提高免提通信系統(tǒng)話音質(zhì)量的設(shè)計(jì)方案

免提通話功能已經(jīng)成為大多數(shù)桌面電話以及免提車載套件的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)功能。免提電話的通信質(zhì)量取決于所使用的技術(shù)，以及塑料外殼的設(shè)計(jì)。本文將討論一些免提通信系統(tǒng)中采用的技術(shù)以及面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，重點(diǎn)討論塑料外殼設(shè)計(jì)對(duì)免提電話性能的重要影響。

半雙工和全雙工通話模式

根據(jù)實(shí)現(xiàn)免提功能所采用的不同技術(shù)，免提通信電話的話音質(zhì)量和性能會(huì)出現(xiàn)很大差別。最簡(jiǎn)單且仍然是最普遍采用的方法是半雙工算法，即在同一通話時(shí)間只允許一方講話，而將另一方切斷。在半雙工方式中，只有音量最大的一方能夠被對(duì)方聽到。

半雙工方式需要不斷根據(jù)音量大小來改變送話方，因此這種方式會(huì)導(dǎo)致通話中斷。盡管半雙工算法性能欠佳，但它能夠允許采用質(zhì)量較低的塑料外殼設(shè)計(jì)。由于在任何特定時(shí)間，通話都只能在單個(gè)方向上進(jìn)行，該算法可以掩蓋塑料外殼帶來的缺點(diǎn)，例如失真、過強(qiáng)的回聲和塑料外殼振動(dòng)引起的噪聲。

對(duì)于免提電話生產(chǎn)商來說，一個(gè)重要的性能目標(biāo)是讓話音通信更自然。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一途徑就是采用全雙工算法。全雙工算法不僅可以消除回聲，還支持通話雙方同時(shí)說話。雖然全雙工算法提供了一種無需切斷任何一方說話的更自然的通話方式，但對(duì)于回聲路徑上的衰減卻更為敏感。全雙工算法的性能取決于回聲信號(hào)的線性度。音頻路徑中存在的非線性信號(hào)會(huì)降低話音質(zhì)量。

大部分免提電話生產(chǎn)商面臨的最大挑戰(zhàn)是如何將目前的半雙工設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為更高級(jí)的全雙工工作模式。在考慮免提電話總體性能時(shí)，生產(chǎn)商經(jīng)常會(huì)忽略塑料外殼設(shè)計(jì)的影響。塑料外殼設(shè)計(jì)的回聲損耗和非線性特征(或失真)是影響聲學(xué)回聲消除功能的兩個(gè)主要因素。

回聲路徑中的增益問題

回聲信號(hào)是指麥克風(fēng)從揚(yáng)聲器捕獲的被反射的音頻信號(hào)。反射信號(hào)包括麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器之間直接聲學(xué)耦合而產(chǎn)生的回聲(即麥克風(fēng)直接從揚(yáng)聲器捕獲的音頻信號(hào))，以及由房間內(nèi)的各種表面反射而產(chǎn)生的回聲。免提電話設(shè)計(jì)工程師的目標(biāo)就是要盡量減小回聲，而通過塑料外殼設(shè)計(jì)可以部分實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。但即使精心設(shè)計(jì)塑料外殼，也不可能完全消除回聲，因此需要借助聲學(xué)回聲消除器(AEC)。為獲得最佳通話性能，需利用AEC來盡量減小回聲信號(hào)。

圖1顯示了AEC周圍不同的增益分布情況。揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)增益衰減器(gain pad)會(huì)影響整個(gè)回聲路徑。揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)放大增益都是必需的，但必須設(shè)置在適當(dāng)?shù)乃剑拍塬@得較好的回聲消除效果。為優(yōu)化性能，所選擇的AEC必須能夠在不喪失凍結(jié)自適應(yīng)功能(可連續(xù)跟蹤回聲路徑中的信號(hào)變化)或無需利用開關(guān)衰減性能(不會(huì)退回到半雙工模式)的情況下，最大限度地消除聲學(xué)回聲。

圖1： 采用了聲學(xué)回聲消除器的免提通信系統(tǒng)的組成元件。

目前提供的許多商用器件能夠在不影響通話性能的情況下消除0dB或6dB的回聲(如圖1中從Rout至Sin這一段)。設(shè)計(jì)工程師需要保證回聲信號(hào)電平(Sin端)比揚(yáng)聲器音頻信號(hào)(Rin端)的高出值，不會(huì)超過該器件的回聲(0dB或6dB)。揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)增益、麥克風(fēng)增益以及聲學(xué)耦合共同決定了回聲的大小。為達(dá)到最佳免提通話效果，必須在揚(yáng)聲器音量大小和麥克風(fēng)靈敏度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，同時(shí)還要維持最大為0dB至6dB的聲學(xué)回聲路徑增益。

