音響系統回波抵消研究

摘要：針對音響系統在室內產(chǎn)生的回波干擾，采用基于頻域回波抵消算法，結合DSP芯片TMS320VC5416硬件的處理方法，設計了RS232串口通訊的人機界面控制程序，從而有效地消除了干擾噪音。該方法可用于多種音頻設備、會(huì )議系統，以抵消回波產(chǎn)生的干擾。
關(guān)鍵詞：音響系統；回波抵消；頻域；干擾

0 引言
在許多音頻設備(如視頻會(huì )議系統)中，揚聲器播放出來(lái)的聲音被麥克風(fēng)拾取后要發(fā)回遠端，使得遠端談話(huà)者能聽(tīng)到自己的聲音(經(jīng)一個(gè)聲路徑延遲的聲音)，從而干擾語(yǔ)音傳輸，稱(chēng)為聲學(xué)回波。
聲學(xué)回波抵消器(Acoustic Echo cancellor，AEC)，是對揚聲器信號與由它產(chǎn)生的多路徑回波的相關(guān)性為基礎建立的遠端信號語(yǔ)音模型。利用它可對回波進(jìn)行估計，并不斷地修改濾波器的系數，使得估計值更加逼近真實(shí)的回波；然后再將回波估計值從話(huà)筒的輸入信號中減去，從而達到消除回波的目的。AEC還會(huì )將話(huà)筒的輸入與揚聲器過(guò)去的值相比較，從而消除延長(cháng)延遲的多次反射的聲學(xué)回波。根椐存儲器存放的過(guò)去的揚聲器輸出值的大小，通過(guò)AEC可以消除各種延遲的回波。

1 回波抵消算法
聲學(xué)回波抵消算法(簡(jiǎn)稱(chēng)AEC算法)采用一種成熟的商用頻域算法模塊，由美國的SPIRIT Corp設計，遵循國際電信聯(lián)盟(IUT)G.167標準，可用來(lái)去除由揚聲器到麥克風(fēng)的聲音反饋所引起的回波，用戶(hù)可設的最大回波路徑延遲達508 ms，該算法的原理框圖如圖1所示。

圖1中的CNG(Comfort noise generator)為舒適噪聲產(chǎn)生器，DT(Double talk)detector為雙端回話(huà)檢測器，ERL(Echoreturn loss)為回聲傳播損失，NLP(Non-linear processor)為非線(xiàn)性處理器，NS(Noise suppressor)為噪聲抑制器，Tonedetector為音調檢測器，Sub-band adaptive subtractors為子帶自適應減法器，Sub-band noise suppressor為子帶噪聲抑制器，Anti-howling control為抗嘯叫控制單元，Convergence monitor為算法收斂檢測器。Feinput為遠端參考信號輸入，Feoutput為經(jīng)過(guò)AEC算法處理后的近端參考信號輸出，稱(chēng)為接收回路：Neinput為回波信號與近端語(yǔ)音的混合信號，Neoutput為去除回波的近端語(yǔ)音信號，稱(chēng)為發(fā)送回路。
在A(yíng)EC開(kāi)始處理時(shí)，采用半雙工方式可以避免AEC算法收斂時(shí)殘余回波被聽(tīng)到，收斂監控器用于跟蹤當前回波返回損失并檢測收斂。一旦收斂AEC轉向全雙工方式，而且因為它對背景噪聲和回波路徑改變，非線(xiàn)性失真都非常強，所以不會(huì )再轉向半雙工方式，這樣就能保證在任何條件下的全雙工通訊。因為其子帶結構，AEC僅處理32個(gè)輸入緩沖區的樣本，并在內部有96個(gè)樣本的延遲。
AEC具有強大雙端會(huì )話(huà)檢測器，因而允許AEC算法在本地語(yǔ)音存在的條件下收斂，并且在雙端會(huì )話(huà)期間不會(huì )帶來(lái)殘余回波增大。雙端會(huì )話(huà)檢測器可以在信噪比大于6 dB的噪聲條件下工作，雙端會(huì )話(huà)檢測器可控制自適應濾波器、NLP和CNG，以防止它們不收斂。當雙端會(huì )話(huà)開(kāi)始被檢測到后，發(fā)送回路中的NLP關(guān)閉，并以確定速度逐漸增加其傳輸增益，直到達到其最大值1(16位時(shí)為32 767)。當雙端會(huì )話(huà)結束被檢測到時(shí)，NLP打開(kāi)并逐漸降低其增益，直到定義的最小值，這樣就增加了回波抵消。
發(fā)送回路和接收回路中的NLP在半雙工模式下都支持開(kāi)關(guān)切換。CNG在NLP打開(kāi)時(shí)工作產(chǎn)生與背景噪聲幅度相適應的適度噪聲，但其幅度小于設定的最大值。AEC具有內部音調檢測器，可以防止AEC收斂在如撥號音或振鈴音的正弦信號，這種收斂可能造成AEC運行錯誤。特別是在A(yíng)EC收斂在這類(lèi)信號的開(kāi)始處，這一點(diǎn)對免提電話(huà)特別有用。AEC還具有抗嘯叫控制單元，可用來(lái)避免因為聲音在麥克風(fēng)和揚聲器問(wèn)反饋引起的嘯叫(Larsen效應)，這種情況只有在遠端和近端運行在全雙工模式下才會(huì )發(fā)生。

2 回波抵消器硬件構成
本文的回波抵消器硬件平臺主要基于TI公司TMS320VC5416高性能DSP芯片來(lái)進(jìn)行設計，其硬件平臺結構如圖2所示。