提高免提通信系統話(huà)音質(zhì)量的設計方案

免提通話(huà)功能已經(jīng)成為大多數桌面電話(huà)以及免提車(chē)載套件的一項標準功能。免提電話(huà)的通信質(zhì)量取決于所使用的技術(shù)，以及塑料外殼的設計。本文將討論一些免提通信系統中采用的技術(shù)以及面臨的設計挑戰，重點(diǎn)討論塑料外殼設計對免提電話(huà)性能的重要影響。

半雙工和全雙工通話(huà)模式

根據實(shí)現免提功能所采用的不同技術(shù)，免提通信電話(huà)的話(huà)音質(zhì)量和性能會(huì )出現很大差別。最簡(jiǎn)單且仍然是最普遍采用的方法是半雙工算法，即在同一通話(huà)時(shí)間只允許一方講話(huà)，而將另一方切斷。在半雙工方式中，只有音量最大的一方能夠被對方聽(tīng)到。

半雙工方式需要不斷根據音量大小來(lái)改變送話(huà)方，因此這種方式會(huì )導致通話(huà)中斷。盡管半雙工算法性能欠佳，但它能夠允許采用質(zhì)量較低的塑料外殼設計。由于在任何特定時(shí)間，通話(huà)都只能在單個(gè)方向上進(jìn)行，該算法可以掩蓋塑料外殼帶來(lái)的缺點(diǎn)，例如失真、過(guò)強的回聲和塑料外殼振動(dòng)引起的噪聲。

對于免提電話(huà)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的性能目標是讓話(huà)音通信更自然。要實(shí)現這一目標的唯一途徑就是采用全雙工算法。全雙工算法不僅可以消除回聲，還支持通話(huà)雙方同時(shí)說(shuō)話(huà)。雖然全雙工算法提供了一種無(wú)需切斷任何一方說(shuō)話(huà)的更自然的通話(huà)方式，但對于回聲路徑上的衰減卻更為敏感。全雙工算法的性能取決于回聲信號的線(xiàn)性度。音頻路徑中存在的非線(xiàn)性信號會(huì )降低話(huà)音質(zhì)量。

大部分免提電話(huà)生產(chǎn)商面臨的最大挑戰是如何將目前的半雙工設計轉換為更高級的全雙工工作模式。在考慮免提電話(huà)總體性能時(shí)，生產(chǎn)商經(jīng)常會(huì )忽略塑料外殼設計的影響。塑料外殼設計的回聲損耗和非線(xiàn)性特征(或失真)是影響聲學(xué)回聲消除功能的兩個(gè)主要因素。

回聲路徑中的增益問(wèn)題

回聲信號是指麥克風(fēng)從揚聲器捕獲的被反射的音頻信號。反射信號包括麥克風(fēng)與揚聲器之間直接聲學(xué)耦合而產(chǎn)生的回聲(即麥克風(fēng)直接從揚聲器捕獲的音頻信號)，以及由房間內的各種表面反射而產(chǎn)生的回聲。免提電話(huà)設計工程師的目標就是要盡量減小回聲，而通過(guò)塑料外殼設計可以部分實(shí)現這一目標。但即使精心設計塑料外殼，也不可能完全消除回聲，因此需要借助聲學(xué)回聲消除器(AEC)。為獲得最佳通話(huà)性能，需利用AEC來(lái)盡量減小回聲信號。

圖1顯示了AEC周?chē)煌脑鲆娣植记闆r。揚聲器和麥克風(fēng)增益衰減器(gain pad)會(huì )影響整個(gè)回聲路徑。揚聲器和麥克風(fēng)放大增益都是必需的，但必須設置在適當的水平，才能獲得較好的回聲消除效果。為優(yōu)化性能，所選擇的AEC必須能夠在不喪失凍結自適應功能(可連續跟蹤回聲路徑中的信號變化)或無(wú)需利用開(kāi)關(guān)衰減性能(不會(huì )退回到半雙工模式)的情況下，最大限度地消除聲學(xué)回聲。

圖1： 采用了聲學(xué)回聲消除器的免提通信系統的組成元件。

目前提供的許多商用器件能夠在不影響通話(huà)性能的情況下消除0dB或6dB的回聲(如圖1中從Rout至Sin這一段)。設計工程師需要保證回聲信號電平(Sin端)比揚聲器音頻信號(Rin端)的高出值，不會(huì )超過(guò)該器件的回聲(0dB或6dB)。揚聲器驅動(dòng)增益、麥克風(fēng)增益以及聲學(xué)耦合共同決定了回聲的大小。為達到最佳免提通話(huà)效果，必須在揚聲器音量大小和麥克風(fēng)靈敏度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，同時(shí)還要維持最大為0dB至6dB的聲學(xué)回聲路徑增益。