揚(yáng)聲器增益和麥克風(fēng)增益都影響到揚(yáng)聲器的音量，并且需要仔細(xì)調(diào)整才能保證麥克風(fēng)信號(hào)足夠滿足聲學(xué)回聲消除功能的要求。具體來說，這些增益應(yīng)當(dāng)設(shè)置為系統(tǒng)允許的最小值，而所有其它增益則應(yīng)當(dāng)在回聲路徑以外處理。最大音量應(yīng)當(dāng)根據(jù)Rout的最大信號(hào)(非平均值)來設(shè)定，而麥克風(fēng)增益應(yīng)當(dāng)采用最大輸入信號(hào)(非平均值)來設(shè)定。如果這些設(shè)置值不能提供足夠大的揚(yáng)聲器音量或麥克風(fēng)靈敏度，那么應(yīng)當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)上的增益來補(bǔ)償回聲路徑增益。例如，如果音頻回聲需要降低6dB來滿足AEC的要求，那么可以將麥克風(fēng)增益降低6dB并將網(wǎng)絡(luò)發(fā)送端增益提高6dB(使總體增益為0dB)。

值得注意的是，在一次呼叫進(jìn)行期間，回聲路徑中的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)增益和麥克風(fēng)增益不能動(dòng)態(tài)改變。否則將導(dǎo)致AEC察覺到回聲路徑的突變并觸發(fā)一次重聚合過程，從而產(chǎn)生遠(yuǎn)端通話者能聽到明顯回聲。任何揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)音量控制必須在網(wǎng)絡(luò)接收端增益模塊中完成。

揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的選擇和布局

通過盡量增大揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之間的聲學(xué)隔離可進(jìn)一步提高性能。圖2顯示的是一款針對(duì)桌面免提電話的揚(yáng)聲器/麥克風(fēng)推薦布局。揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)應(yīng)當(dāng)放置在塑料外殼的不同側(cè)。此外，麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器應(yīng)當(dāng)相互垂直。這樣就能夠把塑料外殼外的聲學(xué)耦合量降到最低。同時(shí)，揚(yáng)聲器應(yīng)當(dāng)封裝在一個(gè)獨(dú)立的聲腔內(nèi)，以減小塑料外殼內(nèi)的聲學(xué)耦合效應(yīng)。通過在揚(yáng)聲器腔和塑料外殼其余部分之間使用隔音板或其它固體隔離物，都可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖2：針對(duì)桌面免提電話的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器布局。

回聲路徑中的失真是導(dǎo)致聲學(xué)回聲消除效果不佳的主要原因之一。一旦回聲信號(hào)惡化，AEC就無法對(duì)回聲路徑建模并消除回聲。引起失真的因素很多，包括麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器失真、揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的放大設(shè)計(jì)以及塑料外殼設(shè)計(jì)。

為獲得高質(zhì)量的免提通話效果，揚(yáng)聲器的選擇非常重要。揚(yáng)聲器的質(zhì)量級(jí)別通常以最大音量時(shí)10%總諧波失真(THD)的失真率來表示。對(duì)于高質(zhì)量的AEC來說，THD應(yīng)當(dāng)小于2%。通常情況下，2% THD出現(xiàn)在大約是最大功率一半的時(shí)候。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要采用功率為1W的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器，那么應(yīng)當(dāng)選擇2W或更高功率的揚(yáng)聲器。

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用中使用的駐極體麥克風(fēng)來說，一般沒有什么大問題，因?yàn)樵谡麄€(gè)工作范圍內(nèi)其固有的線性度非常不錯(cuò)。由于全向麥克風(fēng)通常線性度比單向麥克風(fēng)更好，因此一般應(yīng)選用全向麥克風(fēng)。

揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器和麥克風(fēng)放大器的設(shè)計(jì)

與選擇揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)一樣，在設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器和麥克風(fēng)放大器時(shí)也必須仔細(xì)考慮。當(dāng)麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器放大器電路出現(xiàn)飽和時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的飽和，在噪音較大的環(huán)境(例如免提車載套件和工業(yè)應(yīng)用)中，這是非常嚴(yán)重的問題。

在車載免提通話套件中，導(dǎo)致麥克風(fēng)飽和的最常見原因是風(fēng)帶來的噪聲。在麥克風(fēng)上放置海綿片可以阻擋直接氣流，從而大大減少這種情況的發(fā)生。如果室內(nèi)的聲壓對(duì)于麥克風(fēng)來說太大(這種情況很少發(fā)生)，那么可以選擇聲壓級(jí)別比額定聲壓更低的麥克風(fēng)。

