陣列式麥克風(fēng)在電視機上的應(yīng)用

　　陣列式麥克風(fēng)在電視上的應(yīng)用

　　目前，陣列式麥克風(fēng)的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，在人的語音收音距離要求不是很遠，而且空間不大，收音范圍較窄的情況下，陣列式麥克風(fēng)已經(jīng)被大量應(yīng)用，如筆記本電腦、車載藍牙設(shè)備等等。同樣，陣列式麥克風(fēng)也可以應(yīng)用在電視機上，使得用戶可以無拘無束地與遠方的家人、朋友等進行聊天交流(圖1)。

　　當(dāng)陣列式麥克風(fēng)在電視機上應(yīng)用時，需要更加遠的收音距離，需要更加寬的收音范圍，而這些問題都可以比較容易解決，但是回聲的問題則變得更為突出。因為電視機是家庭的娛樂中心，所以電視機的揚聲器音量輸出也許會比較大，而麥克風(fēng)大部分都是設(shè)計在電視機上，遠端說話的聲音從揚聲器出來，很容易被麥克風(fēng)重新拾取，再傳送到原說話者的那邊，嚴重一些的情況，還可能形成自激。

　　在電視聊天過程中，如果存在回聲，會導(dǎo)致說話的人感覺不舒服;而且語音疊加，導(dǎo)致語音不清晰，所以要盡量消除回聲。電視機的使用場合、環(huán)境各不相同，比如說揚聲器的音量大小差異很大，空間的布置差異也很大等，這些都是與回聲直接相關(guān)的因素，而且這些因素都為不可控，不可預(yù)估的因素。為了解決在電視機上應(yīng)用陣列式麥克風(fēng)，可能會產(chǎn)生的回聲問題，需要在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計自適應(yīng)濾波器。自適應(yīng)濾波器的基本思想是估計回音路徑的特征參數(shù)，產(chǎn)生一個模擬的回音路徑，得出模擬的回音信號。然后接收信號中減去這個自適應(yīng)濾波器模擬出來的回音信號，實現(xiàn)回音抵消。

　　自適應(yīng)濾波器的架構(gòu)如圖2。圖中所示的濾波器的輸入是x(n)={x(n),x(x-1),?x(n-N+1)}T，濾波器的權(quán)系數(shù)是h(n)={h1(n)，h2(n)，?hN (n)}T，d(n)為期望輸出信號，d^(n)為濾波器的實際輸出，也稱估計值。e(n)為誤差，e(n)=d(n)-d^(n)。由誤差經(jīng)過自適應(yīng)算法，來調(diào)整濾波系數(shù)，使得濾波實際輸出接近期望輸出的信號。

　　在實際的電視中的應(yīng)用原理框圖見圖3。圖中f(n)代表來自遠方的語音信號;r1(n)為f(n)從揚聲器出來，經(jīng)過不同的回聲通道所產(chǎn)生的回聲集合，并被陣列式麥克風(fēng)收音;s(n)為本地用戶說話的語音信號;r(n)為自適應(yīng)濾波器對f(n)進行了預(yù)處理，估算f(n)信號所產(chǎn)生的回音，其動態(tài)估算值為r(n)。那么通過計算，本地用戶所傳送出去的聲音信號應(yīng)該為u(n)=y(n)-r(n)=s(n)+r1(n)-r(n)。在理想的狀態(tài)下，如果自適應(yīng)濾波器所產(chǎn)生的回聲估算值r(n)等于實際的回聲集合r1(n)，即r1(n)-r(n)=0，那么回聲將被剛好完全消除。

　　由于用戶的使用環(huán)境差異非常大，單獨靠自適應(yīng)濾波器內(nèi)部的算法，動態(tài)修改濾波器的權(quán)系數(shù)，很難使得輸出的r(n)=r1(n)。所以如果自適應(yīng)濾波器在DSP內(nèi)部動態(tài)修正權(quán)系數(shù)的同時，把電視機使用的環(huán)境因素考慮進去，充分分析回聲的通道的各種情況，結(jié)合“內(nèi)外”的因素，來動態(tài)修正濾波器的權(quán)系數(shù)，這樣將會使得r(n)更加接近于實際的r1(n)，從而更地的消除回聲。帶有內(nèi)部校準(zhǔn)信號的系統(tǒng)框圖如圖4。

　　其中最主要是增加了一個內(nèi)部校準(zhǔn)單元，內(nèi)部存儲有一些特定的音頻測試信號Fn。人聲所包括的頻率主要從300~3400Hz之間，所以內(nèi)部的測試信號Fn從這個頻率區(qū)間進行取樣即可，如Fn=300Hz、400Hz、500Hz等等，以此類推。其邏輯思路見圖5。

　　舉例說明：當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)在聊天過程中回聲較大，可以人為通過遙控器的按鍵或者鍵控板上的按鍵等方式來發(fā)出校準(zhǔn)指令。此時，內(nèi)部校準(zhǔn)單元會逐一發(fā)出相關(guān)的測試信號Fn，測試信號通過主信道，通過功放，從揚聲器發(fā)出聲音，聲音再通過不同的回聲通道，被陣列式麥克風(fēng)拾取，回送到內(nèi)部校準(zhǔn)單元。由于測試信號為固有的信號，內(nèi)部校準(zhǔn)單元可以準(zhǔn)確對比測試信號和回聲之間的差異，考慮與環(huán)境相關(guān)的回聲因素，產(chǎn)生新校正因子γ。

　　校正因子γ送到自適應(yīng)濾波器，讓自適應(yīng)濾波器修正濾波器的權(quán)系數(shù)，這個權(quán)系數(shù)可以說在一定程度上考慮了外部的環(huán)境對回聲的影響因素，所以自適應(yīng)濾波器所產(chǎn)生的r(n)將更加接近r1(n)，從而可以更好的消除回聲。

　　小結(jié)

　　可以預(yù)見，聊天功能將會成為未來電視機的主要功能之一，而在電視機中應(yīng)用陣列式麥克風(fēng)，可以擺脫對傳統(tǒng)形式麥克風(fēng)的依賴，給用戶帶來較好的體驗感受;而加強對回聲的消除處理，是陣列式麥克風(fēng)得以在電視機上廣泛應(yīng)用的保證。