基于FM2010芯片的回聲消除裝置的設(shè)計應(yīng)用

目前，QQ視頻、語音通信已經(jīng)成為既省錢又方便的交流方式，但是，利用因特網(wǎng)傳輸語音數(shù)據(jù)雖然提高了資源的利用率，同時也存在一些弊端，比如語音質(zhì)量差。造成這種問題的因素有很多，其中最主要的是網(wǎng)絡(luò)問題和回聲問題。在正常的通話過程中通常伴有回聲，由于回聲的存在，使得對方聽音不清晰，影響通話質(zhì)量[1]。
參考文獻[2]介紹了一種歸一化快速塊最小均方算法(NFBLMS)，相比LMS算法,它不僅可以有效減小運算復(fù)雜度,同時也能改善收斂速度。參考文獻[3]運用了一種新的回聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了非線性諧波處理的線性回聲消除，獲得了很好的回聲消除效果及收斂效果。參考文獻[4]提出了一種全極IIR回聲消除器，該回聲消除器可以應(yīng)用傳統(tǒng)的LMS算法，并得到很好的效果。
1 回聲產(chǎn)生的原理及主要的消除方法
1.1 回聲產(chǎn)生的基本原理
回聲一般可分成電路回聲和聲學(xué)回聲。電路回聲主要由提供商的線路質(zhì)量所致，而聲學(xué)回聲則是由用戶端設(shè)備的質(zhì)量所致。
1.1.1 電路回聲
在傳統(tǒng)電話系統(tǒng)中，存在著一種所謂的“電路回聲”。該回聲產(chǎn)生的主要原因是在系統(tǒng)中存在2-4線的轉(zhuǎn)換。完成2-4轉(zhuǎn)換的混合器因阻抗匹配，造成“泄漏”，從而導(dǎo)致“電路回聲”。
1.1.2 聲學(xué)回聲
因特網(wǎng)語音傳輸中的第二種回聲源是“聲學(xué)回聲”。聲學(xué)回聲是指揚聲器播放出來的聲音被麥克風(fēng)拾取后發(fā)回遠端，這就使得遠端談話者能聽到自己的聲音。聲學(xué)回聲又分為直接回聲和間接回聲。
直接回聲是指揚聲器播放出來的聲音未經(jīng)任何反射直接進入麥克風(fēng)。這種回聲延遲最短，它與遠端說話者的語音能量，揚聲器與話筒之間的距離、角度、揚聲器的播放音量以及話筒的拾取靈敏度等因素相關(guān)。
間接回聲是指揚聲器播放的聲音經(jīng)不同的路徑一次或多次反射后進入麥克風(fēng)所產(chǎn)生的回聲集合。
由于電路回聲主要由供應(yīng)商的線路質(zhì)量所致，其消除也通常由供應(yīng)商解決，故本文主要解決聲學(xué)回聲的消除方式。
1.2 回聲消除方法
回聲消除的原理：假設(shè)需要消除房間 A所能聽到的回聲，把房間A 發(fā)送回路的聲音送入采樣器進行采樣，采樣后這個樣值被送到回聲抑制模型電路進行回聲抑制模型建立，再把這個回聲抑制的模型送入接收回聲的回聲比較器進行比較，最終達到抑制回聲的目的。
常用的回聲消除方法有以下幾種：
(1)本端回聲消除器(以CISCO系統(tǒng)內(nèi)置回聲消除器為代表)：回聲消除電路內(nèi)置在本端通信終端設(shè)備上，為本地會場消除遠端回聲影響。
(2)異端回聲消除器(以ClearOne的回聲消除器為代表)：本地的回聲消除電路是用來消除對端的回聲。
(3)分布式回聲消除：分布式回聲消除是美國Clear-
One公司獨有的專利技術(shù)，有別于單路回聲消除，它在XAP系列產(chǎn)品的每一路麥克輸入都內(nèi)置了回聲消除器，可以更有效、更徹底地消除回聲。
2 FM2010簡介及回聲消除裝置設(shè)計
FM2010是Fortemedia公司推出的一款小引腳低功耗的回音消除器和噪音抑制器。
2.1 FM2010特性及回聲消除原理
FM2010 是集合CODECs、ROM、RAM以及串口的基于DSP技術(shù)的芯片。利用創(chuàng)新的SAM(小型陣列麥克風(fēng))技術(shù)與波束形成能力，其功率消耗僅為25 mW。圓錐形波束形成特性可以在保持用以提高清晰度的聲音質(zhì)量和增加聲音的可辨識度的同時對噪音進行壓制。FM2010的回音消除可達60 dB，非平穩(wěn)噪音抑制可達20 dB，平穩(wěn)噪音抑制為18 dB。每個模擬通道都是8 kHz的采樣率和84 dB的信噪比。為了進一步減少能耗，F(xiàn)M2010使用特定的硬件加速器來降低MIPS的需求以達到25 mW的損耗，并附帶了硬件加速器的聲音處理器[5]。
FM2010使用的是自適應(yīng)回聲抵消原理, 聲學(xué)回聲抵消器的實質(zhì)就是用一個自適應(yīng)橫向濾波器對未知的回聲授通道進行系統(tǒng)辨識，模擬回聲路徑，再通過自適應(yīng)濾波算法的調(diào)整，使其時域沖激響應(yīng)與實際回聲路徑相逼近，從而得到回聲預(yù)測信號，再將預(yù)測信號從麥克風(fēng)接收到的語音信號中減去，即可實現(xiàn)回聲抵消。其原理即為分布式回聲消除方式。具體來說就是FM2010芯片的MIC IN是麥克風(fēng)進入的信號, 即用戶的聲音輸人信號, 其中包含由本機揚聲器漏進去的部分主話端的語音信號。Line IN接入的是主話端的語音信號, 即由本機揚聲器輸出的信號直接接入FM2010的Line IN輸入端。在FM2010內(nèi)部會經(jīng)過DSP芯片的運算處理對兩者進行比較，消除MIC IN信號中與Line IN端相同的信號（即回聲音頻信號），使用自適應(yīng)回聲抵消原理達到消除回聲的目的[6]。
2.2 硬件電路及PCB板設(shè)計
圖1為宏觀硬件架構(gòu)圖(原理圖)。如圖所示，F(xiàn)M2010配有E2PROM。E2PROM的主要作用是存儲初始化信息，保存并傳遞回音消除的參數(shù)。圖中FM2010芯片為回聲消除的主要工作芯片(芯片未接腳為懸空)，并配以相應(yīng)的電源電路，以及麥克風(fēng)的接口電路，從而整體完成消除回聲的功能。

2.3 軟件程序的設(shè)計
圖2所示為軟件架構(gòu)示意圖。FM2010回音消除的軟件開發(fā)需要的幾個步驟為：