免提車載套件的設(shè)計考慮

市場對更高質(zhì)量車載免提語音系統(tǒng)的需求正不斷增長。許多政府已經(jīng)通過或正在考慮立法，以禁止在駕駛過程中使用手持式移動電話。此外，汽車制造商也在響應(yīng)消費(fèi)者對更高性能的車載通信與音響系統(tǒng)的需求。然而，移動車輛卻為移動語音通信技術(shù)造就了一個不利的環(huán)境。特別是，回聲和非常嘈雜的路面與汽車噪聲相耦合，降低了通話的聲音質(zhì)量。為了提升免提車載套件的性能，設(shè)計者必須找到一種解決方案能夠消除回聲、降低背景噪聲和通過全雙工操作增強(qiáng)對講性能。

免提通信需求

早期的免提車載套件解決方案只在有限的市場獲得了應(yīng)用。主要原因是目前市場上許多免提車載套件采用的都是最初為揚(yáng)聲器電話開發(fā)的技術(shù)，無法支持高質(zhì)量的語音通信。這些免提車載套件的語音質(zhì)量會比蜂窩語音電話還要糟得多。一般來說，在這類免提車載套件設(shè)計中，對低成本的需求勝過對性能的需求。例如，低端的車載套件將只支持半雙工操作，這意味著某個時刻只能有一個人說話。不過，這種狀況正在改變。隨著全世界政府立法的實(shí)施，駕駛員若想在移動車輛中通信，將必須安裝免提車載套件。這樣，消費(fèi)者將需要更佳性能的免提通信技術(shù)。

盡管藍(lán)牙耳機(jī)在免提通信市場掀起了一些風(fēng)浪，但免提車載套件可以提供一些更重要的性能和更好的安全性。高性能車載免提套件將提供比藍(lán)牙耳機(jī)方案更好的語音質(zhì)量。就安全性和易用性而言，免提車載套件用戶幾乎不需要做什么動作就可以接聽電話。相比之下，使用藍(lán)牙耳機(jī)則需要尋找耳機(jī)并將其放在正確位置，才能接聽電話。

聲學(xué)回聲源

在車內(nèi)，有兩個聲學(xué)回聲源——揚(yáng)聲器和話筒之間的直接聲學(xué)耦合，引起語音信號在車廂里回響。聲學(xué)回聲主要來自直接聲耦合，這在話筒直接從揚(yáng)聲器拾取語音信號時產(chǎn)生。這種情況在車內(nèi)環(huán)境中通常會變得更大，這是因為免提車載套件的音量要設(shè)得較高，以克服來自發(fā)動機(jī)和路面的噪聲。

聲學(xué)回聲的第二個來源是間接耦合或車廂反射。音頻信號在車廂里的各個表面上反射?；芈暤膹?qiáng)度取決于車內(nèi)使用材料的類型。越堅硬的表面反射越多的音頻，而越柔軟的表面則吸收越多的回聲。例如，汽車座椅將吸收較多回聲，而車窗則反射較多回聲。進(jìn)一步復(fù)雜化的是，由車內(nèi)反射造成的回聲還會被延遲。回聲延遲量將隨車廂的尺寸和使用的材料而異。圖1顯示了直接聲學(xué)耦合和車廂反射回聲。

噪聲源

無論是由車輛產(chǎn)生還是由環(huán)境產(chǎn)生的噪聲，對于免提車載套件來說，要成功消除它們都是很大的挑戰(zhàn)。需要特別注意的是，這些噪聲的大小在不停地變化。車內(nèi)最重要的噪聲源包括：

發(fā)動機(jī)噪聲汽車運(yùn)行時產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)噪聲可以惡化通信系統(tǒng)的語音質(zhì)量性能。當(dāng)汽車加速時發(fā)動機(jī)噪聲達(dá)到其峰值水平，在跑車快速加速期間這一點(diǎn)更為顯著。



