采用DSP 免提開發(fā)平臺(tái)的車載信號(hào)處理與音頻系統(tǒng)

　　回聲消除(AEC)可實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)舒適的全雙工免提通話，本文介紹的Clarity CVC-HFK 可提供集成的單擴(kuò)音器解決方案(OMS)噪聲抑制算法，它支持自適應(yīng)噪聲消除功能，可降低麥克風(fēng)(傳入)信號(hào)中的環(huán)境噪聲，并提取所需的語(yǔ)音，還可向遠(yuǎn)端用戶傳輸清晰的話音(傳出)。

　　兩個(gè)因素決定了使用免提蜂窩電話系統(tǒng)的必要性，首先是由于目前的蜂窩電話系統(tǒng)的終端多為手持的，這就給司機(jī)造成了不便。司機(jī)常常要放下手機(jī)兩只手駕駛，如轉(zhuǎn)彎等，然后在轉(zhuǎn)回談話。電話交談的中斷很不方便，甚至還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)成本損失，因?yàn)橐苿?dòng)電信收費(fèi)相當(dāng)高。再一個(gè)重要因素就是安全性。不妨設(shè)想一下只用一只手操縱方向盤、打著手機(jī)的司機(jī)。既然司機(jī)不能雙手操縱方向盤，那么再要什么防抱死系統(tǒng)和氣囊就顯得毫無(wú)意義了。因此，免提蜂窩電話系統(tǒng)正成為使用移動(dòng)電話的司機(jī)的必備品。

 
圖1：免提套件開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

　　HFK 開發(fā)平臺(tái)

　　HFK 開發(fā)平臺(tái)是一套包含DSP 在內(nèi)的解決方案，提供了軟硬件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的快速開發(fā)，并使其獨(dú)樹一幟。HFK 開發(fā)平臺(tái)可通過(guò)JTAG 實(shí)現(xiàn)與TI 軟件開發(fā)環(huán)境Code Composer StudioTM(CCStudio)開發(fā)工具相連接。該開發(fā)環(huán)境與文檔相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)TI DSP 第三方軟件的快速集成，并能加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程。HFK 開發(fā)平臺(tái)適用于對(duì)成本及性能都要求很高的高質(zhì)量汽車后市場(chǎng)免提套件，也適用于具備藍(lán)牙功能的HFK。詳細(xì)信息及相關(guān)

　　文檔，可參見如下鏈接　　
　　www.focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/tmdshfk5407.html

　　用于免提系統(tǒng)的回聲消除軟件

　　就車載免提廣播/電話系統(tǒng)而言，一個(gè)缺點(diǎn)就是會(huì)感到遠(yuǎn)端揚(yáng)聲器有回聲。要在車內(nèi)營(yíng)造一個(gè)舒適的全雙工免提通話環(huán)境，最重要的軟件環(huán)節(jié)就是回聲消除器(AEC)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)院(ETSI)目前正在制定有關(guān)AEC 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　回聲現(xiàn)象是由揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)之間耦合造成的。在全雙工通信中，遠(yuǎn)端揚(yáng)聲器聽到自己的聲音會(huì)有延遲，延遲的長(zhǎng)短取決于汽車內(nèi)部與全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)的延遲?；芈暵窂介L(zhǎng)度是AEC 的關(guān)鍵參數(shù)。

 
圖2：CVC-HFK 應(yīng)用圖示。

　　自適應(yīng)濾波(更準(zhǔn)確的說(shuō)法是NLMS 算法)是針對(duì)AEC 最常見的解決方案之一。NLMS 算法在計(jì)算量與性能之間實(shí)現(xiàn)了較好的折中。

　　和AEC 有關(guān)的其他問(wèn)題是兩人同時(shí)講話的模糊音(DT)情況。如果沒(méi)有檢測(cè)到的話，DT 會(huì)造成自適應(yīng)算法的發(fā)散。

　　AEC 軟件利用NLMS 算法來(lái)消除回聲，是通過(guò)C54x DSP 匯編程序來(lái)執(zhí)行的。

　　1. NLMS算法

　　NLMS 算法可更新自適應(yīng)有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器的系數(shù)，該濾波器用于預(yù)測(cè)回聲，隨后我們從實(shí)際回聲中減去預(yù)測(cè)值，就可給出殘留回聲。

　　2. 活動(dòng)通道檢測(cè)

　　AEC 算法的一個(gè)關(guān)鍵特性就是活動(dòng)通道檢測(cè)。在遠(yuǎn)端操作者靜默而近端操作者講話時(shí)，由于近端操作者不再是回聲，所以濾波器不用進(jìn)行適配，通過(guò)計(jì)算信號(hào)能量，并將該能量與自適應(yīng)閾值進(jìn)行比較，可實(shí)現(xiàn)活動(dòng)通道的檢測(cè)。

　　3. 模糊音(DT)檢測(cè)

