采用DSP免提開發(fā)平臺的車載信號處理與音頻系統(tǒng)
[導(dǎo)讀]回聲消除(AEC)可實現(xiàn)汽車內(nèi)舒適的全雙工免提通話，本文介紹的Clarity CVC-HFK可提供集成的單擴音器解決方案(OMS)噪聲抑制算法，它支持自適應(yīng)噪聲消除功能，可降低麥克風(fēng)(傳入)信號中的環(huán)境噪聲，并提取所需的語音，還可向遠(yuǎn)端用戶傳輸清晰的話音(傳出)。
回聲消除(AEC)可實現(xiàn)汽車內(nèi)舒適的全雙工免提通話，本文介紹的Clarity CVC-HFK可提供集成的單擴音器解決方案(OMS)噪聲抑制算法，它支持自適應(yīng)噪聲消除功能，可降低麥克風(fēng)(傳入)信號中的環(huán)境噪聲，并提取所需的語音，還可向遠(yuǎn)端用戶傳輸清晰的話音(傳出)。
兩個因素決定了使用免提蜂窩電話系統(tǒng)的必要性，首先是由于目前的蜂窩電話系統(tǒng)的終端多為手持的，這就給司機造成了不便。司機常常要放下手機兩只手駕駛，如轉(zhuǎn)彎等，然后在轉(zhuǎn)回談話。電話交談的中斷很不方便，甚至還會造成經(jīng)濟成本損失，因為移動電信收費相當(dāng)高。再一個重要因素就是安全性。不妨設(shè)想一下只用一只手操縱方向盤、打著手機的司機。既然司機不能雙手操縱方向盤，那么再要什么防抱死系統(tǒng)和氣囊就顯得毫無意義了。因此，免提蜂窩電話系統(tǒng)正成為使用移動電話的司機的必備品。
HFK開發(fā)平臺
HFK開發(fā)平臺是一套包含DSP在內(nèi)的解決方案，提供了軟硬件設(shè)計，可實現(xiàn)最終產(chǎn)品的快速開發(fā)，并使其獨樹一幟。HFK開發(fā)平臺可通過JTAG實現(xiàn)與TI軟件開發(fā)環(huán)境Code Composer StudioTM(CCStudio)開發(fā)工具相連接。該開發(fā)環(huán)境與文檔相結(jié)合可實現(xiàn)TI DSP第三方軟件的快速集成，并能加速產(chǎn)品的上市進程。
HFK開發(fā)平臺適用于對成本及性能都要求很高的高質(zhì)量汽車后市場免提套件，也適用于具備藍(lán)牙功能的HFK。
用于免提系統(tǒng)的回聲消除軟件
就車載免提廣播/電話系統(tǒng)而言，一個缺點就是會感到遠(yuǎn)端揚聲器有回聲。要在車內(nèi)營造一個舒適的全雙工免提通話環(huán)境，最重要的軟件環(huán)節(jié)就是回聲消除器(AEC)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)院(ETSI)目前正在制定有關(guān)AEC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。
回聲現(xiàn)象是由揚聲器與麥克風(fēng)之間耦合造成的。在全雙工通信中，遠(yuǎn)端揚聲器聽到自己的聲音會有延遲，延遲的長短取決于汽車內(nèi)部與全球移動通信系統(tǒng)(GSM)的延遲。回聲路徑長度是AEC的關(guān)鍵參數(shù)。
自適應(yīng)濾波(更準(zhǔn)確的說法是NLMS算法)是針對AEC最常見的解決方案之一。NLMS算法在計算量與性能之間實現(xiàn)了較好的折中。
和AEC有關(guān)的其他問題是兩人同時講話的模糊音(DT)情況。如果沒有檢測到的話，DT會造成自適應(yīng)算法的發(fā)散。
AEC軟件利用NLMS算法來消除回聲，是通過C54x DSP匯編程序來執(zhí)行的。
1. NLMS算法
NLMS 算法可更新自適應(yīng)有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器的系數(shù)，該濾波器用于預(yù)測回聲，隨后我們從實際回聲中減去預(yù)測值，就可給出殘留回聲。