圖1：直接耦合和車廂回響是車內(nèi)聲學(xué)回聲的兩大來源

路面噪聲輪胎和路面之間的磨擦產(chǎn)生噪聲。噪聲的強(qiáng)度取決于輪胎胎面、路面材料以及季節(jié)。例如，夏季輪胎比冬季輪胎安靜，瀝青路面比混凝土路面安靜。

風(fēng)噪聲空氣流過汽車并撞擊突出部位，例如后視鏡或車頂貨架，或者行駛時開窗而產(chǎn)生風(fēng)噪聲。風(fēng)噪聲因不同車輛而不同。例如，圓滑外形的跑車比SUV的風(fēng)噪聲要小。風(fēng)噪聲還受汽車制造商安裝的隔音材料多少的限制。高端豪華汽車比較低成本的小型汽車具有更好的隔音性能。另外，開窗行駛還會在車身內(nèi)外之間造成較大的壓差。

可以使用噪聲抑制算法降低風(fēng)噪聲、路面噪聲和發(fā)動機(jī)噪聲對通信系統(tǒng)聲音質(zhì)量的影響。對于具有高聲壓的風(fēng)噪聲，例如當(dāng)車速超過100公里/小時且車窗打開時，模擬前端電路將會飽和，從而造成語音信號削波。信號削波還將同時降低回聲對消(AEC)和總噪聲抑制電路的總體性能。



圖2：使免提車載通信系統(tǒng)設(shè)計面臨挑戰(zhàn)的噪聲源

解決此問題有兩個選擇：第一個選擇是針對最壞情況設(shè)計輸入電路，并將話筒增益設(shè)置為輸入信號永遠(yuǎn)不會被削波的水平。不過這將引起模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍縮小，信噪比惡化，從而使AEC的總體性能惡化。AEC性能的惡化在嘈雜環(huán)境中是可以接受的，因為殘余回聲被背景噪聲淹沒了。但在安靜環(huán)境下，殘余聲學(xué)回聲顯得較為顯著，使得惡化的性能無法接受。例如，如果音頻路徑上是車內(nèi)噪聲和比其高30dB的信號，設(shè)計者可以將輸入增益衰減30dB以抵消噪聲。但是，當(dāng)汽車停車和噪聲源消失時，SNR將比實(shí)際需要高出30dB。過高的SNR將降低聲學(xué)回聲對消的性能。

設(shè)置為高增益的另一個問題，是通話期間話音電平的變化。通常說話時，我們會根據(jù)噪聲狀況調(diào)節(jié)我們的話音高低。而在車廂里，如果針對最壞情況噪聲狀況進(jìn)行設(shè)計，雖然當(dāng)車內(nèi)噪聲較大時可以獲得良好性能，但在噪聲較小時性能卻下降。

理想的解決方案是根據(jù)環(huán)境動態(tài)地改變話筒增益。如果系統(tǒng)采用一個簡單的模擬增益控制器，來檢測并控制話筒增益，將等同于控制回聲路徑上的變化，并將迫使AEC重新收斂。

汽車噪聲通常為低頻。許多免提車載套件使用高通濾波器來濾除汽車噪聲。高通濾波器可以濾除大部分噪聲，但會影響語音質(zhì)量。為達(dá)到高性能，必須將算法設(shè)計成能夠區(qū)分語音和噪聲信號，并將噪聲從總信號中濾除。良好的噪聲抑制算法應(yīng)該在濾除噪聲和保持語音信號完整性之間達(dá)到平衡。

為達(dá)到所需的性能，系統(tǒng)設(shè)計者必須對話筒輸入信號(Sin)采用自動增益控制(AGC)。該AGC避免了信號削波，同時保持了由用戶確定的總增益設(shè)置。對話筒輸入采用模擬自動控制增益(由數(shù)字信號處理器控制)并采用對陡峭回聲路徑變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)乃惴?通常會導(dǎo)致重新收斂)將避免信號被削波。

該方法可以使ADC在各種環(huán)境條件下具有最大動態(tài)范圍?？勺屚ㄔ捳咭哉Ｂ曇粽f話，而不管車內(nèi)的噪聲狀況如何。