動態(tài)提高回聲與噪聲消除性能 - 全文

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　　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(fèi)者偏好的關(guān)鍵因素?；芈暫驮肼暿?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1252/" target="_blank">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、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)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(kuò)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(yáng)聲器信號通過擴(kuò)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(yáng)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(jī)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)

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　　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(jī)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(kuò)音器突然不能使用。

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　　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(yáng)聲器的參考信號來估算回聲通道，并從近端擴(kuò)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(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(kuò)音器與揚(yáng)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(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(yáng)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。

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　　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)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(qiáng)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(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(jī)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(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)端信號路徑上的全雙工控制機(jī)制控制著動態(tài)處理機(jī)制，調(diào)節(jié)音頻信號，在降低揚(yáng)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(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)?a target="_blank">編程環(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(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(qiáng)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。