2. 活動通道檢測
AEC算法的一個關(guān)鍵特性就是活動通道檢測。在遠(yuǎn)端操作者靜默而近端操作者講話時，由于近端操作者不再是回聲，所以濾波器不用進行適配，通過計算信號能量，并將該能量與自適應(yīng)閾值進行比較，可實現(xiàn)活動通道的檢測。
3. 模糊音(DT)檢測
在DT情況下，擴音器上的近端信號包括回聲與近端話音(即模糊音)。用于更新濾波器系數(shù)的殘留誤差包括近端講話，而如果算法仍在進行自適應(yīng)，則算法可能開始發(fā)散，必須避免這種情況。DT檢測使用基于能量的算法，并配合一個變量閾值來解決此問題。
4. 基準(zhǔn)
AEC 軟件的基準(zhǔn)(以16位字表示)為：
代碼大?。?54字；
靜態(tài)RAM：527字；
擦寫RAM：2字；
最大計算時成本為4.7MIPS。
計算消耗在ST時期最大，在DT時期降至2.4MIPS。ST時期占通話的主要部分，而DT時期則僅在較短的個別情況下出現(xiàn)。
CVC-HFK軟件
CVC-HFK(清晰語音捕捉——免提套件)集成了回聲消除、噪聲抑制、非線性處理等功能，是一套優(yōu)化的HFK解決方案。CVC-HFK解決方案使用全面的自適應(yīng)子帶方法來改善主要方面的性能，同時僅占用很少的資源。在汽車環(huán)境中，環(huán)境噪聲是免提系統(tǒng)要克服的主要問題。因此，除了回聲消除功能外，Clarity CVC-HFK還提供了集成的單麥克風(fēng)解決方案(OMS)噪聲抑制算法。OMS解決方案支持自適應(yīng)噪聲消除功能，其可削弱麥克風(fēng)信號(傳入)中的環(huán)境噪聲，提取所需的語音，并將干凈的話音(傳出)傳輸至遠(yuǎn)端用戶。由于CVC-HFK 是完全自適應(yīng)的，因此不再需要過多調(diào)節(jié)。下面，我們將簡介CVC-HFK解決方案及其主要方面的性能。
1. CVC-HFK AEC
CVC-HFK回聲消除器是“無狀態(tài)”AEC，其采用標(biāo)準(zhǔn)頻率域NLMS算法的一個變體作為其主要的自適應(yīng)濾波器。我們將在下面說明采用這些方法的好處。首先，子帶頻率域方法可取消關(guān)聯(lián)或白化每個帶中的輸入信號，同相當(dāng)時間域的AEC相比它可實現(xiàn)更快的收斂。第二，無狀態(tài)AEC可實現(xiàn)連續(xù)的濾波器適應(yīng)，這可改善噪聲環(huán)境中的魯棒性和整體模糊音性能。前面講過在DT情況下麥克風(fēng)信號中既包含回聲又包含近端話音。近端話音不與回聲信號相關(guān)聯(lián)，如果沒有進程避免它的話就會造成自適應(yīng)濾波器的發(fā)散。第三，NLMS可實現(xiàn)獨立于輸入振幅的一致收斂。正由于此，CVC-HFK AEC可獲得典型的40dB ERLE(回聲返回?fù)p耗增益值)，最大可達50dB ERLE，并可實現(xiàn)80ms左右的快速收斂時間，且在大多數(shù)環(huán)境下可進行全雙工操作。此外，CVC-HFK AEC為其自適應(yīng)濾波器采用了64ms的尾長，這就在內(nèi)部容量方面實現(xiàn)了更大的靈活性。
2. CVC-HFK NS(噪聲抑制器)
CVC-HFK噪聲抑制器是一種利用話音與噪聲特性來幫助從合成噪聲及話音信號中提取話音的頻率域算法。CVC-HFK NS的兩大主要模塊是語音構(gòu)成分析與語音提取。
語音成份分析模塊采用話音與噪聲的暫時與相關(guān)屬性來構(gòu)建話音構(gòu)成的可預(yù)測模型。語音提取塊可根據(jù)語音與噪聲模型修改各頻率成份。此外，語音提取塊還可充分利用音質(zhì)原理最小化噪聲底限與感覺的語音失真。
