TIDSKplusBoard在房間聲回授通道特性測量中的應(yīng)用

摘要：介紹一種新的測量房間聲回授通道特性的實(shí)驗(yàn)方法。用TI（Texas Instruments）公司提供的DSKplus Board開發(fā)套件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回時(shí)發(fā)送和采集，并把采集的數(shù)據(jù)送入主機(jī)保存，以備主機(jī)進(jìn)行房間聲回波通道特性的分析計(jì)算。

關(guān)鍵詞：聲回波對消 DSP芯征 聲回授通道特性

為滿足電視電話電話會議、車載免提電話、熱線電話等高質(zhì)量話音通信的需要，一種消極的處理方法是進(jìn)行功率控制，降低功率增益以不產(chǎn)生嘯叫，這樣做是以犧牲音量為低價(jià)的。目前，公認(rèn)最有效的回改朝換聲抑制方法是采用自適應(yīng)回聲對消。在回波對消的研究過程中，必須有效模擬出講話者所在空間的聲回授通道特性。本文重點(diǎn)介紹利用TI公司開發(fā)的廉價(jià)的DSKplus套件，采用白噪聲激勵(lì)和譜估計(jì)的方法進(jìn)行房間聲回授系統(tǒng)的離線辨識，并取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 DSKplus Board介紹

DSKplus Board是TI公司研制的一種廉價(jià)的、為初學(xué)者使用的DSP應(yīng)用開發(fā)板，本開發(fā)板中DSP芯片采用TMS320C542。TMS320C542是一種改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度可達(dá)40MIPS的定點(diǎn)DSP。它具有一個(gè)程序存儲器總線，三個(gè)數(shù)據(jù)存儲器總線，17×17位乘法器，一個(gè)供非流水線MAC（乘法/加法）使用的專用加法器，一個(gè)比較、選擇、存儲單元（Viterbi加速器）。其片內(nèi)集成有10K字節(jié)的DRAM，2K字節(jié)的引導(dǎo)ROM。其外圍設(shè)備包括有：與主機(jī)進(jìn)行通信的主機(jī)接口HPI（Host Port Interface），與其他設(shè)備進(jìn)行通信的時(shí)分復(fù)用串口和緩沖型串口等等。

DSKplus Board的模擬通道采用TLC320AC01C芯片，它可同時(shí)完成音頻頻帶內(nèi)辨率為14位的模-數(shù)、數(shù)-模轉(zhuǎn)換，并集成了帶通輸入濾波器和輸出低通濾波器以及Sinx/x補(bǔ)償器。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于它有一個(gè)串行通信口，DSP可通過對此串行口以軟件編程方式控制其濾波器的頻帶寬度、截止頻率以及采樣頻率等，并可調(diào)整輸入輸出增益。TLC320AC01C的最大采樣頻率可達(dá)43.2K，模擬輸入增益可達(dá)12dB，輸出衰減可達(dá)12d B。

DSKplus Board與機(jī)通信是利用DSP的HPI進(jìn)行的。在DSP片內(nèi)有一容量為2K字節(jié)的內(nèi)存區(qū)，地址從1000h到17FFh，這片內(nèi)存區(qū)既可以被DPS訪問，也可以被主機(jī)訪問。在DSKplus Board中，DSP的HPI通過一片GAL22V10與計(jì)算機(jī)的并口相連，GAL22V10完成計(jì)算機(jī)并口信號與HPI信號之間的匹配。這樣，主機(jī)就可通過讀寫并口的數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口、控制端口來訪問DSP的共享內(nèi)存區(qū)，為主機(jī)與DSP之間的數(shù)據(jù)交換提供了很大方便。

2 系統(tǒng)原理

測試系統(tǒng)原理見圖1。把虛框部分看作系統(tǒng)h(n)，系統(tǒng)的輸入和輸出分別為x(n)和y(n)，那么有：

等式兩邊同乘x(n-1)，并求期望，得：

式中，Rxx(n)為x(n)的自相關(guān)函數(shù)，Rxy(n)為x(n)與y(n)的互相關(guān)函數(shù)。對于白噪聲輸入激勵(lì)，x(n)的自相關(guān)函數(shù)為δ_函數(shù)，即：

Rzz(n)= δ(n) (3)

代入式（2），則有：

h(l)=Rxy(l) (3)

因而，當(dāng)x(n)為白噪聲時(shí)，只需估計(jì)出x(n)、y(n)的互相關(guān)函數(shù)，即可求出聲回授通道的沖激響應(yīng)。圖1中，A/D、D/A以及與主機(jī)通信部分均由DSKplus Board完成。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)軟件包括兩部分：DSKplus Board中DSP的運(yùn)行程序和主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、分析處理程序。

