基于飛思卡爾MCU的AEC算法實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　VoIP是在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)音視頻及傳真信號(hào)傳輸?shù)囊婚T全新的集成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。IP語音傳輸技術(shù)具有節(jié)省帶寬、話費(fèi)低，可方便地集成智能型開放體系結(jié)構(gòu)以及多媒體業(yè)務(wù)等優(yōu)勢。但較之傳統(tǒng)電話，其語音質(zhì)量較差。事實(shí)上，影響因特網(wǎng)語音質(zhì)量的因素是多方面的，關(guān)鍵因素之一是回聲的影響。因此，要提高因特網(wǎng)的語音質(zhì)量，就必須在語音傳輸過程中進(jìn)行回聲消除。AEC是基于自適應(yīng)算法并可用于VoIP的聲學(xué)回聲消除技術(shù)。而用于AEC算法的實(shí)現(xiàn)與研究的硬件平臺(tái)是以freescale公司的MCF5235為核心的開發(fā)板。MCF523x系列MCU是首個(gè)以帶有增強(qiáng)型乘加運(yùn)算單元(eMAC)的ColdFire V2內(nèi)核為核心，該產(chǎn)品同時(shí)結(jié)合了增強(qiáng)型時(shí)序處理單元(eTPU)和10/100以太網(wǎng)多媒體通道控制模塊(MAC)的MCU，因而具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口，能夠滿足VoIP電話終端對(duì)數(shù)據(jù)處理速度以及網(wǎng)絡(luò)通訊安全的要求。

　　1 回聲消除

　　1.1 聲學(xué)回聲消除原理

　　AEC是以揚(yáng)聲器信號(hào)與由它產(chǎn)生的多路徑回聲的相關(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)回聲進(jìn)行估計(jì)，并不斷地修改濾波器的系數(shù)，以使估計(jì)值更逼近真實(shí)的回聲，然后，將回聲估計(jì)值從話筒的輸人信號(hào)中減去，從而達(dá)到消除回聲之目的。

　　聲學(xué)回聲消除器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。其中y(n)代表遠(yuǎn)端語音信號(hào)，r(n)代表回聲，x(n)是已經(jīng)疊加了回聲信號(hào)r(n)的近端語音信號(hào)。對(duì)回聲消除器來說，可將遠(yuǎn)端信號(hào)作為一個(gè)參考信號(hào)，然后由自適應(yīng)濾波器通過它來產(chǎn)生回聲的估計(jì)值r′(n)，再從近端帶有回聲的語音信號(hào)中減去r′(n)，從而估計(jì)出近端輸出信號(hào)μ(n)。在近端未說話時(shí)，即當(dāng)x(n)=0時(shí)，μ(n)即為回聲的殘差信號(hào)e(n)。e(n)的計(jì)算方程為：

　　e(n)=r(n)-r′(n) (1)

　　此時(shí)，回聲的殘留信號(hào)的理想值應(yīng)為0。

　　1.2 自適應(yīng)FIR濾波器

　　在聲學(xué)回聲消除器里，橫向結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波器可通過參考信號(hào)來產(chǎn)生回聲的副本，其原理如圖2所示。如果這個(gè)橫向結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)與回聲通道的函數(shù)模型一致，那么，回聲的副本與回聲就應(yīng)該是一致的，這樣，通過兩者的抵消便可達(dá)到消除回聲之目的。

　　FIR濾波器的最主要特點(diǎn)是沒有反饋回路，這是一種非遞歸系統(tǒng)，它的沖激響應(yīng)是一個(gè)有限長序列。FIR濾波器的輸出計(jì)算公式為：

　　自適應(yīng)FIR濾波器根據(jù)上一刻的近端輸出信號(hào)μ(n)及遠(yuǎn)端語音信號(hào)y(n)，并通過自適應(yīng)算法來估算當(dāng)前時(shí)刻FIR濾波器的系數(shù)ak(n+1)。

　　1.3 LMS算法和NLMS算法

　　在輸入信號(hào)和參考信號(hào)都是平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的情況下，自適應(yīng)濾波器的均方誤差E[e(n)]性能曲面是濾波器加權(quán)系數(shù)ak的二次函數(shù)。其系數(shù)修正算法通常采用可使均方誤差最小的最優(yōu)化求解算法。

　　由于實(shí)際的梯度值只能根據(jù)觀測數(shù)據(jù)估計(jì)，因此LMS算法提出的一個(gè)基本思想就是用平方誤差E[e2(n)]來代替均方誤差E[e(n)]。它是對(duì)基本的最速下降算法的改進(jìn)，其算法迭代公式為：

　　ak(n+1)=ak(n)+2μe(e)*y(n) (3)

　　其中y(n)為輸入信號(hào)，μ為迭代步長常量。

　　規(guī)一化LMS (NLMS)算法可用來在LMS自適應(yīng)濾波器方程里修正FIR濾波器的系數(shù)。NLMS算法與LMS算法幾乎是一樣的，唯一的不同是NLMS算法中使用可變步長控制因子來代替LMS算法中的常量因子。其目的是加快算法的收斂速度。其算法迭代公式為：

