TIDSKplusBoard在房間聲回授通道特性測量中的應用

摘要：介紹一種新的測量房間聲回授通道特性的實(shí)驗方法。用TI（Texas Instruments）公司提供的DSKplus Board開(kāi)發(fā)套件，實(shí)現數據的回時(shí)發(fā)送和采集，并把采集的數據送入主機保存，以備主機進(jìn)行房間聲回波通道特性的分析計算。

關(guān)鍵詞：聲回波對消 DSP芯征 聲回授通道特性

為滿(mǎn)足電視電話(huà)電話(huà)會(huì )議、車(chē)載免提電話(huà)、熱線(xiàn)電話(huà)等高質(zhì)量話(huà)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，公認最有效的回改朝換聲抑制方法是采用自適應回聲對消。在回波對消的研究過(guò)程中，必須有效模擬出講話(huà)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(kāi)發(fā)的廉價(jià)的DSKplus套件，采用白噪聲激勵和譜估計的方法進(jìn)行房間聲回授系統的離線(xiàn)辨識，并取得了良好的實(shí)驗結果。

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應用開(kāi)發(fā)板，本開(kāi)發(fā)板中DSP芯片采用TMS320C542。TMS320C542是一種改進(jìn)哈佛結構、運算速度可達40MIPS的定點(diǎn)DSP。它具有一個(gè)程序存儲器總線(xiàn)，三個(gè)數據存儲器總線(xiàn)，17×17位乘法器，一個(gè)供非流水線(xiàn)MAC（乘法/加法）使用的專(zhuān)用加法器，一個(gè)比較、選擇、存儲單元（Viterbi加速器）。其片內集成有10K字節的DRAM，2K字節的引導ROM。其外圍設備包括有：與主機進(jìn)行通信的主機接口HPI（Host Port Interface），與其他設備進(jìn)行通信的時(shí)分復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)完成音頻頻帶內辨率為14位的模-數、數-模轉換，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(guò)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，并可調整輸入輸出增益。TLC320AC01C的最大采樣頻率可達43.2K，模擬輸入增益可達12dB，輸出衰減可達12d B。

DSKplus Board與機通信是利用DSP的HPI進(jìn)行的。在DSP片內有一容量為2K字節的內存區，地址從1000h到17FFh，這片內存區既可以被DPS訪(fǎng)問(wèn)，也可以被主機訪(fǎng)問(wèn)。在DSKplus Board中，DSP的HPI通過(guò)一片GAL22V10與計算機的并口相連，GAL22V10完成計算機并口信號與HPI信號之間的匹配。這樣，主機就可通過(guò)讀寫(xiě)并口的數據端口、狀態(tài)端口、控制端口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)DSP的共享內存區，為主機與DSP之間的數據交換提供了很大方便。

2 系統原理

測試系統原理見(jiàn)圖1。把虛框部分看作系統h(n)，系統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，Rxy(n)為x(n)與y(n)的互相關(guān)函數。對于白噪聲輸入激勵，x(n)的自相關(guān)函數為δ_函數，即：

Rzz(n)= δ(n) (3)

代入式（2），則有：

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

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

3 軟件實(shí)現

整個(gè)系統軟件包括兩部分：DSKplus Board中DSP的運行程序和主機的數據發(fā)送、接收、分析處理程序。

DSP程序采用TI公司提供的代數語(yǔ)言編寫(xiě)，其功能包括：對模擬通道TLC320AC01C進(jìn)行初始化，完成數據的發(fā)送和采集以及與主機之間的數據交換。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。數據的發(fā)送和采集采用中斷方式，由于數據的發(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。每當采集緩沖區（64字節）滿(mǎn)后，就把HPI的控制寄存器HPIC的HINT位置“1”，主機通過(guò)檢測這一位的狀態(tài)來(lái)接收和發(fā)送數據。

由于對數據的分析處理需要耗費大量的時(shí)間，所以主機程序分為兩部分：數據發(fā)送、接收程序和后續處理程序。主機程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)。為了能在1/8k秒內完成發(fā)送兩次16位地址、一次16位數據和讀取一次16位數據，數據速率為64Kbyte/s，加上主機從硬盤(pán)讀取數據和把數據寫(xiě)入硬盤(pán)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，DPS運行在40MHz時(shí)，HPI口的數據傳輸速率可達8Mbyte/s主機并口的數據速率卻達不到上述要求。所以發(fā)送數據時(shí)，應先把數據讀入內存緩沖區，接收數據時(shí)，也應先把數據讀入內存緩沖區，待數據接收完成后，再寫(xiě)入磁盤(pán)，這樣才不會(huì )因來(lái)不及接收而丟失數據。程序流程見(jiàn)圖2。

后續處理程序功能包括：偽隨機序列的產(chǎn)生和沖激響應的分析計算。偽隨機序更的產(chǎn)生采用克努特算法，即線(xiàn)性同余算法：

In+1=(J·In+1)modM (5)

式中，M為序列的最長(cháng)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，但J的最大值受機器字長(cháng)L限制。由式（5）求得的隨機序列In，歸一化后，在（0，1）區間呈均勻分布，再對序列進(jìn)行高斯化，并用“3σ原理”進(jìn)行16位整數化。

由式（4）知，沖激響應的計算，即是對x(n)、y(n)的互相關(guān)函數進(jìn)行估計。事實(shí)上，本文是用有限長(cháng)數據樣本來(lái)估計隨機信號的互相關(guān)函數Rxy(k)，即：

這里，R'xy（k）是Rxy(k)的有偏估計，因為：

這表明，當k接近N時(shí)，R'xy(k)的統計平均與Rxy（k）相差較大。在本文中，當房間沖激響應的有效長(cháng)度遠小于數據樣本長(cháng)度N時(shí)，這種偏差可以忽略。為了加快計算式（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h(n)。但以實(shí)際上h(n)是x(n)和y(n)的線(xiàn)性相關(guān)結果。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(lái)的誤差。為減小矩形數據窗帶來(lái)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)函數的估計方差而引入的h(n)估計方差，在房間設施固定不變的情況下，用不同隨機數種子的隨機序列輸入而求得的h(n)作平均運算，可有效減小h（n）的估計方差。

4 實(shí)驗結果

一次典型的測量數據經(jīng)過(guò)以上處理，得到如圖所示的結果。圖中，直達聲是從場(chǎng)聲器出來(lái)的聲音經(jīng)過(guò)直線(xiàn)路徑直接到達麥克風(fēng)的聲音，混響聲是從揚聲器出來(lái)的聲音經(jīng)過(guò)房間的墻壁、室內物體等多次反射后到達麥克風(fēng)的聲音。在理論上，直達聲的響應應該為零，混響以后的響應也應為零。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，圖中這些響應有較小的起伏?？梢怨烙?，直達聲從揚聲器到麥克風(fēng)之間大約有170個(gè)采樣點(diǎn)，按8k/s采樣紡計算，這段時(shí)間為：

td=170/8000=0.02125s

實(shí)際測量時(shí)，揚聲器與麥克風(fēng)相距7.5m，按空氣中聲波傳輸速率340m/s計算，這段時(shí)間應為0.02206s，由此看出，實(shí)際測量與理論基礎相符。