音響系統(tǒng)回波抵消研究

摘要：針對(duì)音響系統(tǒng)在室內(nèi)產(chǎn)生的回波干擾，采用基于頻域回波抵消算法，結(jié)合DSP芯片TMS320VC5416硬件的處理方法，設(shè)計(jì)了RS232串口通訊的人機(jī)界面控制程序，從而有效地消除了干擾噪音。該方法可用于多種音頻設(shè)備、會(huì)議系統(tǒng)，以抵消回波產(chǎn)生的干擾。
關(guān)鍵詞：音響系統(tǒng)；回波抵消；頻域；干擾

0 引言
在許多音頻設(shè)備(如視頻會(huì)議系統(tǒng))中，揚(yáng)聲器播放出來的聲音被麥克風(fēng)拾取后要發(fā)回遠(yuǎn)端，使得遠(yuǎn)端談話者能聽到自己的聲音(經(jīng)一個(gè)聲路徑延遲的聲音)，從而干擾語音傳輸，稱為聲學(xué)回波。
聲學(xué)回波抵消器(Acoustic Echo cancellor，AEC)，是對(duì)揚(yáng)聲器信號(hào)與由它產(chǎn)生的多路徑回波的相關(guān)性為基礎(chǔ)建立的遠(yuǎn)端信號(hào)語音模型。利用它可對(duì)回波進(jìn)行估計(jì)，并不斷地修改濾波器的系數(shù)，使得估計(jì)值更加逼近真實(shí)的回波；然后再將回波估計(jì)值從話筒的輸入信號(hào)中減去，從而達(dá)到消除回波的目的。AEC還會(huì)將話筒的輸入與揚(yáng)聲器過去的值相比較，從而消除延長延遲的多次反射的聲學(xué)回波。根椐存儲(chǔ)器存放的過去的揚(yáng)聲器輸出值的大小，通過AEC可以消除各種延遲的回波。

1 回波抵消算法
聲學(xué)回波抵消算法(簡稱AEC算法)采用一種成熟的商用頻域算法模塊，由美國的SPIRIT Corp設(shè)計(jì)，遵循國際電信聯(lián)盟(IUT)G.167標(biāo)準(zhǔn)，可用來去除由揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的聲音反饋所引起的回波，用戶可設(shè)的最大回波路徑延遲達(dá)508 ms，該算法的原理框圖如圖1所示。

圖1中的CNG(Comfort noise generator)為舒適噪聲產(chǎn)生器，DT(Double talk)detector為雙端回話檢測(cè)器，ERL(Echoreturn loss)為回聲傳播損失，NLP(Non-linear processor)為非線性處理器，NS(Noise suppressor)為噪聲抑制器，Tonedetector為音調(diào)檢測(cè)器，Sub-band adaptive subtractors為子帶自適應(yīng)減法器，Sub-band noise suppressor為子帶噪聲抑制器，Anti-howling control為抗嘯叫控制單元，Convergence monitor為算法收斂檢測(cè)器。Feinput為遠(yuǎn)端參考信號(hào)輸入，F(xiàn)eoutput為經(jīng)過AEC算法處理后的近端參考信號(hào)輸出，稱為接收回路：Neinput為回波信號(hào)與近端語音的混合信號(hào)，Neoutput為去除回波的近端語音信號(hào)，稱為發(fā)送回路。
在AEC開始處理時(shí)，采用半雙工方式可以避免AEC算法收斂時(shí)殘余回波被聽到，收斂監(jiān)控器用于跟蹤當(dāng)前回波返回?fù)p失并檢測(cè)收斂。一旦收斂AEC轉(zhuǎn)向全雙工方式，而且因?yàn)樗鼘?duì)背景噪聲和回波路徑改變，非線性失真都非常強(qiáng)，所以不會(huì)再轉(zhuǎn)向半雙工方式，這樣就能保證在任何條件下的全雙工通訊。因?yàn)槠渥訋ЫY(jié)構(gòu)，AEC僅處理32個(gè)輸入緩沖區(qū)的樣本，并在內(nèi)部有96個(gè)樣本的延遲。
AEC具有強(qiáng)大雙端會(huì)話檢測(cè)器，因而允許AEC算法在本地語音存在的條件下收斂，并且在雙端會(huì)話期間不會(huì)帶來殘余回波增大。雙端會(huì)話檢測(cè)器可以在信噪比大于6 dB的噪聲條件下工作，雙端會(huì)話檢測(cè)器可控制自適應(yīng)濾波器、NLP和CNG，以防止它們不收斂。當(dāng)雙端會(huì)話開始被檢測(cè)到后，發(fā)送回路中的NLP關(guān)閉，并以確定速度逐漸增加其傳輸增益，直到達(dá)到其最大值1(16位時(shí)為32 767)。當(dāng)雙端會(huì)話結(jié)束被檢測(cè)到時(shí)，NLP打開并逐漸降低其增益，直到定義的最小值，這樣就增加了回波抵消。
發(fā)送回路和接收回路中的NLP在半雙工模式下都支持開關(guān)切換。CNG在NLP打開時(shí)工作產(chǎn)生與背景噪聲幅度相適應(yīng)的適度噪聲，但其幅度小于設(shè)定的最大值。AEC具有內(nèi)部音調(diào)檢測(cè)器，可以防止AEC收斂在如撥號(hào)音或振鈴音的正弦信號(hào)，這種收斂可能造成AEC運(yùn)行錯(cuò)誤。特別是在AEC收斂在這類信號(hào)的開始處，這一點(diǎn)對(duì)免提電話特別有用。AEC還具有抗嘯叫控制單元，可用來避免因?yàn)槁曇粼邴溈孙L(fēng)和揚(yáng)聲器問反饋引起的嘯叫(Larsen效應(yīng))，這種情況只有在遠(yuǎn)端和近端運(yùn)行在全雙工模式下才會(huì)發(fā)生。

2 回波抵消器硬件構(gòu)成
本文的回波抵消器硬件平臺(tái)主要基于TI公司TMS320VC5416高性能DSP芯片來進(jìn)行設(shè)計(jì)，其硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。