基于FM2010芯片的回聲消除裝置的設(shè)計應(yīng)用

目前，QQ視頻、語音通信已經(jīng)成為既省錢又方便的交流方式，但是，利用因特網(wǎng)傳輸語音數(shù)據(jù)雖然提高了資源的利用率，同時也存在一些弊端，比如語音質(zhì)量差。造成這種問題的因素有很多，其中最主要的是網(wǎng)絡(luò)問題和回聲問題。在正常的通話過程中通常伴有回聲，由于回聲的存在，使得對方聽音不清晰，影響通話質(zhì)量[1]。
    參考文獻[2]介紹了一種歸一化快速塊最小均方算法(NFBLMS)，相比LMS算法,它不僅可以有效減小運算復(fù)雜度,同時也能改善收斂速度。參考文獻[3]運用了一種新的回聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了非線性諧波處理的線性回聲消除，獲得了很好的回聲消除效果及收斂效果。參考文獻[4]提出了一種全極IIR回聲消除器，該回聲消除器可以應(yīng)用傳統(tǒng)的LMS算法，并得到很好的效果。
1 回聲產(chǎn)生的原理及主要的消除方法
1.1 回聲產(chǎn)生的基本原理
    回聲一般可分成電路回聲和聲學(xué)回聲。電路回聲主要由提供商的線路質(zhì)量所致，而聲學(xué)回聲則是由用戶端設(shè)備的質(zhì)量所致。
1.1.1 電路回聲
    在傳統(tǒng)電話系統(tǒng)中，存在著一種所謂的“電路回聲”。該回聲產(chǎn)生的主要原因是在系統(tǒng)中存在2-4線的轉(zhuǎn)換。完成2-4轉(zhuǎn)換的混合器因阻抗匹配，造成“泄漏”，從而導(dǎo)致“電路回聲”。
1.1.2 聲學(xué)回聲
    因特網(wǎng)語音傳輸中的第二種回聲源是“聲學(xué)回聲”。聲學(xué)回聲是指揚聲器播放出來的聲音被麥克風(fēng)拾取后發(fā)回遠端，這就使得遠端談話者能聽到自己的聲音。聲學(xué)回聲又分為直接回聲和間接回聲。
    直接回聲是指揚聲器播放出來的聲音未經(jīng)任何反射直接進入麥克風(fēng)。這種回聲延遲最短，它與遠端說話者的語音能量，揚聲器與話筒之間的距離、角度、揚聲器的播放音量以及話筒的拾取靈敏度等因素相關(guān)。
    間接回聲是指揚聲器播放的聲音經(jīng)不同的路徑一次或多次反射后進入麥克風(fēng)所產(chǎn)生的回聲集合。
    由于電路回聲主要由供應(yīng)商的線路質(zhì)量所致，其消除也通常由供應(yīng)商解決，故本文主要解決聲學(xué)回聲的消除方式。
1.2 回聲消除方法
    回聲消除的原理：假設(shè)需要消除房間 A所能聽到的回聲，把房間A 發(fā)送回路的聲音送入采樣器進行采樣，采樣后這個樣值被送到回聲抑制模型電路進行回聲抑制模型建立，再把這個回聲抑制的模型送入接收回聲的回聲比較器進行比較，最終達到抑制回聲的目的。
    常用的回聲消除方法有以下幾種：
    (1)本端回聲消除器(以CISCO系統(tǒng)內(nèi)置回聲消除器為代表)：回聲消除電路內(nèi)置在本端通信終端設(shè)備上，為本地會場消除遠端回聲影響。
    (2)異端回聲消除器(以ClearOne的回聲消除器為代表)：本地的回聲消除電路是用來消除對端的回聲。
    (3)分布式回聲消除：分布式回聲消除是美國Clear-
One公司獨有的專利技術(shù)，有別于單路回聲消除，它在XAP系列產(chǎn)品的每一路麥克輸入都內(nèi)置了回聲消除器，可以更有效、更徹底地消除回聲。
2 FM2010簡介及回聲消除裝置設(shè)計
    FM2010是Fortemedia公司推出的一款小引腳低功耗的回音消除器和噪音抑制器。
2.1 FM2010特性及回聲消除原理
    FM2010 是集合CODECs、ROM、RAM以及串口的基于DSP技術(shù)的芯片。利用創(chuàng)新的SAM(小型陣列麥克風(fēng))技術(shù)與波束形成能力，其功率消耗僅為25 mW。圓錐形波束形成特性可以在保持用以提高清晰度的聲音質(zhì)量和增加聲音的可辨識度的同時對噪音進行壓制。FM2010的回音消除可達60 dB，非平穩(wěn)噪音抑制可達20 dB，平穩(wěn)噪音抑制為18 dB。每個模擬通道都是8 kHz的采樣率和84 dB的信噪比。為了進一步減少能耗，F(xiàn)M2010使用特定的硬件加速器來降低MIPS的需求以達到25 mW的損耗，并附帶了硬件加速器的聲音處理器[5]。
    FM2010使用的是自適應(yīng)回聲抵消原理, 聲學(xué)回聲抵消器的實質(zhì)就是用一個自適應(yīng)橫向濾波器對未知的回聲授通道進行系統(tǒng)辨識，模擬回聲路徑，再通過自適應(yīng)濾波算法的調(diào)整，使其時域沖激響應(yīng)與實際回聲路徑相逼近，從而得到回聲預(yù)測信號，再將預(yù)測信號從麥克風(fēng)接收到的語音信號中減去，即可實現(xiàn)回聲抵消。其原理即為分布式回聲消除方式。具體來說就是FM2010芯片的MIC IN是麥克風(fēng)進入的信號, 即用戶的聲音輸人信號, 其中包含由本機揚聲器漏進去的部分主話端的語音信號。Line IN接入的是主話端的語音信號, 即由本機揚聲器輸出的信號直接接入FM2010的Line IN輸入端。在FM2010內(nèi)部會經(jīng)過DSP芯片的運算處理對兩者進行比較，消除MIC IN信號中與Line IN端相同的信號（即回聲音頻信號），使用自適應(yīng)回聲抵消原理達到消除回聲的目的[6]。
2.2 硬件電路及PCB板設(shè)計
    圖1為宏觀硬件架構(gòu)圖(原理圖)。如圖所示，F(xiàn)M2010配有E2PROM。E2PROM的主要作用是存儲初始化信息，保存并傳遞回音消除的參數(shù)。圖中FM2010芯片為回聲消除的主要工作芯片(芯片未接腳為懸空)，并配以相應(yīng)的電源電路，以及麥克風(fēng)的接口電路，從而整體完成消除回聲的功能。

