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          基于Clarity CVC-HFK免提開(kāi)發(fā)平臺(tái)的車載信號(hào)處理與音頻系統(tǒng)

          作者: 時(shí)間:2018-09-11 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          回聲消除(AEC)可實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)舒適的全雙工通話,本文介紹的 可提供集成的單擴(kuò)音器解決方案( OMS)噪聲抑制算法。

          它支持自適應(yīng)噪聲消除功能,可降低麥克風(fēng)(傳入)信號(hào)中的環(huán)境噪聲,并提取所需的語(yǔ)音,還可向遠(yuǎn)端用戶傳輸清晰的話音(傳出)。

          兩個(gè)因素決定了使用蜂窩電話系統(tǒng)的必要性,首先是由于目前的蜂窩電話系統(tǒng)的終端多為手持的,這就給司機(jī)造成了不便。司機(jī)常常要放下手機(jī)兩只手駕駛,如轉(zhuǎn)彎等,然后在轉(zhuǎn)回談話。電話交談的中斷很不方便,甚至還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)成本損失,因?yàn)橐苿?dòng)電信收費(fèi)相當(dāng)高。再一個(gè)重要因素就是安全性。不妨設(shè)想一下只用一只手操縱方向盤、打著手機(jī)的司機(jī)。既然司機(jī)不能雙手操縱方向盤,那么再要什么防抱死系統(tǒng)和氣囊就顯得毫無(wú)意義了。因此,蜂窩電話系統(tǒng)正成為使用移動(dòng)電話的司機(jī)的必備品。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201809/388848.htm
          圖1:免提套件結(jié)構(gòu)HFK

          HFK是一套包含DSP在內(nèi)的解決方案,提供了軟硬件設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā),并使其獨(dú)樹(shù)一幟。HFK開(kāi)發(fā)平臺(tái)可通過(guò) JTAG實(shí)現(xiàn)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(jié)合可實(shí)現(xiàn)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(tái)適用于對(duì)成本及性能都要求很高的高質(zhì)量汽車后市場(chǎng)免提套件,也適用于具備藍(lán)牙功能的 HFK。 用于免系統(tǒng)的回聲消除軟件

          就車載免提廣播/電話系統(tǒng)而言,一個(gè)缺點(diǎn)就是會(huì)感到遠(yuǎn)端揚(yáng)聲器有回聲。要在車內(nèi)營(yíng)造一個(gè)舒適的全雙工免提通話環(huán)境,最重要的軟件環(huán)節(jié)就是回聲消除器(AEC)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)院(ETSI)目前正在制定有關(guān)AEC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

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


          圖2:應(yīng)用圖示

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

          和AEC有關(guān)的其他問(wèn)題是兩人同時(shí)講話的模糊音(DT)情況。如果沒(méi)有檢測(cè)到的話,DT會(huì)造成自適應(yīng)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(zhí)行的。

          1. NLMS算法

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

          2. 活動(dòng)通道檢測(cè)

          AEC算法的一個(gè)關(guān)鍵特性就是活動(dòng)通道檢測(cè)。在遠(yuǎn)端操作者靜默而近端操作者講話時(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(jì)算信號(hào)能量,并將該能量與自適應(yīng)閾值進(jìn)行比較,可實(shí)現(xiàn)活動(dòng)通道的檢測(cè)。

          3. 模糊音(DT)檢測(cè)

          在DT情況下,擴(kuò)音器上的近端信號(hào)包括回聲與近端話音(即模糊音)。用于更新濾波器系數(shù)的殘留誤差包括近端講話,而如果算法仍在進(jìn)行自適應(yīng),則算法可能開(kāi)始發(fā)散,必須避免這種情況。DT檢測(cè)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(zhǔn)

          AEC軟件的基準(zhǔn)(以16 位字表示)為:

          代碼大小:154 字;
          靜態(tài)RAM:527 字;
          擦寫(xiě)RAM:2 字;

          最大計(jì)算時(shí)成本為4.7MIPS。計(jì)算消耗在ST時(shí)期最大,在DT時(shí)期降至2.4MIPS。ST時(shí)期占通話的主要部分,而DT時(shí)期則僅在較短的個(gè)別情況下出現(xiàn)。