CVC-HFK NS采用該方案可在噪聲環(huán)境中實現(xiàn)10-15dB SNR(信噪比)的改善，同時還能保持較好的語音質(zhì)量。在SNR已經(jīng)足夠高的極低噪聲環(huán)境中，因為已關(guān)閉了NS，不會發(fā)生語音失真。
3. CVC-HFK NLP(非線性處理)
由于系統(tǒng)失真增加，因而CVC-HFK NLP最小。由CVC-HFK NLP增加的失真量比諸如中心削波器等標(biāo)準(zhǔn)NLP模塊要低得多，因為其使用來自輸入與誤差信號的信息來確定額外的衰減。
由于所有的CVC-HFK模塊均使用頻率域算法，因而與既使用時間域又使用頻率域算法的解決方案相比，可以顯著節(jié)約內(nèi)存，并簡化計算復(fù)雜性。
系統(tǒng)集成設(shè)計
在將TI-HFK板與蜂窩免提套件相集成時，要實現(xiàn)良好的移動呼叫還需要數(shù)個組件與適當(dāng)?shù)慕涌凇?nbsp;
您必須選擇可與CVC-HFK應(yīng)用軟件和板卡硬件同時兼容的組件，才能獲得良好的性能。HFK可支持各種不同的擴音器、擴音揚聲器以及車載音響系統(tǒng)。但是，為了減少對應(yīng)用手冊的變更，我們已選擇了專用的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)組件，這會為您的成功調(diào)整帶來很大幫助。從TI-HFK板到蜂窩套件需要三個連接才能實現(xiàn)集成：擴音器輸入TI HFK板；傳出、已處理過的音頻輸出；輸入、從蜂窩套件接收進來的信號。
下面給出擴音揚聲器與擴音器放置設(shè)計的幾點建議。
1. 擴音器的位置和定向
為實現(xiàn)最佳的總體麥克風(fēng)性能，在最后將設(shè)備安裝到汽車內(nèi)之前應(yīng)了解一些關(guān)鍵的變量。建議保持?jǐn)U音器和車內(nèi)用戶口腔之間的距離為46cm(18英寸)。建議距離范圍從30至56cm(12–22英寸)。
2. 盡可能避免擴音器暴露于氣流(窗戶和風(fēng)扇)；
3. 適當(dāng)考慮擴音器大小和安裝方案，使擴音器前部可對準(zhǔn)車內(nèi)用戶的口腔。
基于以上考慮，在圖3的幫助下，您可以選擇最佳的擴音器位置。首先，請遵循優(yōu)先考慮區(qū)域1、2和3中的建議。一旦做出決定，您就可用金屬板或維可牢尼龍帶固定擴音器，可將線纜連接回電子設(shè)備處以端接。隨后應(yīng)保證線纜的隱蔽性，保持美觀，此外還要保持線纜固定，不會被擠壓或打結(jié)。最后，應(yīng)避免并行線纜與天線接頭和其它帶噪聲的線纜相連接。
4. 揚聲器位置
建議在適當(dāng)位置安裝揚聲器，以便提供良好的語音性能，同時不干擾擴音器拾波區(qū)域。拾波區(qū)域為+30度錐形體，從擴音器正面起，向外突出至汽車駕駛?cè)藛T。
揚聲器應(yīng)位于距麥克風(fēng)至少1米處(3英尺)。揚聲器應(yīng)遠(yuǎn)離麥克風(fēng)的拾波區(qū)域，以減少回聲反饋的幾率。理想情況下，揚聲器應(yīng)位于擴音器正面方向之后或成90度。揚聲器的聲音失真大小會對回聲造成直接的負(fù)面影響。
本文小結(jié)
免提系統(tǒng)的使用不斷普及，用戶也期待著性能會不斷提高。鑒于HFK實施存在多種可用選擇，顯而易見，把軟件算法和硬件信號處理器集成是一項周到的舉措，這將非常有利。HFK開發(fā)套件可以應(yīng)付上述所有問題，并給開發(fā)或銷售上述產(chǎn)品的人員帶來益處。帶有AEC與CVC-HFK的TI TMS320C5407開發(fā)套件可提供所需的靈活性和高性能，并可快速而廉價地將HFK解決方案推向市場。
參考文獻
1.spru703《德州儀器車載免提聽筒套件開發(fā)平臺用戶指南》，2003年9月；
