音響系統(tǒng)回波抵消研究

摘要：針對音響系統(tǒng)在室內(nèi)產(chǎn)生的回波干擾，采用基于頻域回波抵消算法，結(jié)合DSP芯片TMS320VC5416硬件的處理方法，設(shè)計了RS232串口通訊的人機(jī)界面控制程序，從而有效地消除了干擾噪音。該方法可用于多種音頻設(shè)備、會議系統(tǒng)，以抵消回波產(chǎn)生的干擾。
關(guān)鍵詞：音響系統(tǒng)；回波抵消；頻域；干擾

0 引言
    在許多音頻設(shè)備(如視頻會議系統(tǒng))中，揚(yáng)聲器播放出來的聲音被麥克風(fēng)拾取后要發(fā)回遠(yuǎn)端，使得遠(yuǎn)端談話者能聽到自己的聲音(經(jīng)一個聲路徑延遲的聲音)，從而干擾語音傳輸，稱為聲學(xué)回波。
    聲學(xué)回波抵消器(Acoustic Echo cancellor，AEC)，是對揚(yáng)聲器信號與由它產(chǎn)生的多路徑回波的相關(guān)性為基礎(chǔ)建立的遠(yuǎn)端信號語音模型。利用它可對回波進(jìn)行估計，并不斷地修改濾波器的系數(shù)，使得估計值更加逼近真實(shí)的回波；然后再將回波估計值從話筒的輸入信號中減去，從而達(dá)到消除回波的目的。AEC還會將話筒的輸入與揚(yáng)聲器過去的值相比較，從而消除延長延遲的多次反射的聲學(xué)回波。根椐存儲器存放的過去的揚(yáng)聲器輸出值的大小，通過AEC可以消除各種延遲的回波。

1 回波抵消算法
    聲學(xué)回波抵消算法(簡稱AEC算法)采用一種成熟的商用頻域算法模塊，由美國的SPIRIT Corp設(shè)計，遵循國際電信聯(lián)盟(IUT)G.167標(biāo)準(zhǔn)，可用來去除由揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的聲音反饋所引起的回波，用戶可設(shè)的最大回波路徑延遲達(dá)508 ms，該算法的原理框圖如圖1所示。

    圖1中的CNG(Comfort noise generator)為舒適噪聲產(chǎn)生器，DT(Double talk)detector為雙端回話檢測器，ERL(Echoreturn loss)為回聲傳播損失，NLP(Non-linear processor)為非線性處理器，NS(Noise suppressor)為噪聲抑制器，Tonedetector為音調(diào)檢測器，Sub-band adaptive subtractors為子帶自適應(yīng)減法器，Sub-band noise suppressor為子帶噪聲抑制器，Anti-howling control為抗嘯叫控制單元，Convergence monitor為算法收斂檢測器。Feinput為遠(yuǎn)端參考信號輸入，F(xiàn)eoutput為經(jīng)過AEC算法處理后的近端參考信號輸出，稱為接收回路：Neinput為回波信號與近端語音的混合信號，Neoutput為去除回波的近端語音信號，稱為發(fā)送回路。
    在AEC開始處理時，采用半雙工方式可以避免AEC算法收斂時殘余回波被聽到，收斂監(jiān)控器用于跟蹤當(dāng)前回波返回?fù)p失并檢測收斂。一旦收斂AEC轉(zhuǎn)向全雙工方式，而且因為它對背景噪聲和回波路徑改變，非線性失真都非常強(qiáng)，所以不會再轉(zhuǎn)向半雙工方式，這樣就能保證在任何條件下的全雙工通訊。因為其子帶結(jié)構(gòu)，AEC僅處理32個輸入緩沖區(qū)的樣本，并在內(nèi)部有96個樣本的延遲。
    AEC具有強(qiáng)大雙端會話檢測器，因而允許AEC算法在本地語音存在的條件下收斂，并且在雙端會話期間不會帶來殘余回波增大。雙端會話檢測器可以在信噪比大于6 dB的噪聲條件下工作，雙端會話檢測器可控制自適應(yīng)濾波器、NLP和CNG，以防止它們不收斂。當(dāng)雙端會話開始被檢測到后，發(fā)送回路中的NLP關(guān)閉，并以確定速度逐漸增加其傳輸增益，直到達(dá)到其最大值1(16位時為32 767)。當(dāng)雙端會話結(jié)束被檢測到時，NLP打開并逐漸降低其增益，直到定義的最小值，這樣就增加了回波抵消。
    發(fā)送回路和接收回路中的NLP在半雙工模式下都支持開關(guān)切換。CNG在NLP打開時工作產(chǎn)生與背景噪聲幅度相適應(yīng)的適度噪聲，但其幅度小于設(shè)定的最大值。AEC具有內(nèi)部音調(diào)檢測器，可以防止AEC收斂在如撥號音或振鈴音的正弦信號，這種收斂可能造成AEC運(yùn)行錯誤。特別是在AEC收斂在這類信號的開始處，這一點(diǎn)對免提電話特別有用。AEC還具有抗嘯叫控制單元，可用來避免因為聲音在麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器問反饋引起的嘯叫(Larsen效應(yīng))，這種情況只有在遠(yuǎn)端和近端運(yùn)行在全雙工模式下才會發(fā)生。

