基于FM2010和WinCE平臺(tái)的回音消除驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2 回聲產(chǎn)生的原理與消除方法
2．1 回聲的基本概念和產(chǎn)生原理
通常意義上的回聲可以分為電學(xué)回聲和聲學(xué)回聲，前一種是由于服務(wù)提供商的線路質(zhì)量所致，而后一種則是由于用戶端設(shè)備的質(zhì)量所致。
2．1．1 電學(xué)回聲
在PSTN (Public Switched Telephone Network，公共交換電話網(wǎng)絡(luò))中，為了降低電話中心局與電話用戶之間電話線的價(jià)格，用戶線間的連接采用兩線制，而電話中心局之間連接采用四線制。在這樣采用混合線制的電路中，由于阻抗的失配，會(huì)不可避免地產(chǎn)生電流泄漏。電流泄漏使得一部分信號(hào)的能量反射回信號(hào)源，這種反射和信道延遲結(jié)合在一起，使講話者聽到自己的聲音，即為電學(xué)回聲。
2．1．2 聲學(xué)回聲
聲學(xué)回聲是指揚(yáng)聲器播出的聲音在被受話方聽到的同時(shí)，也通過多種路徑被麥克風(fēng)拾取到，傳輸?shù)秸f話方的一端，從而形成聲音回路。當(dāng)回聲返回時(shí)間超過10 ms時(shí)，人耳就可聽到明顯的回聲了。多路徑反射的結(jié)果產(chǎn)生了不同延時(shí)的回聲，包括直接回聲和間接回聲。
①直接回聲是指由揚(yáng)聲器播出的聲音未經(jīng)任何反射直接進(jìn)入麥克風(fēng)。這種回聲的延時(shí)最短，它同遠(yuǎn)端說話者的語音能量，揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)之間的距離、角度，揚(yáng)聲器的播放音量，麥克風(fēng)的拾取靈敏度等因素直接相關(guān)。
②間接回聲是指由揚(yáng)聲器播出的聲音經(jīng)過不同的路徑(如房屋或房屋內(nèi)的任何物體)的一次或多次反射后，進(jìn)入麥克風(fēng)所產(chǎn)生的回聲的集合。房屋內(nèi)的任何物體的任何變動(dòng)都會(huì)改變回聲的通道，因此，這種回聲的特點(diǎn)是多路徑的、時(shí)變的。
對(duì)于電學(xué)回聲的消除，通常由服務(wù)提供商提供解決方案。本文研究的重點(diǎn)是聲學(xué)回聲的消除機(jī)制，為了防止聲音回路的產(chǎn)生，通常需要在硬件和軟件設(shè)計(jì)中采取一定的解決方案。
如圖1所示，雙方在使用PDA或者手機(jī)進(jìn)行通話時(shí)，假設(shè)B是主話方，A是受話方：

①B說話的聲音經(jīng)過電信或者移動(dòng)路徑傳輸?shù)紸的設(shè)備上；
②聲音經(jīng)過揚(yáng)聲器發(fā)出，由于硬件和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的局限性，會(huì)有部分聲音滲透到A的麥克風(fēng)；
③滲透出的聲音又傳輸回到B，導(dǎo)致B能聽到自己的聲音。
這樣，便形成了聲音回路，即產(chǎn)生了回聲。
PDA或者手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)聲音回路示意圖如圖2所示。在全雙工的情況下，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之間至少要保持4 cm以上的距離，才能比較好地避免回聲問題。在實(shí)際情況下，絕大部分的回聲回路形成于機(jī)構(gòu)內(nèi)部，而由機(jī)構(gòu)外部揚(yáng)聲器回流到麥克風(fēng)的聲音，由于距離較長(zhǎng)，基本可以忽略。

由于硬件和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的局限性，在機(jī)構(gòu)內(nèi)部不可能完全隔離聲音的傳播，因此從揚(yáng)聲器出來的聲音會(huì)有一部分會(huì)滲透到麥克風(fēng)，從而產(chǎn)生回聲。
2．2 基于FM2010的回聲消除原理
FM2010使用的是自適應(yīng)回聲抵消原理，它的基本思想是：估計(jì)回聲路徑的特征參數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)模擬的回聲路徑，得出模擬回聲信號(hào)，從接收信號(hào)中減去該信號(hào)，實(shí)現(xiàn)回聲抵消。以圖3所示的受話端通話流程為例，圖中左上方的MIC IN是麥克風(fēng)進(jìn)入的信號(hào)，即用戶的聲音輸入信號(hào)，其中包含由本機(jī)揚(yáng)聲器漏進(jìn)去的部分主話端的語音信號(hào)；右下方的Line IN接入是主話端的語音信號(hào)，即由本機(jī)揚(yáng)聲器輸出的信號(hào)直接接入到FM2010回音消除芯片的Line IN輸入端。在FM2010內(nèi)部會(huì)經(jīng)過DSP芯片的運(yùn)算處理對(duì)兩者進(jìn)行比較，消除MIC IN信號(hào)中與LineIN端相同的信號(hào)(即回聲音頻信號(hào))，使用自適應(yīng)回聲抵消原理達(dá)到消除回聲的目的。MIC IN和Line OUT之間路徑上的寄存器需要進(jìn)行配置和調(diào)試，DSP使用這些配置的數(shù)據(jù)作為特征參數(shù)來進(jìn)行運(yùn)算處理。

