動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，提高回聲與噪聲消除性能

移動手持終端、無線網(wǎng)絡(luò)、免提設(shè)備及其它移動通信系統(tǒng)的語音質(zhì)量是建立消費者偏好的關(guān)鍵因素。回聲和噪聲是無線通信固有的毛病。我們需要信號處理技術(shù)來解決語音質(zhì)量問題，確保提供能被市場接受的高質(zhì)量音頻輸出。傳統(tǒng)方法是在近端或傳輸路徑上采用獨立的回聲和噪聲消除模塊，這種方法在周邊條件不變的情況下表現(xiàn)出色，但如果周圍環(huán)境發(fā)生了變化，如出現(xiàn)開門或較大的噪聲，那么音頻系統(tǒng)會很難適應(yīng)變化，且音頻性能也會下降。
新方法則集回聲消除、噪聲抑制及其它音響增強技術(shù)于一體，能夠根據(jù)環(huán)境變化更快地動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。在大多數(shù)情況下，消費者還沒發(fā)現(xiàn)音質(zhì)出現(xiàn)問題之前，我們就能完成調(diào)節(jié)。同樣，這種新方法實現(xiàn)了更高的集成度，能解決較大的噪聲和回聲問題，從而能夠?qū)崿F(xiàn)聽起來非常自然的全雙工語音通話。
回聲和噪聲消除技術(shù)的巨大進步來得非常及時，因為美國許多州都制定了相關(guān)法規(guī)，全面或部分地禁止駕駛?cè)藛T在駕車時手握移動電話通話。歐洲大多數(shù)國家及全球許多其它國家也都已經(jīng)有了相關(guān)的法規(guī)。上述法規(guī)的出現(xiàn)，進一步提高了免提技術(shù)的需求，并要求能在汽車內(nèi)部環(huán)境中有效消除噪聲及回聲，這也是免提系統(tǒng)的最大設(shè)計挑戰(zhàn)所在。設(shè)計人員需要簡單易用的軟硬件，以便能夠為免提音頻產(chǎn)品提供與傳統(tǒng)手持產(chǎn)品一樣的音質(zhì)，這樣才能滿足用戶的需求。
無線通信中的回聲來源
無線系統(tǒng)中的回聲有兩大來源：電氣回聲和聲學回聲。如果設(shè)計方案不佳，導致?lián)P聲器信號直接耦合到擴音器信號，那么就會出現(xiàn)電氣回聲。這一問題的最佳解決方案就是做好設(shè)計工作。
對我們提出更嚴峻挑戰(zhàn)的問題在于聲學回聲。如果放大后的揚聲器信號通過擴音器發(fā)生回聲，那么就會出現(xiàn)聲學回聲。消除這種回聲相當困難，我們必須考慮到多個因素。放大后的揚聲器聲音會在不同時間在多個通道上反射。這種間接的回聲明顯滯后于原始信號，這是因為聲音在空氣中的傳播速度僅為300米/秒，而且由于機械振動加大了復雜性，回聲反射也會失真。
半雙工交換技術(shù)

圖1：半雙工解決方案
解決回聲問題的最基本方法就是在檢測到遠端語音時禁用近端語音通道，這雖然能消除聲學回聲，但每次只允許一個人說話。舉例來說，就傳統(tǒng)的對講機而言，按下通話按鈕，就不能聽到其它在線人說的話了，因此雙向無線電通話規(guī)則中要求說話人講完話時必須明確表示“完畢”。后來又有新技術(shù)用語音活動檢測器 (VAD) 取代了通話按鈕，它能在檢測到遠端語音時自動開／關(guān)近端語音通道。在移動通信初期階段，我們尚能接受這種有局限性的技術(shù)，但隨著用戶逐漸習慣于全雙工有線通話，他們今后不再接受這種限制性的單向通話技術(shù)。因為全雙工有線通話技術(shù)使他們能夠隨意交流，表達想法，同意或不同意對方的觀點，隨時停頓，不用擔心擴音器突然不能使用。
傳統(tǒng)回聲消除技術(shù)