2.3 軟件程序的設(shè)計
    圖2所示為軟件架構(gòu)示意圖。FM2010回音消除的軟件開發(fā)需要的幾個步驟為：

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    (1)給回音消除芯片上電，并對芯片及E2PROM進行初始化；
    (2)等待初始化完成；
    (3)接收通話信息并進行存儲；
    (4)將通話信息寫入回音消除芯片內(nèi)并進行處理。
    需要指出的是，對FM2010進行初始化時，要按其規(guī)格說明書定義的上電時序進行，否則可能會導(dǎo)致在錄音時會有時斷時續(xù)的情況發(fā)生。即在初始化FM2010時，PWD high的狀態(tài)必須要在RESET high狀態(tài)之前設(shè)定，兩者之間相差5ms。在此，給出對FM2010的初始化程序：
  
3 回聲消除測試及效果
    在實驗中，本文使用了當(dāng)前十分流行通用的語言聊天軟件——騰訊QQ進行語音視頻通信，在保證網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的前提下，本文通過電腦與本文中設(shè)計的電路板相連，如圖3所示（圖中FM2010代表本文中設(shè)計的電路板整體電路，并非僅是芯片本身）。測試時，在進行通話過程中同時播放音樂，通過測試，可分別在開啟本設(shè)計電路板和未開啟本設(shè)計電路板的條件下，得到處理前和處理后的實驗效果。在未啟用本電路板時，如果通話過程中有背景音的存在，會導(dǎo)致通話效果受到明顯的影響，而啟用本電路板之后，通話過程中背景音已被消除，通話效果得到明顯改善。

    在對背景音的抑制試驗之后，本文又對回聲的抑制進行了試驗。在試驗時，選擇在雨天進行（因為雨天時網(wǎng)絡(luò)狀況不穩(wěn)定，易產(chǎn)生回聲），通過QQ聊天工具進行試驗（在試驗時使耳機和話筒距離較近，這樣可以進一步驗證本設(shè)計的性能）后得到處理前和處理后的效果。
    通過試驗可以清楚地看到，經(jīng)過本設(shè)計處理后的通話效果得到明顯的提高，大部分的回音被明顯地抑制，有效地剔除了回聲對通話的影響，即本設(shè)計對回聲的抑制有明顯作用。
    本文在分析視頻語音通話中回聲產(chǎn)生的基礎(chǔ)之上，具體研究了回聲消除的原理，并介紹了幾種常用的回聲消除方法。其后根據(jù)FM2010芯片的特點，設(shè)計了回聲消除的軟硬件方法。通過在QQ視頻語音交流中的應(yīng)用，驗證了其對回聲的有效消除。此外，本設(shè)計已應(yīng)用于南京某軍區(qū)養(yǎng)老院，并取得了良好效果。
參考文獻
[1] 肖尚輝，黃邦菊.一種簡化的自適應(yīng)回聲抵消算法及其應(yīng)用分析[J].通信技術(shù)，2009，43(2)：133-135.
[2] 開躍春，金濤，賈宏志.IP會議電話回聲消除器的設(shè)計及仿真[J].計算機仿真，2010，27(1)：322-325.
[3] YASUKAWA H，F(xiàn)URUKAWA I，ISHIYAMA Y.Acoustic echo control for high quality audio teleconferencing[J]. IEEE，1989(2).
[4] Chen W Y.An all pole IIR echo canceller.IEEE.1990.3.
[5] Fortemedia Corporation. FM 2010 Preliminary Datasheet.vl[M]，2006.
[6] 鄭宇，王波.基于FM2010和WINCE平臺的回音消除驅(qū)動設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008，8(4)：37-40.