　　在DT 情況下，擴(kuò)音器上的近端信號(hào)包括回聲與近端話音(即模糊音)。用于更新濾波器系數(shù)的殘留誤差包括近端講話，而如果算法仍在進(jìn)行自適應(yīng)，則算法可能開始發(fā)散，必須避免這種情況。DT 檢測(cè)使用基于能量的算法，并配合一個(gè)變量閾值來(lái)解決此問(wèn)題。

　　4. 基準(zhǔn)

　　AEC 軟件的基準(zhǔn)(以16 位字表示)為：代碼大小：154 字；靜態(tài)RAM：527 字；擦寫RAM：2 字；最大計(jì)算時(shí)成本為4.7MIPS。計(jì)算消耗在ST 時(shí)期最大，在DT 時(shí)期降至2.4MIPS。ST 時(shí)期占通話的主要部分，而DT時(shí)期則僅在較短的個(gè)別情況下出現(xiàn)。

　　CVC-HFK 軟件

　　CVC-HFK( 清晰語(yǔ)音捕捉—— 免提套件)集成了回聲消除、噪聲抑制、非線性處理等功能，是一套優(yōu)化的HFK 解決方案。CVC-HFK 解決方案使用全面的自適應(yīng)子帶方法來(lái)改善主要方面的性能，同時(shí)僅占用很少的資源。在汽車環(huán)境中，環(huán)境噪聲是免提系統(tǒng)要克服的主要問(wèn)題。因此，除了回聲消除功能外，Clarity CVC-HFK 還提供了集成的單麥克風(fēng)解決方案(OMS) 噪聲抑制算法。OMS 解決方案支持自適應(yīng)噪聲消除功能，其可削弱麥克風(fēng)信號(hào)(傳入)中的環(huán)境噪聲，提取所需的語(yǔ)音，并將干凈的話音(傳出)傳輸至遠(yuǎn)端用戶。由于CVC-HFK 是完全自適應(yīng)的，因此不再需要過(guò)多調(diào)節(jié)。下面，我們將簡(jiǎn)介CVC-HFK 解決方案及其主要方面的性能。

　　1. CVC-HFK AEC

　　CVC-HFK 回聲消除器是“無(wú)狀態(tài)”AEC，其采用標(biāo)準(zhǔn)頻率域NLMS 算法的一個(gè)變體作為其主要的自適應(yīng)濾波器。我們將在下面說(shuō)明采用這些方法的好處。首先，子帶頻率域方法可取消關(guān)聯(lián)或白化每個(gè)帶中的輸入信號(hào)，同相當(dāng)時(shí)間域的AEC 相比它可實(shí)現(xiàn)更快的收斂。第二，無(wú)狀態(tài)AEC 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的濾波器適應(yīng)，這可改善噪聲環(huán)境中的魯棒性和整體模糊音性能。前面講過(guò)在DT 情況下麥克風(fēng)信號(hào)中既包含回聲又包含近端話音。近端話音不與回聲信號(hào)相關(guān)聯(lián)，如果沒(méi)有進(jìn)程避免它的話就會(huì)造成自適應(yīng)濾波器的發(fā)散。第三，NLMS 可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于輸入振幅的一致收斂。正由于此，CVC-HFK AEC 可獲得典型的40dB ERLE(回聲返回?fù)p耗增益值)，最大可達(dá)50dB ERLE，并可實(shí)現(xiàn)80ms 左右的快速收斂時(shí)間，且在大多數(shù)環(huán)境下可進(jìn)行全雙工操作。此外，CVC-HFK AEC 為其自適應(yīng)濾波器采用了64ms 的尾長(zhǎng)，這就在內(nèi)部容量方面實(shí)現(xiàn)了更大的靈活性。

　　2. CVC-HFK NS( 噪聲抑制器)

　　CVC-HFK 噪聲抑制器是一種利用話音與噪聲特性來(lái)幫助從合成噪聲及話音信號(hào)中提取話音的頻率域算法。CVC-HFK NS 的兩大主要模塊是語(yǔ)音構(gòu)成分析與語(yǔ)音提取。

　　語(yǔ)音成份分析模塊采用話音與噪聲的暫時(shí)與相關(guān)屬性來(lái)構(gòu)建話音構(gòu)成的可預(yù)測(cè)模型。語(yǔ)音提取塊可根據(jù)語(yǔ)音與噪聲模型修改各頻率成份。此外，語(yǔ)音提取塊還可充分利用音質(zhì)原理最小化噪聲底限與感覺的語(yǔ)音失真。

　　CVC-HFK NS 采用該方案可在噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)10-15dB SNR( 信噪比)的改善，同時(shí)還能保持較好的語(yǔ)音質(zhì)量。在SNR 已經(jīng)足夠高的極低噪聲環(huán)境中，因?yàn)橐殃P(guān)閉了NS，不會(huì)發(fā)生語(yǔ)音失真。

