驗證本文所設(shè)計的自適應(yīng)濾波器的功能，設(shè)計了一個模擬實際通話環(huán)境的回聲消除實驗。

場景布置：房間A作為遠端房間，房間B作為近端房間，兩個房間的參與者利用局域網(wǎng)傳輸工具FeiQ進行語音通信。A說話的聲音被計算機的麥克風(fēng)捕獲到，通過網(wǎng)絡(luò)傳到B房間的計算機中，此時聲音從計算機中分為兩路輸出，其中一路直接輸入到回聲消除模塊的參考通道，另一路則通過揚聲器輸出，作為遠端參與者傳輸給近端參與者的聲音信息。揚聲器出來的聲音和近端參與者說話的聲音通過麥克風(fēng)進入回聲消除模塊的主通道，主通道和參考通道的聲音經(jīng)過DSP處理后輸出，輸出的聲音通過電腦的麥克風(fēng)再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸給A房間的遠端參與者。

6 結(jié)果分析

根據(jù)原理圖設(shè)計PCB，最后設(shè)計好的完整的回聲消除模塊如圖9所示。模塊中包含兩個輸入通道，兩個輸出通道，一個電源接口，一個調(diào)試接口。按照上文所述的方式搭建測試環(huán)境。

第一次測試，不加回聲消除算法，用錄音軟件錄下回聲大小，如圖10所示。

在相同條件下，加入回聲消除算法，用錄音軟件錄得的回聲波形如圖11。

通過波形曲線，測得不加回聲算法和加入回聲算法的回聲幅度大小，經(jīng)過計算，回聲抑制比為26 dB，對回聲起到了很好的抑制作用，增強了近端和遠端說話者的通話體驗。

從圖11中可以看出，回聲的波形仍然存在，所以回聲只是被抑制了，并沒有被徹底消除。這是因為實際的環(huán)境沒有仿真環(huán)境理想，DSP的精度限制了回聲算法的收斂精度，使得最后的收斂曲線會在一個很小的范圍內(nèi)波動;另一方面，算法的性能也影響收斂精度，步長因子和權(quán)系數(shù)迭代公式?jīng)Q定了誤差的波動范圍。所以，提高回聲抑制比的最主要方式是提高DSP的運算精度和算法的性能。