2.sprt289a《車載免提聽筒套件 (HFK) 開發(fā)平臺產(chǎn)品簡報》，2004年6月；
3.spra162《適用于車載免提聽筒無線系統(tǒng)的回聲消除軟件》，1997年7月；
4.Mike Vartanian spra998《清晰語音捕獲的實施——TI TMS320VC5407上的車載免提聽筒套件》，2004年2月。
兩個因素決定了使用免提蜂窩電話系統(tǒng)的必要性，首先是由于目前的蜂窩電話系統(tǒng)的終端多為手持的，這就給司機造成了不便。司機常常要放下手機兩只手駕駛，如轉(zhuǎn)彎等，然后在轉(zhuǎn)回談話。電話交談的中斷很不方便，甚至還會造成經(jīng)濟成本損失，因為移動電信收費相當(dāng)高。再一個重要因素就是安全性。不妨設(shè)想一下只用一只手操縱方向盤、打著手機的司機。既然司機不能雙手操縱方向盤，那么再要什么防抱死系統(tǒng)和氣囊就顯得毫無意義了。因此，免提蜂窩電話系統(tǒng)正成為使用移動電話的司機的必備品。
HFK開發(fā)平臺
HFK開發(fā)平臺是一套包含DSP在內(nèi)的解決方案，提供了軟硬件設(shè)計，可實現(xiàn)最終產(chǎn)品的快速開發(fā)，并使其獨樹一幟。HFK開發(fā)平臺可通過JTAG實現(xiàn)與TI軟件開發(fā)環(huán)境Code Composer StudioTM(CCStudio)開發(fā)工具相連接。該開發(fā)環(huán)境與文檔相結(jié)合可實現(xiàn)TI DSP第三方軟件的快速集成，并能加速產(chǎn)品的上市進程。
HFK開發(fā)平臺適用于對成本及性能都要求很高的高質(zhì)量汽車后市場免提套件，也適用于具備藍(lán)牙功能的HFK。
用于免提系統(tǒng)的回聲消除軟件
就車載免提廣播/電話系統(tǒng)而言，一個缺點就是會感到遠(yuǎn)端揚聲器有回聲。要在車內(nèi)營造一個舒適的全雙工免提通話環(huán)境，最重要的軟件環(huán)節(jié)就是回聲消除器(AEC)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)院(ETSI)目前正在制定有關(guān)AEC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。
回聲現(xiàn)象是由揚聲器與麥克風(fēng)之間耦合造成的。在全雙工通信中，遠(yuǎn)端揚聲器聽到自己的聲音會有延遲，延遲的長短取決于汽車內(nèi)部與全球移動通信系統(tǒng)(GSM)的延遲。回聲路徑長度是AEC的關(guān)鍵參數(shù)。
自適應(yīng)濾波(更準(zhǔn)確的說法是NLMS算法)是針對AEC最常見的解決方案之一。NLMS算法在計算量與性能之間實現(xiàn)了較好的折中。
和AEC有關(guān)的其他問題是兩人同時講話的模糊音(DT)情況。如果沒有檢測到的話，DT會造成自適應(yīng)算法的發(fā)散。
AEC軟件利用NLMS算法來消除回聲，是通過C54x DSP匯編程序來執(zhí)行的。
1. NLMS算法
NLMS 算法可更新自適應(yīng)有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器的系數(shù)，該濾波器用于預(yù)測回聲，隨后我們從實際回聲中減去預(yù)測值，就可給出殘留回聲。
2. 活動通道檢測
AEC算法的一個關(guān)鍵特性就是活動通道檢測。在遠(yuǎn)端操作者靜默而近端操作者講話時，由于近端操作者不再是回聲，所以濾波器不用進行適配，通過計算信號能量，并將該能量與自適應(yīng)閾值進行比較，可實現(xiàn)活動通道的檢測。
3. 模糊音(DT)檢測