麥克風(fēng)放大器電路十分容易控制。如果麥克風(fēng)沒有達(dá)到飽和，但模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入過載，那么必須減小放大器增益。值得注意的是，降低麥克風(fēng)在噪聲環(huán)境中的增益，也會(huì)降低其在較安靜環(huán)境中的動(dòng)態(tài)范圍。通常，動(dòng)態(tài)范圍越大，音頻質(zhì)量就越高。由于在較安靜的環(huán)境中，音頻質(zhì)量的好壞顯而易見，因此音頻質(zhì)量的下降同樣也很容易察覺到。

麥克風(fēng)放大器電路中的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)增益控制(AGC)電路不能用來對(duì)不同信號(hào)電平進(jìn)行補(bǔ)償。因?yàn)锳GC位于回聲路徑中，每當(dāng)AGC改變?cè)鲆娑紩?huì)導(dǎo)致回聲路徑的突變，從而出現(xiàn)一段相當(dāng)長(zhǎng)的重會(huì)聚時(shí)間。如果可能的話，應(yīng)采用能夠改變模擬增益和更新AEC算法的高級(jí)AGC器件，從而能在各種噪聲環(huán)境下都獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍。

揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器中的消波(clipping)作用也會(huì)嚴(yán)重影響AEC性能。在使用中這種狀況十分明顯，并且可由用戶根據(jù)情況做出相應(yīng)調(diào)整。而不太容易注意到的是驅(qū)動(dòng)器達(dá)到消波時(shí)的非線性效應(yīng)。設(shè)計(jì)工程師必須注意保證揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器能夠以小于2%的THD為揚(yáng)聲器提供所需功率。只有這樣才能保證揚(yáng)聲器和驅(qū)動(dòng)器都工作在線性范圍內(nèi)。如果揚(yáng)聲器的尺寸和功率是固定的，但又確實(shí)需要更大的音量，那么可以使用具有非線性回聲控制功能的AEC來補(bǔ)償揚(yáng)聲器中的非線性效應(yīng)。

1.非線性回聲控制

揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)中使用的塑料通常是根據(jù)美觀和質(zhì)地等因素來選擇的，而較少考慮電氣特性。因此，有時(shí)很難在保證AEC性能所需的適當(dāng)THD水平(低于2%)下實(shí)現(xiàn)期望的音量。在這種情況下，采用支持非線性回聲控制的AEC將更合適一些。非線性回聲控制會(huì)檢查線性回聲消除器殘留的回聲，并與頻域的參考信號(hào)進(jìn)行比較，然后從回聲信號(hào)中減去估算出的頻率成份。由此可以看到，盡管雙方同時(shí)通話時(shí)的性能有了很大改善，但總體性能仍然依賴于THD(THD越低，性能越高)。

2.塑料外殼設(shè)計(jì)

塑料外殼的設(shè)計(jì)可增強(qiáng)或減輕聲學(xué)系統(tǒng)的失真。設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡量減輕塑料的振動(dòng)以及麥克風(fēng)從其它噪聲源(例如機(jī)械開關(guān))捕獲的振動(dòng)噪聲。

3.麥克風(fēng)位置

為盡量減小振動(dòng)耦合，麥克風(fēng)應(yīng)當(dāng)置于沒有空氣間隙的橡膠圈內(nèi)。麥克風(fēng)不應(yīng)與電路板(用電線與線路板連接)或塑料外殼直接接觸。同時(shí)，麥克風(fēng)不應(yīng)置于塑料外殼的接縫處。

同時(shí)還必須注意確保任何活動(dòng)部件(如聽筒、鍵盤、鍵鉤)不會(huì)產(chǎn)生能夠被麥克風(fēng)捕獲到的額外失真。通過采用軟橡膠鍵盤或觸摸屏軟鍵可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

4.揚(yáng)聲器位置

設(shè)計(jì)工程師不僅需要仔細(xì)考慮揚(yáng)聲器的位置，還要確保揚(yáng)聲器被正確地安裝在塑料外殼內(nèi)。此外，盡量減小塑料外殼內(nèi)的振動(dòng)非常重要。應(yīng)使用能夠吸收振動(dòng)的材料(例如軟硅膠或海綿膠)將揚(yáng)聲器固定在塑料外殼上。應(yīng)當(dāng)在塑料外殼和揚(yáng)聲器之間，以及揚(yáng)聲器安裝墊和揚(yáng)聲器之間使用此類減振材料(見圖3)。

圖3：安裝揚(yáng)聲器時(shí)，可在塑料外殼和揚(yáng)聲器之間，以及揚(yáng)聲器安裝墊和揚(yáng)聲器之間使用減振材料。

對(duì)于許多針對(duì)半雙工算法設(shè)計(jì)的塑料外殼來說，只要在揚(yáng)聲器和外殼以及安裝墊之間放一塊低成本的橡膠墊就可以大大增強(qiáng)塑料的聲學(xué)性能。

