采用DSP 免提開發(fā)平臺的車載信號處理與音頻系統(tǒng)

　　回聲消除(AEC)可實現汽車內舒適的全雙工免提通話，本文介紹的Clarity CVC-HFK 可提供集成的單擴音器解決方案(OMS)噪聲抑制算法，它支持自適應噪聲消除功能，可降低麥克風(傳入)信號中的環(huán)境噪聲，并提取所需的語音，還可向遠端用戶傳輸清晰的話音(傳出)。

　　兩個因素決定了使用免提蜂窩電話系統(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，這就給司機造成了不便。司機常常要放下手機兩只手駕駛，如轉彎等，然后在轉回談話。電話交談的中斷很不方便，甚至還會造成經濟成本損失，因為移動電信收費相當高。再一個重要因素就是安全性。不妨設想一下只用一只手操縱方向盤、打著手機的司機。既然司機不能雙手操縱方向盤，那么再要什么防抱死系統(tǒng)和氣囊就顯得毫無意義了。因此，免提蜂窩電話系統(tǒng)正成為使用移動電話的司機的必備品。

 
圖1：免提套件開發(fā)平臺結構

　　HFK 開發(fā)平臺

　　HFK 開發(fā)平臺是一套包含DSP 在內的解決方案，提供了軟硬件設計，可實現最終產品的快速開發(fā)，并使其獨樹一幟。HFK 開發(fā)平臺可通過JTAG 實現與TI 軟件開發(fā)環(huán)境Code Composer StudioTM(CCStudio)開發(fā)工具相連接。該開發(fā)環(huán)境與文檔相結合可實現TI DSP 第三方軟件的快速集成，并能加速產品的上市進程。HFK 開發(fā)平臺適用于對成本及性能都要求很高的高質量汽車后市場免提套件，也適用于具備藍牙功能的HFK。詳細信息及相關

　　文檔，可參見如下鏈接　　
　　www.focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/tmdshfk5407.html

　　用于免提系統(tǒng)的回聲消除軟件

　　就車載免提廣播/電話系統(tǒng)而言，一個缺點就是會感到遠端揚聲器有回聲。要在車內營造一個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)。歐洲電信標準學院(ETSI)目前正在制定有關AEC 系統(tǒng)的標準。

　　回聲現象是由揚聲器與麥克風之間耦合造成的。在全雙工通信中，遠端揚聲器聽到自己的聲音會有延遲，延遲的長短取決于汽車內部與全球移動通信系統(tǒng)(GSM)的延遲?；芈暵窂介L度是AEC 的關鍵參數。

 
圖2：CVC-HFK 應用圖示。

　　自適應濾波(更準確的說法是NLMS 算法)是針對AEC 最常見的解決方案之一。NLMS 算法在計算量與性能之間實現了較好的折中。

　　和AEC 有關的其他問題是兩人同時講話的模糊音(DT)情況。如果沒有檢測到的話，DT 會造成自適應算法的發(fā)散。

　　AEC 軟件利用NLMS 算法來消除回聲，是通過C54x DSP 匯編程序來執(zhí)行的。

　　1. NLMS算法

　　NLMS 算法可更新自適應有限脈沖響應(FIR)濾波器的系數，該濾波器用于預測回聲，隨后我們從實際回聲中減去預測值，就可給出殘留回聲。

　　2. 活動通道檢測

　　AEC 算法的一個關鍵特性就是活動通道檢測。在遠端操作者靜默而近端操作者講話時，由于近端操作者不再是回聲，所以濾波器不用進行適配，通過計算信號能量，并將該能量與自適應閾值進行比較，可實現活動通道的檢測。

　　3. 模糊音(DT)檢測

　　在DT 情況下，擴音器上的近端信號包括回聲與近端話音(即模糊音)。用于更新濾波器系數的殘留誤差包括近端講話，而如果算法仍在進行自適應，則算法可能開始發(fā)散，必須避免這種情況。DT 檢測使用基于能量的算法，并配合一個變量閾值來解決此問題。

　　4. 基準

　　AEC 軟件的基準(以16 位字表示)為：代碼大?。?54 字；靜態(tài)RAM：527 字；擦寫RAM：2 字；最大計算時成本為4.7MIPS。計算消耗在ST 時期最大，在DT 時期降至2.4MIPS。ST 時期占通話的主要部分，而DT時期則僅在較短的個別情況下出現。

