采用DSP 免提開(kāi)發(fā)平臺的車(chē)載信號處理與音頻系統

　　回聲消除(AEC)可實(shí)現汽車(chē)內舒適的全雙工免提通話(huà)，本文介紹的Clarity CVC-HFK 可提供集成的單擴音器解決方案(OMS)噪聲抑制算法，它支持自適應噪聲消除功能，可降低麥克風(fēng)(傳入)信號中的環(huán)境噪聲，并提取所需的語(yǔ)音，還可向遠端用戶(hù)傳輸清晰的話(huà)音(傳出)。

　　兩個(gè)因素決定了使用免提蜂窩電話(huà)系統的必要性，首先是由于目前的蜂窩電話(huà)系統的終端多為手持的，這就給司機造成了不便。司機常常要放下手機兩只手駕駛，如轉彎等，然后在轉回談話(huà)。電話(huà)交談的中斷很不方便，甚至還會(huì )造成經(jīng)濟成本損失，因為移動(dòng)電信收費相當高。再一個(gè)重要因素就是安全性。不妨設想一下只用一只手操縱方向盤(pán)、打著(zhù)手機的司機。既然司機不能雙手操縱方向盤(pán)，那么再要什么防抱死系統和氣囊就顯得毫無(wú)意義了。因此，免提蜂窩電話(huà)系統正成為使用移動(dòng)電話(huà)的司機的必備品。

 
圖1：免提套件開(kāi)發(fā)平臺結構

　　HFK 開(kāi)發(fā)平臺

　　HFK 開(kāi)發(fā)平臺是一套包含DSP 在內的解決方案，提供了軟硬件設計，可實(shí)現最終產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)，并使其獨樹(shù)一幟。HFK 開(kāi)發(fā)平臺可通過(guò)JTAG 實(shí)現與TI 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Code Composer StudioTM(CCStudio)開(kāi)發(fā)工具相連接。該開(kāi)發(fā)環(huán)境與文檔相結合可實(shí)現TI DSP 第三方軟件的快速集成，并能加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程。HFK 開(kāi)發(fā)平臺適用于對成本及性能都要求很高的高質(zhì)量汽車(chē)后市場(chǎng)免提套件，也適用于具備藍牙功能的HFK。詳細信息及相關(guān)

　　文檔，可參見(jiàn)如下鏈接　　
　　www.focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/tmdshfk5407.html

　　用于免提系統的回聲消除軟件

　　就車(chē)載免提廣播/電話(huà)系統而言，一個(gè)缺點(diǎn)就是會(huì )感到遠端揚聲器有回聲。要在車(chē)內營(yíng)造一個(gè)舒適的全雙工免提通話(huà)環(huán)境，最重要的軟件環(huán)節就是回聲消除器(AEC)。歐洲電信標準學(xué)院(ETSI)目前正在制定有關(guān)AEC 系統的標準。

　　回聲現象是由揚聲器與麥克風(fēng)之間耦合造成的。在全雙工通信中，遠端揚聲器聽(tīng)到自己的聲音會(huì )有延遲，延遲的長(cháng)短取決于汽車(chē)內部與全球移動(dòng)通信系統(GSM)的延遲?；芈暵窂介L(cháng)度是AEC 的關(guān)鍵參數。

 
圖2：CVC-HFK 應用圖示。

　　自適應濾波(更準確的說(shuō)法是NLMS 算法)是針對AEC 最常見(jiàn)的解決方案之一。NLMS 算法在計算量與性能之間實(shí)現了較好的折中。

　　和AEC 有關(guān)的其他問(wèn)題是兩人同時(shí)講話(huà)的模糊音(DT)情況。如果沒(méi)有檢測到的話(huà)，DT 會(huì )造成自適應算法的發(fā)散。

　　AEC 軟件利用NLMS 算法來(lái)消除回聲，是通過(guò)C54x DSP 匯編程序來(lái)執行的。

　　1. NLMS算法

　　NLMS 算法可更新自適應有限脈沖響應(FIR)濾波器的系數，該濾波器用于預測回聲，隨后我們從實(shí)際回聲中減去預測值，就可給出殘留回聲。

　　2. 活動(dòng)通道檢測

　　AEC 算法的一個(gè)關(guān)鍵特性就是活動(dòng)通道檢測。在遠端操作者靜默而近端操作者講話(huà)時(shí)，由于近端操作者不再是回聲，所以濾波器不用進(jìn)行適配，通過(guò)計算信號能量，并將該能量與自適應閾值進(jìn)行比較，可實(shí)現活動(dòng)通道的檢測。

