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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(xué)回聲。如果設(shè)計方案不佳，導(dǎo)致?lián)P聲器信號直接耦合到擴(kuò)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(yán)峻挑戰(zhàn)的問題在于聲學(xué)回聲。如果放大后的揚聲器信號通過擴(kuò)音器發(fā)生回聲，那么就會出現(xiàn)聲學(xué)回聲。消除這種回聲相當(dāng)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(jī)械振動加大了復(fù)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(yuǎn)端語音時禁用近端語音通道，這雖然能消除聲學(xué)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(jī)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(yuǎn)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(xí)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(dá)想法，同意或不同意對方的觀點，隨時停頓，不用擔(dān)心擴(kuò)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(jī)、免提設(shè)備以及帶擴(kuò)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(yuǎn)端信號，然后從接收信號中去除遠(yuǎn)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(yuǎn)端信號。聲學(xué)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(kuò)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(zhǔn)確度進(jìn)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(kuò)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(dāng)擴(kuò)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(dāng)路徑變化時，算法就要根據(jù)新的回聲路徑進(jìn)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(kuò)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(kuò)音器間的回聲返回?fù)p耗多大？近端通話人的講話音量與擴(kuò)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(jìn)行調(diào)整的最佳傳統(tǒng)回聲消除器。不過，當(dāng)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)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