音響系統(tǒng)回波抵消研究

引言

在許多音頻設(shè)備(如視頻會(huì)議系統(tǒng))中，揚(yáng)聲器播放出來(lái)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(tīng)到自己的聲音(經(jīng)一個(gè)聲路徑延遲的聲音)，從而干擾語(yǔ)音傳輸，稱(chēng)為聲學(xué)回波。

聲學(xué)回波抵消器(AcousticEchoCancellor，AEC)，是對(duì)揚(yáng)聲器信號(hào)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(hào)語(yǔ)音模型。利用它可對(duì)回波進(jìn)行估計(jì)，并不斷地修改濾波器的系數(shù)，使得估計(jì)值更加逼近真實(shí)的回波；然后再將回波估計(jì)值從話筒的輸入信號(hào)中減去，從而達(dá)到消除回波的目的。AEC還會(huì)將話筒的輸入與揚(yáng)聲器過(guò)去的值相比較，從而消除延長(zhǎng)延遲的多次反射的聲學(xué)回波。根椐存儲(chǔ)器存放的過(guò)去的揚(yáng)聲器輸出值的大小，通過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)AEC算法)采用一種成熟的商用頻域算法模塊，由美國(guó)的SPIRITCorp設(shè)計(jì)，遵循國(guó)際電信聯(lián)盟(IUT)G.167標(biāo)準(zhǔn)，可用來(lái)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)508ms，該算法的原理框圖如圖1所示。

圖1中的CNG(Comfortnoisegenerator)為舒適噪聲產(chǎn)生器，DT(Doubletalk)detector為雙端回話檢測(cè)器，ERL(Echoreturnloss)為回聲傳播損失，NLP(Non-linearprocessor)為非線性處理器，NS(Noisesuppressor)為噪聲抑制器，Tonedetector為音調(diào)檢測(cè)器，Sub-bandadaptivesubtractors為子帶自適應(yīng)減法器，Sub-bandnoisesuppressor為子帶噪聲抑制器，Anti-howlingcontrol為抗嘯叫控制單元，Convergencemonitor為算法收斂檢測(cè)器。Felnput為遠(yuǎn)端參考信號(hào)輸入，F(xiàn)eoUtpUt為經(jīng)過(guò)AEC算法處理后的近端參考信號(hào)輸出，稱(chēng)為接收回路;Nemput為回波信號(hào)與近端語(yǔ)音的混合信號(hào),Neoutput為去除回波的近端語(yǔ)音信號(hào)，稱(chēng)為發(fā)送回路。

在AEC開(kāi)始處理時(shí)，采用半雙工方式可以避免AEC算法收斂時(shí)殘余回波被聽(tīng)到，收斂監(jiān)控器用于跟蹤當(dāng)前回波返回?fù)p失并檢測(cè)收斂。一旦收斂AEC轉(zhuǎn)向全雙工方式，而且因?yàn)樗鼘?duì)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(huì)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?yàn)槠渥訋ЫY(jié)構(gòu)，AEC僅處理32個(gè)輸入緩沖區(qū)的樣本，并在內(nèi)部有96個(gè)樣本的延遲。

AEC具有強(qiáng)大雙端會(huì)話檢測(cè)器，因而允許AEC算法在本地語(yǔ)音存在的條件下收斂，并且在雙端會(huì)話期間不會(huì)帶來(lái)殘余回波增大。雙端會(huì)話檢測(cè)器可以在信噪比大于6dB的噪聲條件下工作，雙端會(huì)話檢測(cè)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(huì)話開(kāi)始被檢測(cè)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(shí)為32767）。當(dāng)雙端會(huì)話結(jié)束被檢測(cè)到時(shí)，NLP打開(kāi)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(kāi)關(guān)切換。CNG在NLP打開(kāi)時(shí)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(cè)器，可以防止AEC收斂在如撥號(hào)音或振鈴音的正弦信號(hào)，這種收斂可能造成AEC運(yùn)行錯(cuò)誤。特別是在AEC收斂在這類(lèi)信號(hào)的開(kāi)始處，這一點(diǎn)對(duì)免提電話特別有用。AEC還具有抗嘯叫控制單元，可用來(lái)避免因?yàn)槁曇粼邴溈孙L(fēng)和揚(yáng)聲器間反饋引起的嘯叫（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(huì)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(tái)主要基于TI公司TMS320VC5416高性能DSP芯片來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

平臺(tái)的工作原理：以DSP芯片TMS320VC5416作為主處理器完成算法的調(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(chǔ)器，用來(lái)存放中間運(yùn)算結(jié)果；FLASH存儲(chǔ)器用來(lái)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)境固定，并使其在不需要調(diào)整控制參數(shù)時(shí)，能作為一個(gè)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(lái)處理音頻輸入和輸出。系統(tǒng)的立體聲輸入部分，一路接Ne’nput近端語(yǔ)音與回波信號(hào)的混合信號(hào)，另一路接Femput遠(yuǎn)端參考信號(hào)，即遠(yuǎn)端說(shuō)話人語(yǔ)音信號(hào)；而立體聲輸出部分的一路接Neoutput，即經(jīng)過(guò)AEC處理的近端語(yǔ)音信號(hào)輸出，另一路接FeOutput，即遠(yuǎn)端參考信號(hào)經(jīng)過(guò)AEC處理的輸出。AEC的控制參數(shù)可通過(guò)串口通訊來(lái)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。

MCBSP

圖2回波抵消器硬件平臺(tái)結(jié)+構(gòu)示意圖

本回波抵消器硬件平臺(tái)采用+5V單電源供電，可與PC機(jī)提供的+5V電源連接，并具有外部手動(dòng)復(fù)位鍵，操作簡(jiǎn)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(jì)図。

通訊機(jī)制采用查詢方式?；夭ǖ窒髦鞒绦蛏想娺\(yùn)行時(shí),對(duì)兩個(gè)輸入通道采樣32個(gè)樣本，在AEC算法處理前應(yīng)查詢一下串口有無(wú)控制參數(shù)發(fā)出。如沒(méi)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［6］。VB具有面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，并具有簡(jiǎn)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(jiǎn)單的串行通信，該控件屏蔽了通信過(guò)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(duì)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(jiǎn)單，通過(guò)以下代碼即可完成該控件相應(yīng)屬性的初始化：

strset="19200,n,8,1"

Form1.MSComm1.InBufferSize=512‘定義輸入緩沖區(qū)大小

Form1.MSComm1.OutBufferSize=512‘定義輸出緩沖區(qū)大小

Form1.MSComm1.CommPort=1‘設(shè)置串行端口號(hào)

Form1.MSComm1.Settings=strset，設(shè)置數(shù)據(jù)格式

Form1.MSComm1.PortOpen=True'打開(kāi)串口

這里將控制參數(shù)分類(lèi)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(guò)程的正確。控制參數(shù)主要分為三類(lèi),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(lèi)參數(shù)有具體數(shù)值，對(duì)于超過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)；AEC開(kāi)關(guān)量為圖3中間部分的參數(shù)，該類(lèi)參數(shù)表示AEC算法中某些運(yùn)算模塊的打開(kāi)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(lèi)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)。

圖3回波抵消器人機(jī)控制界面圖

用戶使用時(shí)，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(guò)程，也可點(diǎn)擊“復(fù)位”加載算法本身提供的默認(rèn)參數(shù)?？刂茀?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(guò)程不影響算法的實(shí)時(shí)運(yùn)行。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)語(yǔ)音數(shù)據(jù)文件的仿真分析及實(shí)際會(huì)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)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。

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