揚聲器增益和麥克風(fēng)增益都影響到揚聲器的音量，并且需要仔細調整才能保證麥克風(fēng)信號足夠滿(mǎn)足聲學(xué)回聲消除功能的要求。具體來(lái)說(shuō)，這些增益應當設置為系統允許的最小值，而所有其它增益則應當在回聲路徑以外處理。最大音量應當根據Rout的最大信號(非平均值)來(lái)設定，而麥克風(fēng)增益應當采用最大輸入信號(非平均值)來(lái)設定。如果這些設置值不能提供足夠大的揚聲器音量或麥克風(fēng)靈敏度，那么應當通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上的增益來(lái)補償回聲路徑增益。例如，如果音頻回聲需要降低6dB來(lái)滿(mǎn)足AEC的要求，那么可以將麥克風(fēng)增益降低6dB并將網(wǎng)絡(luò )發(fā)送端增益提高6dB(使總體增益為0dB)。

值得注意的是，在一次呼叫進(jìn)行期間，回聲路徑中的揚聲器驅動(dòng)增益和麥克風(fēng)增益不能動(dòng)態(tài)改變。否則將導致AEC察覺(jué)到回聲路徑的突變并觸發(fā)一次重聚合過(guò)程，從而產(chǎn)生遠端通話(huà)者能聽(tīng)到明顯回聲。任何揚聲器的動(dòng)態(tài)音量控制必須在網(wǎng)絡(luò )接收端增益模塊中完成。

揚聲器和麥克風(fēng)的選擇和布局

通過(guò)盡量增大揚聲器和麥克風(fēng)之間的聲學(xué)隔離可進(jìn)一步提高性能。圖2顯示的是一款針對桌面免提電話(huà)的揚聲器/麥克風(fēng)推薦布局。揚聲器和麥克風(fēng)應當放置在塑料外殼的不同側。此外，麥克風(fēng)與揚聲器應當相互垂直。這樣就能夠把塑料外殼外的聲學(xué)耦合量降到最低。同時(shí)，揚聲器應當封裝在一個(gè)獨立的聲腔內，以減小塑料外殼內的聲學(xué)耦合效應。通過(guò)在揚聲器腔和塑料外殼其余部分之間使用隔音板或其它固體隔離物，都可以實(shí)現這一目標。

圖2：針對桌面免提電話(huà)的麥克風(fēng)和揚聲器布局。

回聲路徑中的失真是導致聲學(xué)回聲消除效果不佳的主要原因之一。一旦回聲信號惡化，AEC就無(wú)法對回聲路徑建模并消除回聲。引起失真的因素很多，包括麥克風(fēng)和揚聲器失真、揚聲器和麥克風(fēng)的放大設計以及塑料外殼設計。

為獲得高質(zhì)量的免提通話(huà)效果，揚聲器的選擇非常重要。揚聲器的質(zhì)量級別通常以最大音量時(shí)10%總諧波失真(THD)的失真率來(lái)表示。對于高質(zhì)量的AEC來(lái)說(shuō)，THD應當小于2%。通常情況下，2% THD出現在大約是最大功率一半的時(shí)候。如果系統設計需要采用功率為1W的揚聲器驅動(dòng)器，那么應當選擇2W或更高功率的揚聲器。

對于大多數應用中使用的駐極體麥克風(fēng)來(lái)說(shuō)，一般沒(méi)有什么大問(wèn)題，因為在整個(gè)工作范圍內其固有的線(xiàn)性度非常不錯。由于全向麥克風(fēng)通常線(xiàn)性度比單向麥克風(fēng)更好，因此一般應選用全向麥克風(fēng)。

揚聲器驅動(dòng)器和麥克風(fēng)放大器的設計

與選擇揚聲器和麥克風(fēng)一樣，在設計揚聲器驅動(dòng)器和麥克風(fēng)放大器時(shí)也必須仔細考慮。當麥克風(fēng)或揚聲器放大器電路出現飽和時(shí)，會(huì )導致整個(gè)系統的飽和，在噪音較大的環(huán)境(例如免提車(chē)載套件和工業(yè)應用)中，這是非常嚴重的問(wèn)題。

在車(chē)載免提通話(huà)套件中，導致麥克風(fēng)飽和的最常見(jiàn)原因是風(fēng)帶來(lái)的噪聲。在麥克風(fēng)上放置海綿片可以阻擋直接氣流，從而大大減少這種情況的發(fā)生。如果室內的聲壓對于麥克風(fēng)來(lái)說(shuō)太大(這種情況很少發(fā)生)，那么可以選擇聲壓級別比額定聲壓更低的麥克風(fēng)。

