動(dòng)態(tài)調節系統參數，提高回聲與噪聲消除性能

移動(dòng)手持終端、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、免提設備及其它移動(dòng)通信系統的語(yǔ)音質(zhì)量是建立消費者偏好的關(guān)鍵因素。回聲和噪聲是無(wú)線(xiàn)通信固有的毛病。我們需要信號處理技術(shù)來(lái)解決語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題，確保提供能被市場(chǎng)接受的高質(zhì)量音頻輸出。傳統方法是在近端或傳輸路徑上采用獨立的回聲和噪聲消除模塊，這種方法在周邊條件不變的情況下表現出色，但如果周?chē)h(huán)境發(fā)生了變化，如出現開(kāi)門(mén)或較大的噪聲，那么音頻系統會(huì )很難適應變化，且音頻性能也會(huì )下降。
新方法則集回聲消除、噪聲抑制及其它音響增強技術(shù)于一體，能夠根據環(huán)境變化更快地動(dòng)態(tài)調節系統參數。在大多數情況下，消費者還沒(méi)發(fā)現音質(zhì)出現問(wèn)題之前，我們就能完成調節。同樣，這種新方法實(shí)現了更高的集成度，能解決較大的噪聲和回聲問(wèn)題，從而能夠實(shí)現聽(tīng)起來(lái)非常自然的全雙工語(yǔ)音通話(huà)。
回聲和噪聲消除技術(shù)的巨大進(jìn)步來(lái)得非常及時(shí)，因為美國許多州都制定了相關(guān)法規，全面或部分地禁止駕駛人員在駕車(chē)時(shí)手握移動(dòng)電話(huà)通話(huà)。歐洲大多數國家及全球許多其它國家也都已經(jīng)有了相關(guān)的法規。上述法規的出現，進(jìn)一步提高了免提技術(shù)的需求，并要求能在汽車(chē)內部環(huán)境中有效消除噪聲及回聲，這也是免提系統的最大設計挑戰所在。設計人員需要簡(jiǎn)單易用的軟硬件，以便能夠為免提音頻產(chǎn)品提供與傳統手持產(chǎn)品一樣的音質(zhì)，這樣才能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。
無(wú)線(xiàn)通信中的回聲來(lái)源
無(wú)線(xiàn)系統中的回聲有兩大來(lái)源：電氣回聲和聲學(xué)回聲。如果設計方案不佳，導致?lián)P聲器信號直接耦合到擴音器信號，那么就會(huì )出現電氣回聲。這一問(wèn)題的最佳解決方案就是做好設計工作。
對我們提出更嚴峻挑戰的問(wèn)題在于聲學(xué)回聲。如果放大后的揚聲器信號通過(guò)擴音器發(fā)生回聲，那么就會(huì )出現聲學(xué)回聲。消除這種回聲相當困難，我們必須考慮到多個(gè)因素。放大后的揚聲器聲音會(huì )在不同時(shí)間在多個(gè)通道上反射。這種間接的回聲明顯滯后于原始信號，這是因為聲音在空氣中的傳播速度僅為300米/秒，而且由于機械振動(dòng)加大了復雜性，回聲反射也會(huì )失真。
半雙工交換技術(shù)

圖1：半雙工解決方案
解決回聲問(wèn)題的最基本方法就是在檢測到遠端語(yǔ)音時(shí)禁用近端語(yǔ)音通道，這雖然能消除聲學(xué)回聲，但每次只允許一個(gè)人說(shuō)話(huà)。舉例來(lái)說(shuō)，就傳統的對講機而言，按下通話(huà)按鈕，就不能聽(tīng)到其它在線(xiàn)人說(shuō)的話(huà)了，因此雙向無(wú)線(xiàn)電通話(huà)規則中要求說(shuō)話(huà)人講完話(huà)時(shí)必須明確表示“完畢”。后來(lái)又有新技術(shù)用語(yǔ)音活動(dòng)檢測器 (VAD) 取代了通話(huà)按鈕，它能在檢測到遠端語(yǔ)音時(shí)自動(dòng)開(kāi)／關(guān)近端語(yǔ)音通道。在移動(dòng)通信初期階段，我們尚能接受這種有局限性的技術(shù)，但隨著(zhù)用戶(hù)逐漸習慣于全雙工有線(xiàn)通話(huà)，他們今后不再接受這種限制性的單向通話(huà)技術(shù)。因為全雙工有線(xiàn)通話(huà)技術(shù)使他們能夠隨意交流，表達想法，同意或不同意對方的觀(guān)點(diǎn)，隨時(shí)停頓，不用擔心擴音器突然不能使用。
傳統回聲消除技術(shù)