　　3. 模糊音(DT)檢測

　　在DT 情況下，擴音器上的近端信號包括回聲與近端話(huà)音(即模糊音)。用于更新濾波器系數的殘留誤差包括近端講話(huà)，而如果算法仍在進(jìn)行自適應，則算法可能開(kāi)始發(fā)散，必須避免這種情況。DT 檢測使用基于能量的算法，并配合一個(gè)變量閾值來(lái)解決此問(wèn)題。

　　4. 基準

　　AEC 軟件的基準(以16 位字表示)為：代碼大?。?54 字；靜態(tài)RAM：527 字；擦寫(xiě)RAM：2 字；最大計算時(shí)成本為4.7MIPS。計算消耗在ST 時(shí)期最大，在DT 時(shí)期降至2.4MIPS。ST 時(shí)期占通話(huà)的主要部分，而DT時(shí)期則僅在較短的個(gè)別情況下出現。

　　CVC-HFK 軟件

　　CVC-HFK( 清晰語(yǔ)音捕捉—— 免提套件)集成了回聲消除、噪聲抑制、非線(xiàn)性處理等功能，是一套優(yōu)化的HFK 解決方案。CVC-HFK 解決方案使用全面的自適應子帶方法來(lái)改善主要方面的性能，同時(shí)僅占用很少的資源。在汽車(chē)環(huán)境中，環(huán)境噪聲是免提系統要克服的主要問(wèn)題。因此，除了回聲消除功能外，Clarity CVC-HFK 還提供了集成的單麥克風(fēng)解決方案(OMS) 噪聲抑制算法。OMS 解決方案支持自適應噪聲消除功能，其可削弱麥克風(fēng)信號(傳入)中的環(huán)境噪聲，提取所需的語(yǔ)音，并將干凈的話(huà)音(傳出)傳輸至遠端用戶(hù)。由于CVC-HFK 是完全自適應的，因此不再需要過(guò)多調節。下面，我們將簡(jiǎn)介CVC-HFK 解決方案及其主要方面的性能。

　　1. CVC-HFK AEC

　　CVC-HFK 回聲消除器是“無(wú)狀態(tài)”AEC，其采用標準頻率域NLMS 算法的一個(gè)變體作為其主要的自適應濾波器。我們將在下面說(shuō)明采用這些方法的好處。首先，子帶頻率域方法可取消關(guān)聯(lián)或白化每個(gè)帶中的輸入信號，同相當時(shí)間域的AEC 相比它可實(shí)現更快的收斂。第二，無(wú)狀態(tài)AEC 可實(shí)現連續的濾波器適應，這可改善噪聲環(huán)境中的魯棒性和整體模糊音性能。前面講過(guò)在DT 情況下麥克風(fēng)信號中既包含回聲又包含近端話(huà)音。近端話(huà)音不與回聲信號相關(guān)聯(lián)，如果沒(méi)有進(jìn)程避免它的話(huà)就會(huì )造成自適應濾波器的發(fā)散。第三，NLMS 可實(shí)現獨立于輸入振幅的一致收斂。正由于此，CVC-HFK AEC 可獲得典型的40dB ERLE(回聲返回損耗增益值)，最大可達50dB ERLE，并可實(shí)現80ms 左右的快速收斂時(shí)間，且在大多數環(huán)境下可進(jìn)行全雙工操作。此外，CVC-HFK AEC 為其自適應濾波器采用了64ms 的尾長(cháng)，這就在內部容量方面實(shí)現了更大的靈活性。

　　2. CVC-HFK NS( 噪聲抑制器)

　　CVC-HFK 噪聲抑制器是一種利用話(huà)音與噪聲特性來(lái)幫助從合成噪聲及話(huà)音信號中提取話(huà)音的頻率域算法。CVC-HFK NS 的兩大主要模塊是語(yǔ)音構成分析與語(yǔ)音提取。

　　語(yǔ)音成份分析模塊采用話(huà)音與噪聲的暫時(shí)與相關(guān)屬性來(lái)構建話(huà)音構成的可預測模型。語(yǔ)音提取塊可根據語(yǔ)音與噪聲模型修改各頻率成份。此外，語(yǔ)音提取塊還可充分利用音質(zhì)原理最小化噪聲底限與感覺(jué)的語(yǔ)音失真。

　　CVC-HFK NS 采用該方案可在噪聲環(huán)境中實(shí)現10-15dB SNR( 信噪比)的改善，同時(shí)還能保持較好的語(yǔ)音質(zhì)量。在SNR 已經(jīng)足夠高的極低噪聲環(huán)境中，因為已關(guān)閉了NS，不會(huì )發(fā)生語(yǔ)音失真。