麥克風(fēng)放大器電路十分容易控制。如果麥克風(fēng)沒(méi)有達到飽和，但模擬數字轉換器(ADC)的輸入過(guò)載，那么必須減小放大器增益。值得注意的是，降低麥克風(fēng)在噪聲環(huán)境中的增益，也會(huì )降低其在較安靜環(huán)境中的動(dòng)態(tài)范圍。通常，動(dòng)態(tài)范圍越大，音頻質(zhì)量就越高。由于在較安靜的環(huán)境中，音頻質(zhì)量的好壞顯而易見(jiàn)，因此音頻質(zhì)量的下降同樣也很容易察覺(jué)到。

麥克風(fēng)放大器電路中的標準自動(dòng)增益控制(AGC)電路不能用來(lái)對不同信號電平進(jìn)行補償。因為AGC位于回聲路徑中，每當AGC改變增益都會(huì )導致回聲路徑的突變，從而出現一段相當長(cháng)的重會(huì )聚時(shí)間。如果可能的話(huà)，應采用能夠改變模擬增益和更新AEC算法的高級AGC器件，從而能在各種噪聲環(huán)境下都獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍。

揚聲器驅動(dòng)器中的消波(clipping)作用也會(huì )嚴重影響AEC性能。在使用中這種狀況十分明顯，并且可由用戶(hù)根據情況做出相應調整。而不太容易注意到的是驅動(dòng)器達到消波時(shí)的非線(xiàn)性效應。設計工程師必須注意保證揚聲器驅動(dòng)器能夠以小于2%的THD為揚聲器提供所需功率。只有這樣才能保證揚聲器和驅動(dòng)器都工作在線(xiàn)性范圍內。如果揚聲器的尺寸和功率是固定的，但又確實(shí)需要更大的音量，那么可以使用具有非線(xiàn)性回聲控制功能的AEC來(lái)補償揚聲器中的非線(xiàn)性效應。

1.非線(xiàn)性回聲控制

揚聲器設計中使用的塑料通常是根據美觀(guān)和質(zhì)地等因素來(lái)選擇的，而較少考慮電氣特性。因此，有時(shí)很難在保證AEC性能所需的適當THD水平(低于2%)下實(shí)現期望的音量。在這種情況下，采用支持非線(xiàn)性回聲控制的AEC將更合適一些。非線(xiàn)性回聲控制會(huì )檢查線(xiàn)性回聲消除器殘留的回聲，并與頻域的參考信號進(jìn)行比較，然后從回聲信號中減去估算出的頻率成份。由此可以看到，盡管雙方同時(shí)通話(huà)時(shí)的性能有了很大改善，但總體性能仍然依賴(lài)于THD(THD越低，性能越高)。

2.塑料外殼設計

塑料外殼的設計可增強或減輕聲學(xué)系統的失真。設計目標是盡量減輕塑料的振動(dòng)以及麥克風(fēng)從其它噪聲源(例如機械開(kāi)關(guān))捕獲的振動(dòng)噪聲。

3.麥克風(fēng)位置

為盡量減小振動(dòng)耦合，麥克風(fēng)應當置于沒(méi)有空氣間隙的橡膠圈內。麥克風(fēng)不應與電路板(用電線(xiàn)與線(xiàn)路板連接)或塑料外殼直接接觸。同時(shí)，麥克風(fēng)不應置于塑料外殼的接縫處。

同時(shí)還必須注意確保任何活動(dòng)部件(如聽(tīng)筒、鍵盤(pán)、鍵鉤)不會(huì )產(chǎn)生能夠被麥克風(fēng)捕獲到的額外失真。通過(guò)采用軟橡膠鍵盤(pán)或觸摸屏軟鍵可以實(shí)現這一點(diǎn)。

4.揚聲器位置

設計工程師不僅需要仔細考慮揚聲器的位置，還要確保揚聲器被正確地安裝在塑料外殼內。此外，盡量減小塑料外殼內的振動(dòng)非常重要。應使用能夠吸收振動(dòng)的材料(例如軟硅膠或海綿膠)將揚聲器固定在塑料外殼上。應當在塑料外殼和揚聲器之間，以及揚聲器安裝墊和揚聲器之間使用此類(lèi)減振材料(見(jiàn)圖3)。