　　3. CVC-HFK NLP( 非線性處理)

　　由于系統(tǒng)失真增加，因而CVC-HFK NLP 最小。由CVC-HFK NLP 增加的失真量比諸如中心削波器等標(biāo)準(zhǔn)NLP 模塊要低得多，因?yàn)槠涫褂脕?lái)自輸入與誤差信號(hào)的信息來(lái)確定額外的衰減。由于所有的CVC-HFK 模塊均使用頻率域算法，因而與既使用時(shí)間域又使用頻率域算法的解決方案相比，可以顯著節(jié)約內(nèi)存，并簡(jiǎn)化計(jì)算復(fù)雜性。

　　系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

　　在將TI-HFK 板與蜂窩免提套件相集成時(shí)，要實(shí)現(xiàn)良好的移動(dòng)呼叫還需要數(shù)個(gè)組件與適當(dāng)?shù)慕涌凇?/P>

　　您必須選擇可與CVC-HFK 應(yīng)用軟件和板卡硬件同時(shí)兼容的組件，才能獲得良好的性能。HFK 可支持各種不同的擴(kuò)音器、擴(kuò)音揚(yáng)聲器以及車載音響系統(tǒng)。但是，為了減少對(duì)應(yīng)用手冊(cè)的變更，我們已選擇了專用的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)組件，這會(huì)為您的成功調(diào)整帶來(lái)很大幫助。從TI-HFK 板到蜂窩套件需要三個(gè)連接才能實(shí)現(xiàn)集成：擴(kuò)音器輸入TI HFK 板；傳出、已處理過(guò)的音頻輸出；輸入、從蜂窩套件接收進(jìn)來(lái)的信號(hào)。

　　下面給出擴(kuò)音揚(yáng)聲器與擴(kuò)音器放置設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議。

　　1. 擴(kuò)音器的位置和定向?yàn)閷?shí)現(xiàn)最佳的總體麥克風(fēng)性能，在最后將設(shè)備安裝到汽車內(nèi)之前應(yīng)了解一些關(guān)鍵的變量。建議保持?jǐn)U音器和車內(nèi)用戶口腔之間的距離為46cm(18 英寸)。建議距離范圍從30 至56cm(12–22 英寸)。
 
　　2. 盡可能避免擴(kuò)音器暴露于氣流(窗戶和風(fēng)扇)；

　　3. 適當(dāng)考慮擴(kuò)音器大小和安裝方案，使擴(kuò)音器前部可對(duì)準(zhǔn)車內(nèi)用戶的口腔。基于以上考慮，在圖3 的幫助下，您可以選擇最佳的擴(kuò)音器位置。首先，請(qǐng)遵循優(yōu)先考慮區(qū)域1、2 和3 中的建議。一旦做出決定，您就可用金屬板或維可牢尼龍帶固定擴(kuò)音器，可將線纜連接回電子設(shè)備處以端接。隨后應(yīng)保證線纜的隱蔽性，保持美觀，此外還要保持線纜固定，不會(huì)被擠壓或打結(jié)。最后，應(yīng)避免并行線纜與天線接頭和其它帶噪聲的線纜相連接。
 
　　4. 揚(yáng)聲器位置建議在適當(dāng)位置安裝揚(yáng)聲器，以便提供良好的語(yǔ)音性能，同時(shí)不干擾擴(kuò)音器拾波區(qū)域。拾波區(qū)域?yàn)?30 度錐形體，從擴(kuò)音器正面起，向外突出至汽車駕駛?cè)藛T。
 

圖3：揚(yáng)聲器的放置

　　揚(yáng)聲器應(yīng)位于距麥克風(fēng)至少1 米處(3 英尺)。揚(yáng)聲器應(yīng)遠(yuǎn)離麥克風(fēng)的拾波區(qū)域，以減少回聲反饋的幾率。理想情況下，揚(yáng)聲器應(yīng)位于擴(kuò)音器正面方向之后或成90 度。揚(yáng)聲器的聲音失真大小會(huì)對(duì)回聲造成直接的負(fù)面影響。

本文小結(jié)

　　免提系統(tǒng)的使用不斷普及，用戶也期待著性能會(huì)不斷提高。鑒于HFK 實(shí)施存在多種可用選擇，顯而易見，把軟件算法和硬件信號(hào)處理器集成是一項(xiàng)周到的舉措，這將非常有利。HFK 開發(fā)套件可以應(yīng)付上述所有問(wèn)題，并給開發(fā)或銷售上述產(chǎn)品的人員帶來(lái)益處。帶有AEC 與CVC-HFK 的TI TMS320C5407 開發(fā)套件可提供所需的靈活性和高性能，并可快速而廉價(jià)地將HFK 解決方案推向市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

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Vartanian spra998 《清晰語(yǔ)音捕獲的實(shí)施—— TI TMS320VC5407 上的車載免提聽筒套件》，2004 年2 月。