　　3. CVC-HFK NLP( 非線(xiàn)性處理)

　　由于系統失真增加，因而CVC-HFK NLP 最小。由CVC-HFK NLP 增加的失真量比諸如中心削波器等標準NLP 模塊要低得多，因為其使用來(lái)自輸入與誤差信號的信息來(lái)確定額外的衰減。由于所有的CVC-HFK 模塊均使用頻率域算法，因而與既使用時(shí)間域又使用頻率域算法的解決方案相比，可以顯著(zhù)節約內存，并簡(jiǎn)化計算復雜性。

　　系統集成設計

　　在將TI-HFK 板與蜂窩免提套件相集成時(shí)，要實(shí)現良好的移動(dòng)呼叫還需要數個(gè)組件與適當的接口。

　　您必須選擇可與CVC-HFK 應用軟件和板卡硬件同時(shí)兼容的組件，才能獲得良好的性能。HFK 可支持各種不同的擴音器、擴音揚聲器以及車(chē)載音響系統。但是，為了減少對應用手冊的變更，我們已選擇了專(zhuān)用的業(yè)界標準組件，這會(huì )為您的成功調整帶來(lái)很大幫助。從TI-HFK 板到蜂窩套件需要三個(gè)連接才能實(shí)現集成：擴音器輸入TI HFK 板；傳出、已處理過(guò)的音頻輸出；輸入、從蜂窩套件接收進(jìn)來(lái)的信號。

　　下面給出擴音揚聲器與擴音器放置設計的幾點(diǎn)建議。

　　1. 擴音器的位置和定向為實(shí)現最佳的總體麥克風(fēng)性能，在最后將設備安裝到汽車(chē)內之前應了解一些關(guān)鍵的變量。建議保持擴音器和車(chē)內用戶(hù)口腔之間的距離為46cm(18 英寸)。建議距離范圍從30 至56cm(12–22 英寸)。
 
　　2. 盡可能避免擴音器暴露于氣流(窗戶(hù)和風(fēng)扇)；

　　3. 適當考慮擴音器大小和安裝方案，使擴音器前部可對準車(chē)內用戶(hù)的口腔?；谝陨峡紤]，在圖3 的幫助下，您可以選擇最佳的擴音器位置。首先，請遵循優(yōu)先考慮區域1、2 和3 中的建議。一旦做出決定，您就可用金屬板或維可牢尼龍帶固定擴音器，可將線(xiàn)纜連接回電子設備處以端接。隨后應保證線(xiàn)纜的隱蔽性，保持美觀(guān)，此外還要保持線(xiàn)纜固定，不會(huì )被擠壓或打結。最后，應避免并行線(xiàn)纜與天線(xiàn)接頭和其它帶噪聲的線(xiàn)纜相連接。
 
　　4. 揚聲器位置建議在適當位置安裝揚聲器，以便提供良好的語(yǔ)音性能，同時(shí)不干擾擴音器拾波區域。拾波區域為+30 度錐形體，從擴音器正面起，向外突出至汽車(chē)駕駛人員。
 

圖3：揚聲器的放置

　　揚聲器應位于距麥克風(fēng)至少1 米處(3 英尺)。揚聲器應遠離麥克風(fēng)的拾波區域，以減少回聲反饋的幾率。理想情況下，揚聲器應位于擴音器正面方向之后或成90 度。揚聲器的聲音失真大小會(huì )對回聲造成直接的負面影響。

本文小結

　　免提系統的使用不斷普及，用戶(hù)也期待著(zhù)性能會(huì )不斷提高。鑒于HFK 實(shí)施存在多種可用選擇，顯而易見(jiàn)，把軟件算法和硬件信號處理器集成是一項周到的舉措，這將非常有利。HFK 開(kāi)發(fā)套件可以應付上述所有問(wèn)題，并給開(kāi)發(fā)或銷(xiāo)售上述產(chǎn)品的人員帶來(lái)益處。帶有AEC 與CVC-HFK 的TI TMS320C5407 開(kāi)發(fā)套件可提供所需的靈活性和高性能，并可快速而廉價(jià)地將HFK 解決方案推向市場(chǎng)。

參考文獻

《德州儀器車(chē)載免提聽(tīng)筒套件開(kāi)發(fā)平臺用戶(hù)指南》，2003 年9 月；

《車(chē)載免提聽(tīng)筒套件 (HFK) 開(kāi)發(fā)平臺產(chǎn)品簡(jiǎn)報》，2004 年6 月；

《適用于車(chē)載免提聽(tīng)筒無(wú)線(xiàn)系統的回聲消除軟件》，1997 年7 月；
 
Vartanian spra998 《清晰語(yǔ)音捕獲的實(shí)施—— TI TMS320VC5407 上的車(chē)載免提聽(tīng)筒套件》，2004 年2 月。