5.均衡器

當(dāng)必須使用現(xiàn)有設(shè)計(jì)不佳的塑料外殼時(shí)，可以通過在揚(yáng)聲器路徑中使用均衡器來進(jìn)行補(bǔ)償。例如，圖4顯示了一個(gè)桌面電話的總諧波失真(THD)與頻率關(guān)系圖。結(jié)果數(shù)據(jù)表明，由于揚(yáng)聲器在低頻時(shí)頻率響應(yīng)不好，因此造成低頻頻段失真嚴(yán)重。同時(shí)在頻率約420Hz、820Hz及1400Hz處也存在諧振頻率。這些失真點(diǎn)都使得回聲消除器的總體性能下降。

圖4：桌面免提電話的總諧波失真與頻率關(guān)系圖。

為解決這一問題，可以使用一個(gè)均衡器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，在信號(hào)到達(dá)揚(yáng)聲器前將諧振效應(yīng)降到最低。一個(gè)大小合適，帶有定位譜線的均衡器能夠?qū)μ囟l率的信號(hào)進(jìn)行衰減，并削弱諧振峰。這樣可能會(huì)給揚(yáng)聲器帶來少量失真。但這種失真在通話時(shí)通常察覺不到，并且這也是在采用原有塑料外殼設(shè)計(jì)和總體AEC性能之間進(jìn)行的合理折衷。

6.AEC調(diào)整指南

在調(diào)整AEC時(shí)，必須在揚(yáng)聲器音量和麥克風(fēng)靈敏度之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼壑?。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和塑料外殼設(shè)計(jì)越好，折衷時(shí)的靈活性就越大(反之亦然)。在開始AEC調(diào)整前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員首先必須確定對(duì)于最終用戶來說什么是最重要的：是揚(yáng)聲器音量還是麥克風(fēng)靈敏度。一旦目標(biāo)確定，就可以按照以下步驟調(diào)整AEC：

1) 設(shè)定麥克風(fēng)靈敏度，并確保根據(jù)目標(biāo)環(huán)境對(duì)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。麥克風(fēng)增益應(yīng)當(dāng)設(shè)置為能在輸入信號(hào)不會(huì)被消波的情況下提供最大的動(dòng)態(tài)范圍。
2) 將用戶增益設(shè)為0dB，并緩慢提高模擬揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的增益直到AEC無法完成回聲消除。
3) 如果揚(yáng)聲器音量太低，則給麥克風(fēng)放大器增加6dB衰減量，并在Sout路徑中加入6dB增益作為補(bǔ)償。請(qǐng)記住，必須調(diào)整NLP閾值來補(bǔ)償這些增益設(shè)置。
4) 將揚(yáng)聲器增益提高6dB。如果揚(yáng)聲器音量仍然不足夠大，那么重復(fù)步驟 3(僅將增益/衰減值改為9dB)。對(duì)于小于9dB的增益/衰減設(shè)置，都可以使用這一方法。
5) 一旦達(dá)到期望的揚(yáng)聲器音量，就可以通過調(diào)節(jié)Sout增益來調(diào)整麥克風(fēng)靈敏度。
6) 如果除了峰值以外，AEC對(duì)于大多數(shù)信號(hào)都工作正常，那么可能是揚(yáng)聲器或揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器引起了某些失真。這可以通過限制Rout電平來解決。一個(gè)16位編解碼器的最大PCM值為7FFFh。將這一值減小至3FFFh，則送往揚(yáng)聲器的輸出信號(hào)將不出現(xiàn)峰值，并且由揚(yáng)聲器和揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器引起的失真也會(huì)減輕。

本文小結(jié)

雖然語音處理算法決定了聲學(xué)回聲消除器的性能，但回聲和失真兩大因素對(duì)于AEC的最終性能也有很大影響。要使AEC工作正常，必須盡量減小這兩個(gè)因素的影響。

塑料外殼設(shè)計(jì)對(duì)于AEC的性能起到非常重要的作用。塑料外殼通過產(chǎn)生高級(jí)聲學(xué)耦合來消除回聲。通過仔細(xì)選擇揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的位置，并增加隔音板或采用隔離的揚(yáng)聲器腔，可以減小聲學(xué)耦合。

通過塑料外殼傳導(dǎo)的振動(dòng)也會(huì)引起失真。采用軟墊來安裝揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)可以減輕振動(dòng)，同時(shí)還有可能改善針對(duì)半雙工算法而設(shè)計(jì)的塑料外殼的聲學(xué)性能。在揚(yáng)聲器/麥克風(fēng)以及塑料外殼之間增加減振材料，設(shè)計(jì)工程師就可以采用全雙工算法來設(shè)計(jì)。

導(dǎo)致AEC性能下降的另一個(gè)原因是選擇了不合適的揚(yáng)聲器和揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器。揚(yáng)聲器/驅(qū)動(dòng)器的諧波失真必須小于2%，才能確保獲得良好的AEC性能。