如何解決動(dòng)態(tài)提高回聲與噪聲消除性能？

移動(dòng)手持終端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、免提設(shè)備及其它移動(dòng)通信系統(tǒng)的語(yǔ)音質(zhì)量是建立消費(fèi)者偏好的關(guān)鍵因素?；芈暫驮肼暿菬o(wú)線通信固有的毛病。我們需要信號(hào)處理技術(shù)來(lái)解決語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題，確保提供能被市場(chǎng)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(dú)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(kāi)門或較大的噪聲，那么音頻系統(tǒng)會(huì)很難適應(yīng)變化，且音頻性能也會(huì)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。在大多數(shù)情況下，消費(fèi)者還沒(méi)發(fā)現(xiàn)音質(zhì)出現(xiàn)問(wèn)題之前，我們就能完成調(diào)節(jié)。同樣，這種新方法實(shí)現(xiàn)了更高的集成度，能解決較大的噪聲和回聲問(wèn)題，從而能夠?qū)崿F(xiàn)聽(tīng)起來(lái)非常自然的全雙工語(yǔ)音通話。

回聲和噪聲消除技術(shù)的巨大進(jìn)步來(lái)得非常及時(shí)，因?yàn)槊绹?guó)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(shí)手握移動(dòng)電話通話。歐洲大多數(shù)國(guó)家及全球許多其它國(guó)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(jì)挑戰(zhàn)所在。設(shè)計(jì)人員需要簡(jiǎn)單易用的軟硬件，以便能夠?yàn)槊馓嵋纛l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(wú)線通信中的回聲來(lái)源

無(wú)線系統(tǒng)中的回聲有兩大來(lái)源：電氣回聲和聲學(xué)回聲。如果設(shè)計(jì)方案不佳，導(dǎo)致?lián)P聲器信號(hào)直接耦合到擴(kuò)音器信號(hào)，那么就會(huì)出現(xiàn)電氣回聲。這一問(wèn)題的最佳解決方案就是做好設(shè)計(jì)工作。

對(duì)我們提出更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的問(wèn)題在于聲學(xué)回聲。如果放大后的揚(yáng)聲器信號(hào)通過(guò)擴(kuò)音器發(fā)生回聲，那么就會(huì)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(gè)因素。放大后的揚(yáng)聲器聲音會(huì)在不同時(shí)間在多個(gè)通道上反射。這種間接的回聲明顯滯后于原始信號(hào)，這是因?yàn)槁曇粼诳諝庵械膫鞑ニ俣葍H為300米/秒，而且由于機(jī)械振動(dòng)加大了復(fù)雜性，回聲反射也會(huì)失真。

半雙工交換技術(shù)

圖1：半雙工解決方案

解決回聲問(wèn)題的最基本方法就是在檢測(cè)到遠(yuǎn)端語(yǔ)音時(shí)禁用近端語(yǔ)音通道，這雖然能消除聲學(xué)回聲，但每次只允許一個(gè)人說(shuō)話。舉例來(lái)說(shuō)，就傳統(tǒng)的對(duì)講機(jī)而言，按下通話按鈕，就不能聽(tīng)到其它在線人說(shuō)的話了，因此雙向無(wú)線電通話規(guī)則中要求說(shuō)話人講完話時(shí)必須明確表示“完畢”。后來(lái)又有新技術(shù)用語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)器 (VAD) 取代了通話按鈕，它能在檢測(cè)到遠(yuǎn)端語(yǔ)音時(shí)自動(dòng)開(kāi)/關(guān)近端語(yǔ)音通道。在移動(dòng)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?yàn)槿p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(duì)方的觀點(diǎn)，隨時(shí)停頓，不用擔(dān)心擴(kuò)音器突然不能使用。

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(guò)監(jiān)控遠(yuǎn)端信號(hào)，然后從接收信號(hào)中去除遠(yuǎn)端信號(hào)這一基本方法來(lái)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(shí)現(xiàn)回聲消除。但實(shí)際上回聲幅度及時(shí)間取決于無(wú)線設(shè)備使用的環(huán)境，而這一環(huán)境經(jīng)常會(huì)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(hào)。聲學(xué)回聲消除器算法用近端揚(yáng)聲器的參考信號(hào)來(lái)估算回聲通道，并從近端擴(kuò)音器信號(hào)中去除回聲。

自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)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(hào)已知的特性來(lái)計(jì)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(lái)更新濾波器系數(shù)，以此來(lái)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(hào)功率加以歸一，以獨(dú)立于信號(hào)電平。

我們?cè)诖蠖鄶?shù)情況下都能以足夠的準(zhǔn)確度進(jìn)行上述計(jì)算，以降低可感覺(jué)到的回聲。問(wèn)題在于，算法能否發(fā)揮作用，取決于揚(yáng)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(shuō)把手里的電話放到桌面上，觸摸鍵區(qū)，把紙張蓋在揚(yáng)聲器上)，或當(dāng)擴(kuò)音器到揚(yáng)聲器的距離變動(dòng)時(shí)(帶線話筒放回原位)，回聲路徑就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)路徑變化時(shí)，算法就要根據(jù)新的回聲路徑進(jìn)行調(diào)整，這就會(huì)出現(xiàn)延遲。在自適應(yīng)延遲過(guò)程中，回聲就會(huì)在近端信號(hào)路徑上傳輸。

在設(shè)計(jì)回聲消除器時(shí)，了解這種器件的工作環(huán)境十分重要。擴(kuò)音器與揚(yáng)聲器是否處于固定位置?位置變動(dòng)是否會(huì)對(duì)正常工作產(chǎn)生影響?器件工作環(huán)境允許的最長(zhǎng)回聲路徑是多少?預(yù)計(jì)噪聲有多大?噪聲是否會(huì)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(yáng)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(wèn)題，才能設(shè)計(jì)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(guò)，當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，濾波器系數(shù)還在適應(yīng)新的回聲通道，我們就已經(jīng)聽(tīng)到回聲了。根據(jù)初始參數(shù)設(shè)置的不同，適應(yīng)過(guò)程需要 5 到 10 秒的時(shí)間。

除了回聲影響近端信號(hào)質(zhì)量的問(wèn)題外，背景噪聲也會(huì)造成不良影響。針對(duì)這一問(wèn)題的解決方案就是采用噪聲消除器。典型的噪聲消除器獨(dú)立于回聲消除器工作，任何干擾問(wèn)題都可忽略不計(jì)。與回聲消除器不同，噪聲消除器沒(méi)有參考信號(hào)作為依據(jù)。它必須對(duì)噪聲進(jìn)行估測(cè)，并將其從揚(yáng)聲器信號(hào)中消除，要么就只能估測(cè)語(yǔ)音。不管怎么說(shuō)，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(hào)，我們能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)環(huán)境，提高整合效果。如果沒(méi)有上述相互作用，系統(tǒng)可能會(huì)把語(yǔ)音信號(hào)當(dāng)作噪聲而誤消除。

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