圖2：傳統(tǒng)回聲消除技術(shù)
下面我們將講述為什么幾乎所有手機、免提設(shè)備以及帶擴音器的電話均提供某種回聲消除技術(shù)。目前，幾乎所有設(shè)備都通過監(jiān)控遠端信號，然后從接收信號中去除遠端信號這一基本方法來消除回聲。如果回聲量已知且保持不變，那么上述方法就很容易實現(xiàn)回聲消除。但實際上回聲幅度及時間取決于無線設(shè)備使用的環(huán)境，而這一環(huán)境經(jīng)常會發(fā)生變化，為此傳統(tǒng)回聲消除技術(shù)需要持續(xù)監(jiān)控近端及遠端信號。聲學回聲消除器算法用近端揚聲器的參考信號來估算回聲通道，并從近端擴音器信號中去除回聲。
自適應(yīng)濾波器的設(shè)計與調(diào)節(jié)是回聲消除性能的決定性因素。濾波器通常使用音頻信號已知的特性來計算回聲估值，并就此調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù)，以盡可能減小誤差。我們通常用歸一化最小均方 (NLMS) 算法來更新濾波器系數(shù)，以此來消除回聲。該算法可最小化消除器的均方誤差，該誤差為殘余回聲。自適應(yīng)通常根據(jù)信號功率加以歸一，以獨立于信號電平。
我們在大多數(shù)情況下都能以足夠的準確度進行上述計算，以降低可感覺到的回聲。問題在于，算法能否發(fā)揮作用，取決于揚聲器與擴音器之間的回聲路徑的穩(wěn)定性。只要電話附近出現(xiàn)阻礙聲音傳遞的物體（比方說把手里的電話放到桌面上，觸摸鍵區(qū)，把紙張蓋在揚聲器上），或當擴音器到揚聲器的距離變動時（帶線話筒放回原位），回聲路徑就會發(fā)生變化。當路徑變化時，算法就要根據(jù)新的回聲路徑進行調(diào)整，這就會出現(xiàn)延遲。在自適應(yīng)延遲過程中，回聲就會在近端信號路徑上傳輸。
在設(shè)計回聲消除器時，了解這種器件的工作環(huán)境十分重要。擴音器與揚聲器是否處于固定位置？位置變動是否會對正常工作產(chǎn)生影響？器件工作環(huán)境允許的最長回聲路徑是多少？預(yù)計噪聲有多大？噪聲是否會發(fā)生變化（比如在汽車環(huán)境中）？設(shè)備音量應(yīng)有多大？揚聲器與擴音器間的回聲返回損耗多大？近端通話人的講話音量與擴音器端的回聲相比應(yīng)有多大？只有回答了上述問題，才能設(shè)計出可根據(jù)已知環(huán)境進行調(diào)整的最佳傳統(tǒng)回聲消除器。不過，當環(huán)境改變時，濾波器系數(shù)還在適應(yīng)新的回聲通道，我們就已經(jīng)聽到回聲了。根據(jù)初始參數(shù)設(shè)置的不同，適應(yīng)過程需要 5 到 10 秒的時間。
除了回聲影響近端信號質(zhì)量的問題外，背景噪聲也會造成不良影響。針對這一問題的解決方案就是采用噪聲消除器。典型的噪聲消除器獨立于回聲消除器工作，任何干擾問題都可忽略不計。與回聲消除器不同，噪聲消除器沒有參考信號作為依據(jù)。它必須對噪聲進行估測，并將其從揚聲器信號中消除，要么就只能估測語音。不管怎么說，上述兩種情況下都應(yīng)瞄準噪聲，以盡可能提高性能。結(jié)合使用噪聲消除器與 AEC 的控制信號，我們能實現(xiàn)更準確的語音活動檢測環(huán)境，提高整合效果。如果沒有上述相互作用，系統(tǒng)可能會把語音信號當作噪聲而誤消除。
新方法提高了集成度

圖3：新方法將回聲與噪聲消除與其它音頻處理技術(shù)相集成