圖3：安裝揚聲器時(shí)，可在塑料外殼和揚聲器之間，以及揚聲器安裝墊和揚聲器之間使用減振材料。

對于許多針對半雙工算法設計的塑料外殼來(lái)說(shuō)，只要在揚聲器和外殼以及安裝墊之間放一塊低成本的橡膠墊就可以大大增強塑料的聲學(xué)性能。

5.均衡器

當必須使用現有設計不佳的塑料外殼時(shí)，可以通過(guò)在揚聲器路徑中使用均衡器來(lái)進(jìn)行補償。例如，圖4顯示了一個(gè)桌面電話(huà)的總諧波失真(THD)與頻率關(guān)系圖。結果數據表明，由于揚聲器在低頻時(shí)頻率響應不好，因此造成低頻頻段失真嚴重。同時(shí)在頻率約420Hz、820Hz及1400Hz處也存在諧振頻率。這些失真點(diǎn)都使得回聲消除器的總體性能下降。

圖4：桌面免提電話(huà)的總諧波失真與頻率關(guān)系圖。

為解決這一問(wèn)題，可以使用一個(gè)均衡器來(lái)對信號進(jìn)行預處理，在信號到達揚聲器前將諧振效應降到最低。一個(gè)大小合適，帶有定位譜線(xiàn)的均衡器能夠對特定頻率的信號進(jìn)行衰減，并削弱諧振峰。這樣可能會(huì )給揚聲器帶來(lái)少量失真。但這種失真在通話(huà)時(shí)通常察覺(jué)不到，并且這也是在采用原有塑料外殼設計和總體AEC性能之間進(jìn)行的合理折衷。

6.AEC調整指南

在調整AEC時(shí)，必須在揚聲器音量和麥克風(fēng)靈敏度之間進(jìn)行適當的折衷。系統設計和塑料外殼設計越好，折衷時(shí)的靈活性就越大(反之亦然)。在開(kāi)始AEC調整前，系統設計人員首先必須確定對于最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)什么是最重要的：是揚聲器音量還是麥克風(fēng)靈敏度。一旦目標確定，就可以按照以下步驟調整AEC：

1) 設定麥克風(fēng)靈敏度，并確保根據目標環(huán)境對設置進(jìn)行調整。麥克風(fēng)增益應當設置為能在輸入信號不會(huì )被消波的情況下提供最大的動(dòng)態(tài)范圍。
2) 將用戶(hù)增益設為0dB，并緩慢提高模擬揚聲器驅動(dòng)器的增益直到AEC無(wú)法完成回聲消除。
3) 如果揚聲器音量太低，則給麥克風(fēng)放大器增加6dB衰減量，并在Sout路徑中加入6dB增益作為補償。請記住，必須調整NLP閾值來(lái)補償這些增益設置。
4) 將揚聲器增益提高6dB。如果揚聲器音量仍然不足夠大，那么重復步驟 3(僅將增益/衰減值改為9dB)。對于小于9dB的增益/衰減設置，都可以使用這一方法。
5) 一旦達到期望的揚聲器音量，就可以通過(guò)調節Sout增益來(lái)調整麥克風(fēng)靈敏度。
6) 如果除了峰值以外，AEC對于大多數信號都工作正常，那么可能是揚聲器或揚聲器驅動(dòng)器引起了某些失真。這可以通過(guò)限制Rout電平來(lái)解決。一個(gè)16位編解碼器的最大PCM值為7FFFh。將這一值減小至3FFFh，則送往揚聲器的輸出信號將不出現峰值，并且由揚聲器和揚聲器驅動(dòng)器引起的失真也會(huì )減輕。

本文小結

雖然語(yǔ)音處理算法決定了聲學(xué)回聲消除器的性能，但回聲和失真兩大因素對于A(yíng)EC的最終性能也有很大影響。要使AEC工作正常，必須盡量減小這兩個(gè)因素的影響。

塑料外殼設計對于A(yíng)EC的性能起到非常重要的作用。塑料外殼通過(guò)產(chǎn)生高級聲學(xué)耦合來(lái)消除回聲。通過(guò)仔細選擇揚聲器和麥克風(fēng)的位置，并增加隔音板或采用隔離的揚聲器腔，可以減小聲學(xué)耦合。

通過(guò)塑料外殼傳導的振動(dòng)也會(huì )引起失真。采用軟墊來(lái)安裝揚聲器和麥克風(fēng)可以減輕振動(dòng)，同時(shí)還有可能改善針對半雙工算法而設計的塑料外殼的聲學(xué)性能。在揚聲器/麥克風(fēng)以及塑料外殼之間增加減振材料，設計工程師就可以采用全雙工算法來(lái)設計。

導致AEC性能下降的另一個(gè)原因是選擇了不合適的揚聲器和揚聲器驅動(dòng)器。揚聲器/驅動(dòng)器的諧波失真必須小于2%，才能確保獲得良好的AEC性能。