DSP程序采用TI公司提供的代數(shù)語言編寫，其功能包括：對模擬通道TLC320AC01C進(jìn)行初始化，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和采集以及與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。TLC320AC01C被初始化為：8k/s采樣速率，低通濾波器帶寬為3.6kHz，輸入增益為12dB，輸出增益為0dB。數(shù)據(jù)的發(fā)送和采集采用中斷方式，由于數(shù)據(jù)的發(fā)送和采集是同步的，所以只需用同一個(gè)中斷服務(wù)程序。每當(dāng)采集緩沖區(qū)（64字節(jié)）滿后，就把HPI的控制寄存器HPIC的HINT位置“1”，主機(jī)通過檢測這一位的狀態(tài)來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

由于對數(shù)據(jù)的分析處理需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，所以主機(jī)程序分為兩部分：數(shù)據(jù)發(fā)送、接收程序和后續(xù)處理程序。主機(jī)程序用C語言編寫。為了能在1/8k秒內(nèi)完成發(fā)送兩次16位地址、一次16位數(shù)據(jù)和讀取一次16位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率為64Kbyte/s，加上主機(jī)從硬盤讀取數(shù)據(jù)和把數(shù)據(jù)寫入硬盤的時(shí)間開銷，DPS運(yùn)行在40MHz時(shí)，HPI口的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)8Mbyte/s主機(jī)并口的數(shù)據(jù)速率卻達(dá)不到上述要求。所以發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先把數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存緩沖區(qū)，接收數(shù)據(jù)時(shí)，也應(yīng)先把數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存緩沖區(qū)，待數(shù)據(jù)接收完成后，再寫入磁盤，這樣才不會因來不及接收而丟失數(shù)據(jù)。程序流程見圖2。

后續(xù)處理程序功能包括：偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生和沖激響應(yīng)的分析計(jì)算。偽隨機(jī)序更的產(chǎn)生采用克努特算法，即線性同余算法：

In+1=(J·In+1)modM (5)

式中，M為序列的最長周期，J由不等式

J·（M-1）2的L次方 （6）

確定。J越大，序列才趨向于更隨機(jī)，但J的最大值受機(jī)器字長L限制。由式（5）求得的隨機(jī)序列In，歸一化后，在（0，1）區(qū)間呈均勻分布，再對序列進(jìn)行高斯化，并用“3σ原理”進(jìn)行16位整數(shù)化。

由式（4）知，沖激響應(yīng)的計(jì)算，即是對x(n)、y(n)的互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行估計(jì)。事實(shí)上，本文是用有限長數(shù)據(jù)樣本來估計(jì)隨機(jī)信號的互相關(guān)函數(shù)Rxy(k)，即：

這里，R'xy（k）是Rxy(k)的有偏估計(jì)，因?yàn)椋?br>
這表明，當(dāng)k接近N時(shí)，R'xy(k)的統(tǒng)計(jì)平均與Rxy（k）相差較大。在本文中，當(dāng)房間沖激響應(yīng)的有效長度遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)樣本長度N時(shí)，這種偏差可以忽略。為了加快計(jì)算式（7），先對x(n)，y(n)作FFT變換，X（n）的共軛與Y（n）相乘后，再作傅立葉反變換，即求得沖激響應(yīng)h(n)。但以實(shí)際上h(n)是x(n)和y(n)的線性相關(guān)結(jié)果。所以，在進(jìn)行N點(diǎn)FFT變換前，先把x(n)和y(n)的后N/2個(gè)點(diǎn)全置零，這樣可避免循環(huán)相關(guān)帶來的誤差。為減小矩形數(shù)據(jù)窗帶來的譜泄漏，程序中采用Hamming窗截取信號，即：

w(t)=0.54-0.46cos（2πt/T） （9）

為減小互相關(guān)函數(shù)的估計(jì)方差而引入的h(n)估計(jì)方差，在房間設(shè)施固定不變的情況下，用不同隨機(jī)數(shù)種子的隨機(jī)序列輸入而求得的h(n)作平均運(yùn)算，可有效減小h（n）的估計(jì)方差。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一次典型的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過以上處理，得到如圖所示的結(jié)果。圖中，直達(dá)聲是從場聲器出來的聲音經(jīng)過直線路徑直接到達(dá)麥克風(fēng)的聲音，混響聲是從揚(yáng)聲器出來的聲音經(jīng)過房間的墻壁、室內(nèi)物體等多次反射后到達(dá)麥克風(fēng)的聲音。在理論上，直達(dá)聲的響應(yīng)應(yīng)該為零，混響以后的響應(yīng)也應(yīng)為零。但由于測量時(shí)不可避免地存在環(huán)境噪聲以及算法本身存在的誤差，圖中這些響應(yīng)有較小的起伏?？梢怨烙?jì)，直達(dá)聲從揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)之間大約有170個(gè)采樣點(diǎn)，按8k/s采樣紡計(jì)算，這段時(shí)間為：

td=170/8000=0.02125s

實(shí)際測量時(shí)，揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)相距7.5m，按空氣中聲波傳輸速率340m/s計(jì)算，這段時(shí)間應(yīng)為0.02206s，由此看出，實(shí)際測量與理論基礎(chǔ)相符。