圖2：傳統回聲消除技術(shù)
下面我們將講述為什么幾乎所有手機、免提設備以及帶擴音器的電話(huà)均提供某種回聲消除技術(shù)。目前，幾乎所有設備都通過(guò)監控遠端信號，然后從接收信號中去除遠端信號這一基本方法來(lái)消除回聲。如果回聲量已知且保持不變，那么上述方法就很容易實(shí)現回聲消除。但實(shí)際上回聲幅度及時(shí)間取決于無(wú)線(xiàn)設備使用的環(huán)境，而這一環(huán)境經(jīng)常會(huì )發(fā)生變化，為此傳統回聲消除技術(shù)需要持續監控近端及遠端信號。聲學(xué)回聲消除器算法用近端揚聲器的參考信號來(lái)估算回聲通道，并從近端擴音器信號中去除回聲。
自適應濾波器的設計與調節是回聲消除性能的決定性因素。濾波器通常使用音頻信號已知的特性來(lái)計算回聲估值，并就此調節濾波器的參數，以盡可能減小誤差。我們通常用歸一化最小均方 (NLMS) 算法來(lái)更新濾波器系數，以此來(lái)消除回聲。該算法可最小化消除器的均方誤差，該誤差為殘余回聲。自適應通常根據信號功率加以歸一，以獨立于信號電平。
我們在大多數情況下都能以足夠的準確度進(jìn)行上述計算，以降低可感覺(jué)到的回聲。問(wèn)題在于，算法能否發(fā)揮作用，取決于揚聲器與擴音器之間的回聲路徑的穩定性。只要電話(huà)附近出現阻礙聲音傳遞的物體（比方說(shuō)把手里的電話(huà)放到桌面上，觸摸鍵區，把紙張蓋在揚聲器上），或當擴音器到揚聲器的距離變動(dòng)時(shí)（帶線(xiàn)話(huà)筒放回原位），回聲路徑就會(huì )發(fā)生變化。當路徑變化時(shí)，算法就要根據新的回聲路徑進(jìn)行調整，這就會(huì )出現延遲。在自適應延遲過(guò)程中，回聲就會(huì )在近端信號路徑上傳輸。
在設計回聲消除器時(shí)，了解這種器件的工作環(huán)境十分重要。擴音器與揚聲器是否處于固定位置？位置變動(dòng)是否會(huì )對正常工作產(chǎn)生影響？器件工作環(huán)境允許的最長(cháng)回聲路徑是多少？預計噪聲有多大？噪聲是否會(huì )發(fā)生變化（比如在汽車(chē)環(huán)境中）？設備音量應有多大？揚聲器與擴音器間的回聲返回損耗多大？近端通話(huà)人的講話(huà)音量與擴音器端的回聲相比應有多大？只有回答了上述問(wèn)題，才能設計出可根據已知環(huán)境進(jìn)行調整的最佳傳統回聲消除器。不過(guò)，當環(huán)境改變時(shí)，濾波器系數還在適應新的回聲通道，我們就已經(jīng)聽(tīng)到回聲了。根據初始參數設置的不同，適應過(guò)程需要 5 到 10 秒的時(shí)間。
除了回聲影響近端信號質(zhì)量的問(wèn)題外，背景噪聲也會(huì )造成不良影響。針對這一問(wèn)題的解決方案就是采用噪聲消除器。典型的噪聲消除器獨立于回聲消除器工作，任何干擾問(wèn)題都可忽略不計。與回聲消除器不同，噪聲消除器沒(méi)有參考信號作為依據。它必須對噪聲進(jìn)行估測，并將其從揚聲器信號中消除，要么就只能估測語(yǔ)音。不管怎么說(shuō)，上述兩種情況下都應瞄準噪聲，以盡可能提高性能。結合使用噪聲消除器與 AEC 的控制信號，我們能實(shí)現更準確的語(yǔ)音活動(dòng)檢測環(huán)境，提高整合效果。如果沒(méi)有上述相互作用，系統可能會(huì )把語(yǔ)音信號當作噪聲而誤消除。
新方法提高了集成度

圖3：新方法將回聲與噪聲消除與其它音頻處理技術(shù)相集成