　　其中，μ可由試驗(yàn)來確定。但應(yīng)注意，μ的選取至關(guān)重要，為了確保收斂，必須滿足0<μ<2。本方案中的自適應(yīng)算法就是采用NLMS算法。

　　1.4 語音檢測

　　語音活動(dòng)檢測可用來確定三種語音狀態(tài)：近端講話狀態(tài)、遠(yuǎn)端講話狀態(tài)和雙端講話狀態(tài)。因?yàn)锳EC要根據(jù)不同的語音活動(dòng)狀態(tài)來進(jìn)行相應(yīng)的處理。它在檢測到近端語音活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，濾波器既不進(jìn)行濾波，也不進(jìn)行系數(shù)更新;而在檢測到雙端語音活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將停止濾波器系數(shù)的更新，但要進(jìn)行濾波。由于在只有遠(yuǎn)端語音活動(dòng)的狀態(tài)下，既要進(jìn)行濾波，又要進(jìn)行系數(shù)更新。因此，語音活動(dòng)狀態(tài)檢測的正確與否在很大程度上會(huì)影響回聲消除的效果。語音活動(dòng)檢測流程如圖3所示。

　　雙端講話情況可以通過設(shè)計(jì)近端話音檢測器，并采用Geigel算法來判決。利用該算法計(jì)算回聲延時(shí)大小范圍內(nèi)的瞬時(shí)能量比較，具有著良好的性能優(yōu)勢。其Geigel算法描述如下：

　　式中，N是FIR延時(shí)級(jí)數(shù)，之所以將r(i)和最近N個(gè)遠(yuǎn)端輸入的最大值進(jìn)行比較，而不是僅僅和當(dāng)前遠(yuǎn)端輸入點(diǎn)y(i)進(jìn)行比較，是因?yàn)榛芈暵窂窖訒r(shí)具有不確定性。

　　2 實(shí)現(xiàn)方案

　　聲學(xué)回聲消除器AEC主要包括FIR濾波模塊、Geigle雙端語音判決模塊、NLMS系數(shù)更新模塊、語音狀態(tài)控制模塊四個(gè)部分，圖4所示是該AEC的簡要工作流程。

　　Freescale公司的硬件開發(fā)平臺(tái)以Coldfire系列MCF5235為核心。該系列MCU支持標(biāo)準(zhǔn)C語言及其專用的匯編語言。因此，在該平臺(tái)上運(yùn)行的功能模塊需要使用C語言或者專用匯編。AEC的開發(fā)及移植過程如圖5所示。

　　設(shè)計(jì)時(shí)。首先應(yīng)搭建AEC的Matlab模型并對(duì)該模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。然后以已通過驗(yàn)證的模型為標(biāo)準(zhǔn)，搭建可在MCF5235開發(fā)板上運(yùn)行的C語言模型。最后根據(jù)需要將運(yùn)算較為密集的那部分C語言程序轉(zhuǎn)化為Coldfire芯片的專用匯編語言。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　在Matlab環(huán)境下對(duì)AEC進(jìn)行測試時(shí)，可將需要的三部分語音信號(hào)同時(shí)輸入到回聲消除器，然后測試回聲消除的相關(guān)性能。

　　本測試所輸入的語音信號(hào)波形如圖6所示。從上到下依次是遠(yuǎn)端語音信號(hào)y(n)、近端語音信號(hào)x(n)和回聲信號(hào)，其中與之和作為近端輸入與y(n)一同構(gòu)成了回聲消除器的兩個(gè)輸入信號(hào)。將濾波器的階數(shù)設(shè)置為512。即采取64 ms延時(shí)的回聲消除。通過回聲消除處理后所得到的殘差信號(hào)e(n)的波形如圖7所示。

　　從圖6和圖7的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)只存在遠(yuǎn)端信號(hào)和回聲信號(hào)，而近端緘默的情況下，回聲消除器能夠快速收斂并消除絕大部分回聲;而當(dāng)雙端都存在信號(hào)時(shí)，回聲消除器能在消除回聲的基礎(chǔ)上較好的保持近端語音波形。

　　將AEC功能模塊集成到用MCF5235開發(fā)板搭建的VoIP終端上，來建立兩個(gè)通信終端的語音通信，即可對(duì)AEC功能模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)免提通話測試。

　　4 結(jié)束語

　　本文介紹了聲學(xué)回聲消除的原理、聲學(xué)回聲消除器的設(shè)計(jì)以及AEC在基于freescale公司MCF5235開發(fā)平臺(tái)的VoIP語音通信終端上的集成方法。該AEC的實(shí)現(xiàn)包括語音檢測、自適應(yīng)濾波等語音處理算法。其程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性較好。通過Matlab模型的仿真結(jié)果和通話主觀測試結(jié)果證明，用該方案實(shí)現(xiàn)的聲學(xué)回聲消除器能夠滿足網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)語音的要求。