在DT情況下，擴音器上的近端信號包括回聲與近端話音(即模糊音)。用于更新濾波器系數(shù)的殘留誤差包括近端講話，而如果算法仍在進行自適應(yīng)，則算法可能開始發(fā)散，必須避免這種情況。DT檢測使用基于能量的算法，并配合一個變量閾值來解決此問題。
4. 基準(zhǔn)
AEC 軟件的基準(zhǔn)(以16位字表示)為：
代碼大?。?54字；
靜態(tài)RAM：527字；
擦寫RAM：2字；
最大計算時成本為4.7MIPS。
計算消耗在ST時期最大，在DT時期降至2.4MIPS。ST時期占通話的主要部分，而DT時期則僅在較短的個別情況下出現(xiàn)。
CVC-HFK軟件
CVC-HFK(清晰語音捕捉——免提套件)集成了回聲消除、噪聲抑制、非線性處理等功能，是一套優(yōu)化的HFK解決方案。CVC-HFK解決方案使用全面的自適應(yīng)子帶方法來改善主要方面的性能，同時僅占用很少的資源。在汽車環(huán)境中，環(huán)境噪聲是免提系統(tǒng)要克服的主要問題。因此，除了回聲消除功能外，Clarity CVC-HFK還提供了集成的單麥克風(fēng)解決方案(OMS)噪聲抑制算法。OMS解決方案支持自適應(yīng)噪聲消除功能，其可削弱麥克風(fēng)信號(傳入)中的環(huán)境噪聲，提取所需的語音，并將干凈的話音(傳出)傳輸至遠(yuǎn)端用戶。由于CVC-HFK 是完全自適應(yīng)的，因此不再需要過多調(diào)節(jié)。下面，我們將簡介CVC-HFK解決方案及其主要方面的性能。
1. CVC-HFK AEC
CVC-HFK回聲消除器是“無狀態(tài)”AEC，其采用標(biāo)準(zhǔn)頻率域NLMS算法的一個變體作為其主要的自適應(yīng)濾波器。我們將在下面說明采用這些方法的好處。首先，子帶頻率域方法可取消關(guān)聯(lián)或白化每個帶中的輸入信號，同相當(dāng)時間域的AEC相比它可實現(xiàn)更快的收斂。第二，無狀態(tài)AEC可實現(xiàn)連續(xù)的濾波器適應(yīng)，這可改善噪聲環(huán)境中的魯棒性和整體模糊音性能。前面講過在DT情況下麥克風(fēng)信號中既包含回聲又包含近端話音。近端話音不與回聲信號相關(guān)聯(lián)，如果沒有進程避免它的話就會造成自適應(yīng)濾波器的發(fā)散。第三，NLMS可實現(xiàn)獨立于輸入振幅的一致收斂。正由于此，CVC-HFK AEC可獲得典型的40dB ERLE(回聲返回?fù)p耗增益值)，最大可達50dB ERLE，并可實現(xiàn)80ms左右的快速收斂時間，且在大多數(shù)環(huán)境下可進行全雙工操作。此外，CVC-HFK AEC為其自適應(yīng)濾波器采用了64ms的尾長，這就在內(nèi)部容量方面實現(xiàn)了更大的靈活性。
2. CVC-HFK NS(噪聲抑制器)
CVC-HFK噪聲抑制器是一種利用話音與噪聲特性來幫助從合成噪聲及話音信號中提取話音的頻率域算法。CVC-HFK NS的兩大主要模塊是語音構(gòu)成分析與語音提取。
語音成份分析模塊采用話音與噪聲的暫時與相關(guān)屬性來構(gòu)建話音構(gòu)成的可預(yù)測模型。語音提取塊可根據(jù)語音與噪聲模型修改各頻率成份。此外，語音提取塊還可充分利用音質(zhì)原理最小化噪聲底限與感覺的語音失真。
CVC-HFK NS采用該方案可在噪聲環(huán)境中實現(xiàn)10-15dB SNR(信噪比)的改善，同時還能保持較好的語音質(zhì)量。在SNR已經(jīng)足夠高的極低噪聲環(huán)境中，因為已關(guān)閉了NS，不會發(fā)生語音失真。
3. CVC-HFK NLP(非線性處理)
由于系統(tǒng)失真增加，因而CVC-HFK NLP最小。由CVC-HFK NLP增加的失真量比諸如中心削波器等標(biāo)準(zhǔn)NLP模塊要低得多，因為其使用來自輸入與誤差信號的信息來確定額外的衰減。