          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(yīng)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。在汽車環(huán)境中,環(huán)境噪聲是免提系統(tǒng)要克服的主要問(wèn)題。因此,除了回聲消除功能外, 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(yīng)噪聲消除功能,其可削弱麥克風(fēng)信號(hào)(傳入)中的環(huán)境噪聲,提取所需的語(yǔ)音,并將干凈的話音(傳出)傳輸至遠(yuǎn)端用戶。由于CVC-HFK是完全自適應(yīng)的,因此不再需要過(guò)多調(diào)節(jié)。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(biāo)準(zhǔn)頻率域NLMS算法的一個(gè)變體作為其主要的自適應(yīng)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(hào),同相當(dāng)時(shí)間域的AEC 相比它可實(shí)現(xiàn)更快的收斂。第二,無(wú)狀態(tài)AEC可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的濾波器適應(yīng),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(hào)中既包含回聲又包含近端話音。近端話音不與回聲信號(hào)相關(guān)聯(lián),如果沒(méi)有進(jìn)程避免它的話就會(huì)造成自適應(yīng)濾波器的發(fā)散。第三,NLMS 可實(shí)現(xiàn)獨(dú)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?fù)p耗增益值),最大可達(dá)50dB ERLE,并可實(shí)現(xiàn)80ms左右的快速收斂時(shí)間,且在大多數(shù)環(huán)境下可進(jìn)行全雙工操作。此外,CVC-HFK AEC為其自適應(yīng)濾波器采用了64ms的尾長(zhǎng),這就在內(nèi)部容量方面實(shí)現(xiàn)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音與噪聲特性來(lái)幫助從合成噪聲及話音信號(hào)中提取話音的頻率域算法。CVC-HFK NS的兩大主要模塊是語(yǔ)音構(gòu)成分析與語(yǔ)音提取。

          語(yǔ)音成份分析模塊采用話音與噪聲的暫時(shí)與相關(guān)屬性來(lái)構(gòu)建話音構(gòu)成的可預(yù)測(cè)模型。語(yǔ)音提取塊可根據(jù)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(xiàn)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?yàn)橐殃P(guān)閉了NS,不會(huì)發(fā)生語(yǔ)音失真。

          3. CVC-HFK NLP( 非線性處理)

          由于系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)NLP模塊要低得多,因?yàn)槠涫褂脕?lái)自輸入與誤差信號(hào)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,可以顯著節(jié)約內(nèi)存,并簡(jiǎn)化計(jì)算復(fù)雜性。

          系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

          在將TI-HFK板與蜂窩免提套件相集成時(shí),要實(shí)現(xiàn)良好的移動(dòng)呼叫還需要數(shù)個(gè)組件與適當(dāng)?shù)慕涌凇?

          您必須選擇可與CVC-HFK應(yīng)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(kuò)音器、擴(kuò)音揚(yáng)聲器以及車載音響系統(tǒng)。但是,為了減少對(duì)應(yīng)用手冊(cè)的變更,我們已選擇了專用的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)組件,這會(huì)為您的成功調(diào)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(xiàn)集成:擴(kuò)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(hào)。

          下面給出擴(kuò)音揚(yáng)聲器與擴(kuò)音器放置設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議。

          1. 擴(kuò)音器的位置和定向?yàn)閷?shí)現(xiàn)最佳的總體麥克風(fēng)性能,在最后將設(shè)備安裝到汽車內(nèi)之前應(yīng)了解一些關(guān)鍵的變量。建議保持?jǐn)U音器和車內(nèi)用戶口腔之間的距離為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(kuò)音器暴露于氣流(窗戶和風(fēng)扇);

          3. 適當(dāng)考慮擴(kuò)音器大小和安裝方案,使擴(kuò)音器前部可對(duì)準(zhǔn)車內(nèi)用戶的口腔。基于以上考慮,在圖3的幫助下,您可以選擇最佳的擴(kuò)音器位置。首先,請(qǐng)遵循優(yōu)先考慮區(qū)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(kuò)音器,可將線纜連接回電子設(shè)備處以端接。隨后應(yīng)保證線纜的隱蔽性,保持美觀,此外還要保持線纜固定,不會(huì)被擠壓或打結(jié)。最后,應(yīng)避免并行線纜與天線接頭和其它帶噪聲的線纜相連接。

          4. 揚(yáng)聲器位置建議在適當(dāng)位置安裝揚(yáng)聲器,以便提供良好的語(yǔ)音性能,同時(shí)不干擾擴(kuò)音器拾波區(qū)域。拾波區(qū)域?yàn)?30度錐形體,從擴(kuò)音器正面起,向外突出至汽車駕駛?cè)藛T。


          圖3:揚(yáng)聲器的放置

          揚(yáng)聲器應(yīng)位于距麥克風(fēng)至少1米處(3英尺)。揚(yáng)聲器應(yīng)遠(yuǎn)離麥克風(fēng)的拾波區(qū)域,以減少回聲反饋的幾率。理想情況下,揚(yáng)聲器應(yīng)位于擴(kuò)音器正面方向之后或成90度。揚(yáng)聲器的聲音失真大小會(huì)對(duì)回聲造成直接的負(fù)面影響。

          本文小結(jié)

          免提系統(tǒng)的使用不斷普及,用戶也期待著性能會(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(hào)處理器集成是一項(xiàng)周到的舉措,這將非常有利。HFK開(kāi)發(fā)套件可以應(yīng)付上述所有問(wèn)題,并給開(kāi)發(fā)或銷售上述產(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)。


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