3 基于FM2010的回音消除驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
3．1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4是硬件架構(gòu)示意圖。CPU 通過I2C總線 來控制回音消除芯片讀／寫回音消除參數(shù)(echo parameter)。錄音信號(hào)先經(jīng)過回音消除芯片處理后經(jīng)移動(dòng)信道傳輸?shù)綄?duì)方接收設(shè)備，經(jīng)過對(duì)方音頻編解碼器處理后再通過揚(yáng)聲器或者耳機(jī)輸出。

3．2 音頻設(shè)備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
音頻設(shè)備是否產(chǎn)生回聲，很大程度上取決于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理。不合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)大大增加出現(xiàn)回聲的概率，而且出現(xiàn)的回聲會(huì)比較嚴(yán)重，難于消除。我們改進(jìn)了音頻設(shè)備機(jī)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)之初就盡可能避免回音的產(chǎn)生，而且揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的距離盡可能保持一定遠(yuǎn)的距離，如圖5所示。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之間的距離保持在10 cm以上，效果會(huì)比較好。

為了盡可能減少揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之間的聲音傳播，可以采用以下2種設(shè)計(jì)方案：方案一是把麥克風(fēng)隔離開來，如圖5(a)所
示；方案二是把揚(yáng)聲器隔離開來，如圖5(b)所示。當(dāng)然，為了達(dá)到更好的效果，可以把揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)分別隔離開；但是鑒于成本的考慮，使用其中的一種即可達(dá)到比較好的效果。具體的實(shí)現(xiàn)方法分別是：
①用橡膠套密封揚(yáng)聲器的邊緣，盡可能避免聲音從機(jī)構(gòu)內(nèi)部回流到麥克風(fēng)；同時(shí)把麥克風(fēng)密封在一個(gè)腔體之內(nèi)，以隔離外
部噪聲的進(jìn)入。
②把揚(yáng)聲器密封在一個(gè)腔體之內(nèi)，以盡可能隔離揚(yáng)聲器的聲音向外部傳播；同時(shí)使用橡膠套密封麥克風(fēng)的邊緣，以避免揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音進(jìn)入。
另外，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)在設(shè)置的方向上也有講究，如圖6所示。兩者最好是相差180，90也可以接受；但是如果兩者的方向相同，如圖6(c)所示，則出現(xiàn)回聲的概率和程度都很大。

3．3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
軟件架構(gòu)示意圖如圖7所示。

回音消除驅(qū)動(dòng)的開發(fā)需要完成以下幾步：
①給回音消除芯片上電，并初始化其相關(guān)的寄存器和GPIO；
②初始化I2C總線，并配置I2C速率等的寄存器，使其處于正常運(yùn)行狀態(tài)；
③檢查I2C總線是否已準(zhǔn)備好；
④通過I2C總線讀取回音消除參數(shù)；
⑤等待回音消除芯片處于可讀／寫狀態(tài)，然后把參數(shù)寫入到芯片里，使配置的參數(shù)生效。
3．3．1 FM2010上電時(shí)序
當(dāng)對(duì)FM2010初始化時(shí)，比較重要的一點(diǎn)是要按照其規(guī)格說明書定義的上電時(shí)序進(jìn)行，否則可能會(huì)導(dǎo)致錄音聲音時(shí)有時(shí)無的情況發(fā)生。具體的要求如圖8所示。在初始化FM2010時(shí)，PWD high的狀態(tài)必須要在RESET high狀態(tài)之前設(shè)定，兩者之間相差5 ms。

3．3．2 讀／寫Echo parameter
FM2010芯片的初始化比較簡(jiǎn)單，只要按照上述的時(shí)序進(jìn)行初始化即可。下面重點(diǎn)剖析回音消除驅(qū)動(dòng)的開發(fā)要點(diǎn)，即如何讀／寫回音消除參數(shù)(詳見代碼中的①和④)、設(shè)置回音消除芯片的工作模式(詳見②處)，以及配置I2C總線(詳見③處)。

結(jié) 語
本文在分析語音通話中回聲產(chǎn)生的機(jī)理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了回聲消除的原理、基本聲學(xué)回聲產(chǎn)生根源，提出了改進(jìn)的PDA或者手機(jī)等音頻設(shè)備的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；針對(duì)FM2010芯片的特點(diǎn)，給出了回聲消除驅(qū)動(dòng)開發(fā)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并且給出了回音消除驅(qū)動(dòng)程序關(guān)鍵代碼的實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的軟硬件解決方案已經(jīng)在基于WinCE操作系統(tǒng)平臺(tái)和FM2010硬件平臺(tái)上得以實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中得到采用，并且獲得了良好的應(yīng)用效果。