基于DSP的音頻會(huì )議信號合成算法研究

　　隨著(zhù)在數字信號處理(DSP)算法和芯片處理能力以及通信網(wǎng)絡(luò )結構優(yōu)化等方面的不斷發(fā)展，現代化通信已經(jīng)迅速普及。音頻會(huì )議是眾多通信系統的必備功能。有多個(gè)用戶(hù)參與的音頻會(huì )議，最簡(jiǎn)單的模式可以使用令牌控制下的互斥模式，使只有擁有發(fā)言權的那個(gè)與會(huì )者才可以講話(huà)。在這種模式下，每個(gè)與會(huì )者某一時(shí)刻只能聽(tīng)到一路音頻信號，這種“半雙工”模式對于音頻會(huì )議是不方便和不實(shí)際的。

　　真正的電話(huà)會(huì )議應當仿真多個(gè)與會(huì )者在一個(gè)會(huì )議室進(jìn)行對話(huà)的情形。但是由于與會(huì )終端在物理上并不在一起，而每個(gè)終端只有一套音頻輸出設備(功放+音箱)，要同時(shí)傳送給每個(gè)終端的音頻流也只能使用一路信道。為使每個(gè)終端同時(shí)接收多個(gè)與會(huì )者的聲音，必須采取多路音頻合成方案。電話(huà)會(huì )議的特點(diǎn)是會(huì )場(chǎng)使用麥克風(fēng)和揚聲器，這種方式很容易造成回波干擾和嘯叫。一般會(huì )議信號處理算法主要關(guān)注的也是這個(gè)方面，通常采用回波抵消的方法。但是這種方式對于會(huì )議信號的處理并不是最完善和有效的[1]。經(jīng)過(guò)研究，采用有無(wú)聲檢測、歸一化定標、自適應回波抵消算法合成技術(shù)則能夠很真實(shí)地實(shí)現會(huì )議仿真效果。

　　1 會(huì )議信號合成實(shí)現方案

　　1.1 會(huì )議信號合成的合理性和必要性

　　音頻流不象典型的視頻流一樣在空間/時(shí)間域占有惟一的位置，在同一時(shí)間和位置的信號元素疊加是沒(méi)有任何意義的。但人耳可以感知在同一空間/時(shí)間播放多個(gè)音頻流。這就是會(huì )議信號合成的合理性和必要性。通過(guò)會(huì )議信號的合成，將多路音頻流的輸入經(jīng)過(guò)處理后，提供一個(gè)單輸出信道輸出合成音頻。

　　1.2 會(huì )議信號合成的關(guān)鍵因素

　　當多個(gè)音頻源在一個(gè)空間播放時(shí)，人耳聽(tīng)到的聲波是各個(gè)聲源聲波的線(xiàn)性疊加，這正是模擬音頻信號合成的基礎。該事實(shí)表明數字化后的語(yǔ)音進(jìn)行合成也應當使用線(xiàn)性疊加的方式。假設有n路輸入音頻流進(jìn)行混音，Xi(t)是t時(shí)刻的第i路輸入語(yǔ)音的線(xiàn)性樣本，則t時(shí)刻的混音值為：

　　語(yǔ)音信號是連續的、時(shí)間要求嚴格的一種流媒體信號，它在時(shí)域上具有短時(shí)平穩的特征。對語(yǔ)音信號進(jìn)行處理的一個(gè)基本概念就是對語(yǔ)音信號進(jìn)行采樣，得到的語(yǔ)音樣本以緩沖區為單位進(jìn)行處理，即對語(yǔ)音樣本分幀。語(yǔ)音處理的很多概念都是基于語(yǔ)音幀的，比如有聲/無(wú)聲、能量、自相關(guān)等。語(yǔ)音幀的長(cháng)度一般采用10～20ms。 數字音頻的重要參數是采樣率，各路輸入音頻流合成的前提應當是使用相同的采樣率。

　　隨著(zhù)需要合成的語(yǔ)音信道數量的增加，在不采取任何附加預防措施的情況下，一些并非會(huì )議有效信號(如聲反饋和噪音)就會(huì )累積起來(lái)導致質(zhì)量劣化,讓人無(wú)法接受。特別是由本地擴聲系統產(chǎn)生的電聲反饋引起的回音造成了再生混響，其結果嚴重地影響了語(yǔ)音的清晰度。更為致命的是當聲反饋非常嚴重時(shí)會(huì )產(chǎn)生自激，使整個(gè)通信系統無(wú)法正常工作。所以必須對每個(gè)終端的輸入音頻進(jìn)行有無(wú)聲檢測和聲反饋抑制處理。

　　語(yǔ)音合成時(shí)應注意求和樣本的動(dòng)態(tài)范圍，這引出了歸一化定標問(wèn)題。數字音頻波形理論定義，定標就是檢查某個(gè)選定的幀，找到振幅峰值，并由此調整被選幀整體的音量，以便使允許的振幅值最大，且不會(huì )溢出。語(yǔ)音合成是對數字波形進(jìn)行的一種編輯，尤其需要解決歸一化定標問(wèn)題。

　　2 會(huì )議信號合成關(guān)鍵技術(shù)研究

　　2.1 自適應回波抵消算法

　　數字回波抵消器的理論基礎是自適應濾波器技術(shù)。隨著(zhù)DSP的快速發(fā)展，數字回波抵消器已能很好地在DSP上加以應用。在電話(huà)會(huì )議中產(chǎn)生回波的最主要原因是遠端會(huì )議信號經(jīng)本地揚聲系統在室內產(chǎn)生的聲場(chǎng)回饋至傳聲器引起回音造成的再生混響。

　　回波抵消器必須精確地估計回波路徑特性并快速適應其變化，根據電話(huà)會(huì )議的特點(diǎn)，使用干涉抵消模型是最佳的方式。該模型是一個(gè)具有二個(gè)輸入端的自適應濾波器，如圖1所示。它將本地的傳聲器輸出作為原始信號，而將本地揚聲器的輸入作為參考信號。經(jīng)過(guò)自適應回波抵消處理后，能有效地抑制本地傳聲器的輸出經(jīng)室內聲場(chǎng)饋至傳聲器的電聲反饋(回音)，從而實(shí)現自適應聲反饋(回音)的抵消。

　　回波抵消的核心就是自適應濾波器算法。常見(jiàn)的算法包括SDA算法和LMS算法。由于SDA算法中梯度的計算涉及到矩陣，并不適合實(shí)際應用。通過(guò)其派生的LMS算法簡(jiǎn)單實(shí)用，計算效率高。TI公司的DSP芯片TMS320C54X有專(zhuān)門(mén)的LMS指令用于加速自適應濾波算法。在實(shí)際應用中，還可以在LMS算法的基礎上得到修改濾波器系數的算法：

　　詳細的自適應回波抵消算法計算步驟如下：

　　(1) 采樣值；

　　(2) 根據前一次的計算值和濾波器系數修改算法，進(jìn)行系數調整；

　　(3) 計算遠端估計能量；

　　(4) 進(jìn)行FIR濾波計算, 求得濾波器的輸出y(n)和誤差信號e(n)；

　　(5) 數據輸出；

　　(6) 跳轉到第一步。