由于所有的CVC-HFK模塊均使用頻率域算法，因而與既使用時間域又使用頻率域算法的解決方案相比，可以顯著節(jié)約內(nèi)存，并簡化計算復(fù)雜性。
系統(tǒng)集成設(shè)計
在將TI-HFK板與蜂窩免提套件相集成時，要實現(xiàn)良好的移動呼叫還需要數(shù)個組件與適當(dāng)?shù)慕涌凇?nbsp;
您必須選擇可與CVC-HFK應(yīng)用軟件和板卡硬件同時兼容的組件，才能獲得良好的性能。HFK可支持各種不同的擴音器、擴音揚聲器以及車載音響系統(tǒng)。但是，為了減少對應(yīng)用手冊的變更，我們已選擇了專用的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)組件，這會為您的成功調(diào)整帶來很大幫助。從TI-HFK板到蜂窩套件需要三個連接才能實現(xiàn)集成：擴音器輸入TI HFK板；傳出、已處理過的音頻輸出；輸入、從蜂窩套件接收進來的信號。
下面給出擴音揚聲器與擴音器放置設(shè)計的幾點建議。
1. 擴音器的位置和定向
為實現(xiàn)最佳的總體麥克風(fēng)性能，在最后將設(shè)備安裝到汽車內(nèi)之前應(yīng)了解一些關(guān)鍵的變量。建議保持?jǐn)U音器和車內(nèi)用戶口腔之間的距離為46cm(18英寸)。建議距離范圍從30至56cm(12–22英寸)。
2. 盡可能避免擴音器暴露于氣流(窗戶和風(fēng)扇)；
3. 適當(dāng)考慮擴音器大小和安裝方案，使擴音器前部可對準(zhǔn)車內(nèi)用戶的口腔。
基于以上考慮，在圖3的幫助下，您可以選擇最佳的擴音器位置。首先，請遵循優(yōu)先考慮區(qū)域1、2和3中的建議。一旦做出決定，您就可用金屬板或維可牢尼龍帶固定擴音器，可將線纜連接回電子設(shè)備處以端接。隨后應(yīng)保證線纜的隱蔽性，保持美觀，此外還要保持線纜固定，不會被擠壓或打結(jié)。最后，應(yīng)避免并行線纜與天線接頭和其它帶噪聲的線纜相連接。
4. 揚聲器位置
建議在適當(dāng)位置安裝揚聲器，以便提供良好的語音性能，同時不干擾擴音器拾波區(qū)域。拾波區(qū)域為+30度錐形體，從擴音器正面起，向外突出至汽車駕駛?cè)藛T。
揚聲器應(yīng)位于距麥克風(fēng)至少1米處(3英尺)。揚聲器應(yīng)遠(yuǎn)離麥克風(fēng)的拾波區(qū)域，以減少回聲反饋的幾率。理想情況下，揚聲器應(yīng)位于擴音器正面方向之后或成90度。揚聲器的聲音失真大小會對回聲造成直接的負(fù)面影響。
本文小結(jié)
免提系統(tǒng)的使用不斷普及，用戶也期待著性能會不斷提高。鑒于HFK實施存在多種可用選擇，顯而易見，把軟件算法和硬件信號處理器集成是一項周到的舉措，這將非常有利。HFK開發(fā)套件可以應(yīng)付上述所有問題，并給開發(fā)或銷售上述產(chǎn)品的人員帶來益處。帶有AEC與CVC-HFK的TI TMS320C5407開發(fā)套件可提供所需的靈活性和高性能，并可快速而廉價地將HFK解決方案推向市場。
參考文獻
1.spru703《德州儀器車載免提聽筒套件開發(fā)平臺用戶指南》，2003年9月；
2.sprt289a《車載免提聽筒套件 (HFK) 開發(fā)平臺產(chǎn)品簡報》，2004年6月；
3.spra162《適用于車載免提聽筒無線系統(tǒng)的回聲消除軟件》，1997年7月；
4.Mike Vartanian spra998《清晰語音捕獲的實施——TI TMS320VC5407上的車載免提聽筒套件》，2004年2月。
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