　　CVC-HFK 軟件

　　CVC-HFK( 清晰語音捕捉—— 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子帶方法來改善主要方面的性能，同時僅占用很少的資源。在汽車環(huán)境中，環(huán)境噪聲是免提系統(tǒng)要克服的主要問題。因此，除了回聲消除功能外，Clarity CVC-HFK 還提供了集成的單麥克風解決方案(OMS) 噪聲抑制算法。OMS 解決方案支持自適應噪聲消除功能，其可削弱麥克風信號(傳入)中的環(huán)境噪聲，提取所需的語音，并將干凈的話音(傳出)傳輸至遠端用戶。由于CVC-HFK 是完全自適應的，因此不再需要過多調節(jié)。下面，我們將簡介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“無狀態(tài)”AEC，其采用標準頻率域NLMS 算法的一個變體作為其主要的自適應濾波器。我們將在下面說明采用這些方法的好處。首先，子帶頻率域方法可取消關聯或白化每個帶中的輸入信號，同相當時間域的AEC 相比它可實現更快的收斂。第二，無狀態(tài)AEC 可實現連續(xù)的濾波器適應，這可改善噪聲環(huán)境中的魯棒性和整體模糊音性能。前面講過在DT 情況下麥克風信號中既包含回聲又包含近端話音。近端話音不與回聲信號相關聯，如果沒有進程避免它的話就會造成自適應濾波器的發(fā)散。第三，NLMS 可實現獨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(回聲返回損耗增益值)，最大可達50dB ERLE，并可實現80ms 左右的快速收斂時間，且在大多數環(huán)境下可進行全雙工操作。此外，CVC-HFK AEC 為其自適應濾波器采用了64ms 的尾長，這就在內部容量方面實現了更大的靈活性。

　　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幫助從合成噪聲及話音信號中提取話音的頻率域算法。CVC-HFK NS 的兩大主要模塊是語音構成分析與語音提取。

　　語音成份分析模塊采用話音與噪聲的暫時與相關屬性來構建話音構成的可預測模型。語音提取塊可根據語音與噪聲模型修改各頻率成份。此外，語音提取塊還可充分利用音質原理最小化噪聲底限與感覺的語音失真。

　　CVC-HFK NS 采用該方案可在噪聲環(huán)境中實現10-15dB SNR( 信噪比)的改善，同時還能保持較好的語音質量。在SNR 已經足夠高的極低噪聲環(huán)境中，因為已關閉了NS，不會發(fā)生語音失真。

　　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準NLP 模塊要低得多，因為其使用來自輸入與誤差信號的信息來確定額外的衰減。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)約內存，并簡化計算復雜性。

　　系統(tǒng)集成設計

　　在將TI-HFK 板與蜂窩免提套件相集成時，要實現良好的移動呼叫還需要數個組件與適當的接口。

　　您必須選擇可與CVC-HFK 應用軟件和板卡硬件同時兼容的組件，才能獲得良好的性能。HFK 可支持各種不同的擴音器、擴音揚聲器以及車載音響系統(tǒng)。但是，為了減少對應用手冊的變更，我們已選擇了專用的業(yè)界標準組件，這會為您的成功調整帶來很大幫助。從TI-HFK 板到蜂窩套件需要三個連接才能實現集成：擴音器輸入TI HFK 板；傳出、已處理過的音頻輸出；輸入、從蜂窩套件接收進來的信號。

　　下面給出擴音揚聲器與擴音器放置設計的幾點建議。

　　1. 擴音器的位置和定向為實現最佳的總體麥克風性能，在最后將設備安裝到汽車內之前應了解一些關鍵的變量。建議保持擴音器和車內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. 盡可能避免擴音器暴露于氣流(窗戶和風扇)；

　　3. 適當考慮擴音器大小和安裝方案，使擴音器前部可對準車內用戶的口腔?；谝陨峡紤]，在圖3 的幫助下，您可以選擇最佳的擴音器位置。首先，請遵循優(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音器，可將線纜連接回電子設備處以端接。隨后應保證線纜的隱蔽性，保持美觀，此外還要保持線纜固定，不會被擠壓或打結。最后，應避免并行線纜與天線接頭和其它帶噪聲的線纜相連接。
 
　　4. 揚聲器位置建議在適當位置安裝揚聲器，以便提供良好的語音性能，同時不干擾擴音器拾波區(qū)域。拾波區(qū)域為+30 度錐形體，從擴音器正面起，向外突出至汽車駕駛人員。
 

圖3：揚聲器的放置

　　揚聲器應位于距麥克風至少1 米處(3 英尺)。揚聲器應遠離麥克風的拾波區(qū)域，以減少回聲反饋的幾率。理想情況下，揚聲器應位于擴音器正面方向之后或成90 度。揚聲器的聲音失真大小會對回聲造成直接的負面影響。

本文小結

　　免提系統(tǒng)的使用不斷普及，用戶也期待著性能會不斷提高。鑒于HFK 實施存在多種可用選擇，顯而易見，把軟件算法和硬件信號處理器集成是一項周到的舉措，這將非常有利。HFK 開發(fā)套件可以應付上述所有問題，并給開發(fā)或銷售上述產品的人員帶來益處。帶有AEC 與CVC-HFK 的TI TMS320C5407 開發(fā)套件可提供所需的靈活性和高性能，并可快速而廉價地將HFK 解決方案推向市場。

參考文獻

《德州儀器車載免提聽筒套件開發(fā)平臺用戶指南》，2003 年9 月；

《車載免提聽筒套件 (HFK) 開發(fā)平臺產品簡報》，2004 年6 月；

《適用于車載免提聽筒無線系統(tǒng)的回聲消除軟件》，1997 年7 月；
 
Vartanian spra998 《清晰語音捕獲的實施—— TI TMS320VC5407 上的車載免提聽筒套件》，2004 年2 月。