2 回波抵消器硬件構(gòu)成
    本文的回波抵消器硬件平臺主要基于TI公司TMS320VC5416高性能DSP芯片來進(jìn)行設(shè)計，其硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    平臺的工作原理：以DSP芯片TMS320VC5416作為主處琿器完成算法的調(diào)用處理和音頻數(shù)據(jù)流的控制調(diào)度；SRAM作為外擴(kuò)存儲器，用來存放中間運(yùn)算結(jié)果；FLASH存儲器用來固化算法和應(yīng)用程序模塊，使回波抵消器系統(tǒng)在外界環(huán)境同定，并使其在不需要調(diào)整控制參數(shù)時，能作為一個獨(dú)立系統(tǒng)脫機(jī)工作。
    codec采用高度集成的立體聲音頻編解碼芯片TLV320AIC23B來處理音頻輸入和輸出。系統(tǒng)的立體聲輸入部分，一路接Neinput近端語音與回波信號的混合信號，另一路接Feinput遠(yuǎn)端參考信號，即遠(yuǎn)端說話人語音信號；而立體聲輸出部分的一路接Neoutput，即經(jīng)過AEC處理的近端語音信號輸出，另一路接Feoutput，即遠(yuǎn)端參考信號經(jīng)過AEC處理的輸出。AEC的控制參數(shù)可通過串口通訊來實(shí)現(xiàn)，由PC機(jī)向回波抵消系統(tǒng)發(fā)送AEC調(diào)控參數(shù)，可以達(dá)到最佳的抑制效果。
    本回波抵消器硬件平臺采用+5 V單電源供電，可與PC機(jī)提供的+5 V電源連接，并具有外部手動復(fù)位鍵，操作簡單方便。

3 串口通訊規(guī)則
    為了方便調(diào)整AEC算法運(yùn)行參數(shù)，本系統(tǒng)采用了RS232串口通訊方式。串口通訊的編程分為兩部分：一部分采用匯編與C混合編程的方式，在TMS320C5416上運(yùn)行；另一部分則采用VB6．0的人機(jī)控制界面設(shè)計。
    通訊機(jī)制采用查詢方式?；夭ǖ窒髦鞒绦蛏想娺\(yùn)行時，對兩個輸入通道采樣32個樣本，在AEC算法處理前應(yīng)查詢—下串口有無控制參數(shù)發(fā)出。如沒有，則按默認(rèn)參數(shù)運(yùn)行；如果串口有控制參數(shù)，則保存并按新的控制參數(shù)執(zhí)行。VB具有面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，并具有簡單方便的串行通訊和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。利用串行端口控件Mscomm可以實(shí)現(xiàn)簡單的串行通信，該控件屏蔽了通信過程中的底層操作，用戶可以設(shè)置、監(jiān)視Mscomm控件的屬性和事件，并可結(jié)合Timer控件完成對串行口的初始化和數(shù)據(jù)的輸入輸出工作。
    串口控件Mscomm的使用和設(shè)置非常簡單，通過以下代碼即可完成該控件相應(yīng)屬性的初始化：

    這里將控制參數(shù)分類并排序，發(fā)送和接收都應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按次序執(zhí)行，以確保通訊過程的正確?？刂茀?shù)主要分為三類，圖3所示是回波抵消器的人機(jī)控制界面圖。其中，量化參數(shù)位于圖3左側(cè)，該類參數(shù)有具體數(shù)值，對于超過8位二進(jìn)制數(shù)的參數(shù)，可采用分高低字節(jié)發(fā)送，并使用Slider控件來實(shí)現(xiàn)；AEC開關(guān)量為圖3中間部分的參數(shù)，該類參數(shù)表示AEC算法中某些運(yùn)算模塊的打開和關(guān)閉，可采用Checkbox控件實(shí)現(xiàn)；選控參量為圖3右側(cè)的參數(shù)，該類參數(shù)表示AEC算法中某些參量數(shù)值的選擇，如采樣率、回波延遲設(shè)置等，主要采用ComboBox控件實(shí)現(xiàn)。

    用戶使用時，在設(shè)置相應(yīng)參數(shù)完畢后，點(diǎn)擊“應(yīng)用”即可完成參數(shù)傳遞過程，也可點(diǎn)擊“復(fù)位”加載算法本身提供的默認(rèn)參數(shù)。控制參數(shù)一旦根據(jù)音頻設(shè)備使用環(huán)境設(shè)置完畢，則不需頻繁修改，參數(shù)設(shè)置過程不影響算法的實(shí)時運(yùn)行。

4 結(jié)語
    通過語音數(shù)據(jù)文件的仿真分析及實(shí)際會場環(huán)境檢測證明，該回波抵消系統(tǒng)具有較好的回波抑制效果，而且算法收斂速度快，性能穩(wěn)定，因而應(yīng)用十分廣泛。