一種基于DSP的音頻實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)

摘要：聲學(xué)回聲消除器一直是視頻會(huì)議系統(tǒng)不可缺少的組件。將回聲消除算法結(jié)合噪音消除和靜音檢測算法等，提出一種改進(jìn)的實(shí)時(shí)音頻處理系統(tǒng)方法，并在TMS320C6713B上實(shí)現(xiàn)，能夠有效改善噪音、雙工檢測、非線性回聲等導(dǎo)致自適應(yīng)濾波器發(fā)散的問題。該系統(tǒng)在保證正常雙工通話的同時(shí)，對非線性回聲的抑制有著明顯的改善效果。
關(guān)鍵詞：聲學(xué)回聲消除；噪音消除；靜音檢測；語音信號(hào)處理；DSP

0 引言
隨著VOIP的廣泛應(yīng)用以及多媒體通信技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們對互聯(lián)網(wǎng)語音通信的音頻品質(zhì)提出了更高的體驗(yàn)要求。主流的視頻會(huì)議系統(tǒng)由原先的14 kHz升級到22 kHz的音頻帶寬，這也標(biāo)志著語音通信已經(jīng)真正轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)音頻通信的應(yīng)用階段。當(dāng)然在基于互聯(lián)網(wǎng)的音頻通信中，聲學(xué)回聲和噪聲一直是影響音頻質(zhì)量的最為關(guān)鍵因素之一。
聲學(xué)回聲消除成為提升音頻通信質(zhì)量的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。聲學(xué)回聲消除采用了自適應(yīng)濾波來估計(jì)回聲產(chǎn)生的回路特征，并不斷修正自適應(yīng)濾波器的系數(shù)，使得估計(jì)值更加逼近真實(shí)回聲，最后從話筒信號(hào)中去除估計(jì)的回聲，以達(dá)到回音消除的目的。
聲學(xué)回聲具有信號(hào)沖激響應(yīng)時(shí)間長，特征分布范圍廣且多路徑反射和時(shí)變的特點(diǎn)，自適應(yīng)濾波器在估計(jì)回聲路徑的過程中容易受到這些不確定因素的干擾，當(dāng)然外部環(huán)境的噪音也是一個(gè)重要的因素。
本系統(tǒng)結(jié)合多種已有信號(hào)處理算法，有效提升了聲學(xué)回聲的雙工能力和收斂速度，并有效避免了使濾波器發(fā)散的多種因素，提升了濾波器的處理效率。同時(shí)利用高速浮點(diǎn)DSP對回聲消除和噪聲消除進(jìn)行了整體的實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)采用了頻域的MDF自適應(yīng)濾波算法，將MMSE Noise Suppressor和多個(gè)VAD添加到回聲消除器中。在加入濾波器系數(shù)更新模塊和非線性檢測模塊后，使得系統(tǒng)在更惡劣的噪音環(huán)境下以及雙方通話過程中，一樣具備良好的回聲消除和噪音消除能力。整個(gè)核心運(yùn)算部分均在頻率域內(nèi)完成，也大大降低了運(yùn)算量，最后通過調(diào)整DSP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，合理運(yùn)用DSP的資源和指令加速，實(shí)現(xiàn)了基于DSP的高效能實(shí)時(shí)音頻處理器的設(shè)計(jì)。

1 音頻處理系統(tǒng)相關(guān)算法
1．1 聲學(xué)回聲消除
聲學(xué)回聲消除的基本原理是通過自適應(yīng)濾波器估計(jì)聲學(xué)回聲路徑的特征參數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)模擬的聲學(xué)路徑，得出模擬的聲學(xué)回聲信號(hào)，并從參考信號(hào)中減去此信號(hào)，實(shí)現(xiàn)回聲的消除。圖1給出了一個(gè)最為常見的聲學(xué)回聲消除器AEC的原理圖。

1．2 結(jié)合噪音消除和靜音檢測的回聲處理系統(tǒng)
1．2．1 MDF濾波器基本結(jié)構(gòu)和算法原理
MDF(Multi-delay Block Frequency Domain Adaptive Filter)是一種將原有的多階濾波器分為K個(gè)等分的子塊，在每個(gè)長度為N的子塊能進(jìn)行自適應(yīng)濾波的方法。如此能降低多階自適應(yīng)濾波器大量的運(yùn)算量。F表示對2N×2N的矩陣進(jìn)行FFT變換，若v表示信號(hào)幀序號(hào)，而diag表示對角矩陣運(yùn)算，則：

假設(shè)實(shí)際路徑產(chǎn)生的回聲信號(hào)為y(v)，通常也叫近端信號(hào)，則：

K-1，它表示濾波器估計(jì)的第k個(gè)子濾波器的系數(shù)。