基于CSR CVC-HF系統(tǒng)的汽車藍(lán)牙免提方案

隨著駕駛安全問題受到更廣泛的關(guān)注，藍(lán)牙車載免提也因此而獲得強(qiáng)大的市場支持。藍(lán)牙車載免提系統(tǒng)的設(shè)計涉及兩大主要問題，第一個是藍(lán)牙技術(shù)的問題，第二個是在車內(nèi)空間狹小的情況下所涉及的回音消除及噪聲抑制的問題，CSR公司在這兩個方面都處于領(lǐng)導(dǎo)者的地位，本文將詳細(xì)描述基于CSR芯片方案和CSR-HF回聲消除軟件系統(tǒng)的藍(lán)牙車載免提系統(tǒng)方案。

今天，汽車已經(jīng)不再是少數(shù)人的奢侈品，走下了神壇，進(jìn)入尋常百姓家中。從而汽車駕駛安全的問題也就自然成為大眾關(guān)心的話題。為了行車安全，目前很多國家都不允許開車時用手接聽電話，這也就給采用藍(lán)牙技術(shù)的車載免提造就了巨大的市場空間。但要實現(xiàn)車載的藍(lán)牙免提，需要解決兩大技術(shù)問題，其一是藍(lán)牙技術(shù)問題，其二是在車內(nèi)復(fù)雜的空間環(huán)境下所帶來的回音問題，即通話的語音品質(zhì)問題。

　　藍(lán)牙協(xié)議是由特別興趣小組SIG(Special Intresting Group)組織制定并推廣的一個開放的短距離、低功耗的無線解決方案。其射頻工作在無需授權(quán)的ISM(工業(yè)，科學(xué)以及醫(yī)療)頻段，并采用跳頻技術(shù)來消除干擾和降低衰減。藍(lán)牙技術(shù)一個重要的特點是它不僅是一個連接層的規(guī)范，同時還制定了很多基于這個連接協(xié)議層上的很多的應(yīng)用，比如Handfree Profile、文件傳輸、網(wǎng)絡(luò)接入等。本文所談到的車載系統(tǒng)就應(yīng)用到了其中的Handfree Profile。

　　整個藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)可以分為底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應(yīng)用層三大部分，如圖1所示。

圖1：藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。

　　鏈路管理層(LM)、基帶層(BB)和射頻(RF)構(gòu)成了藍(lán)牙的底層模塊。中間協(xié)議層包括邏輯鏈路控制與適配協(xié)議(L2CAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)、串口仿真協(xié)議(RFCOMM)和電話控制協(xié)議規(guī)范(TCS)，最高層是應(yīng)用層，即眾多的profile。

　　藍(lán)牙的車載實際應(yīng)用總是和手機(jī)聯(lián)系在一起的，雖然藍(lán)牙SIG組織在互操作性方面做了很多的規(guī)定。但是各個手機(jī)廠商在具體實現(xiàn)上各有各的不同，這些實現(xiàn)方式只能保證在基本的方面沒有問題，而目前有很多手機(jī)廠商并沒有做BQB認(rèn)證，這更加加劇了互操作性的問題。所以與手機(jī)的兼容性問題對于產(chǎn)品實現(xiàn)非常重要。CSR(Cambridge Silicon Radio)公司是藍(lán)牙業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者，其在兼容性方面做了非常充分的測試，這樣OEM廠商可以從這個問題中解放出來。

　　前面提到第二項關(guān)鍵技術(shù)是回音消除和噪音抑制，這也是本文討論的重點。汽車內(nèi)的空間特別狹小，由揚聲器發(fā)出的聲音通過在車內(nèi)不同的地方發(fā)生反射，又傳回到車載系統(tǒng)的麥克風(fēng)是車載系統(tǒng)產(chǎn)生回音的一個根本原因，從圖2可以看出車載系統(tǒng)在使用時回音產(chǎn)生的復(fù)雜情況。

圖2：車載系統(tǒng)產(chǎn)生回音的復(fù)雜情況。

　　從回音的產(chǎn)生到用戶聽到回音有一定的時間間隔，主要是由于電波傳輸以及反射會引起時間消耗。如何提高車載系統(tǒng)通話的語音質(zhì)量是一個關(guān)鍵的話題，直接關(guān)系到用戶體驗，而由于車內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境，又使得該項技術(shù)充滿了挑戰(zhàn)。

　　CSR推出的BlueCore3-Multimedia和其回音消除軟件整合在一起構(gòu)成了藍(lán)牙車載系統(tǒng)的完整解決方案，BlueCore3-Mutlimedia是一顆集處理器和藍(lán)牙無線射頻控制于一體的單芯片方案。圖2是它的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖3：BlueCore3-Multimedia系統(tǒng)架構(gòu)。

　　從圖3可以看到，BlueCore3-Multimedia還集成了開放平臺DSP－Kalimba DSP。Kalimba DSP作為基帶處理器的協(xié)處理器，用于完成對語音通信中的回音消除。

　　該方案將實現(xiàn)車載系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)整合到一顆芯片中來，無疑降低了產(chǎn)品的開發(fā)難度和系統(tǒng)成本，為產(chǎn)品的快速上市創(chuàng)造了很好條件。

　　在BlueCore3-Mulitmedia的基帶控制器(MCU)中運行藍(lán)牙協(xié)議棧以及Handfree Profile和Handset　Profile，并從藍(lán)牙的同步面向連接(SCO)鏈路中提取語音信息并轉(zhuǎn)送給Kalimba DSP，Kalimba DSP中的軟件完成語音處理，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換到揚聲器放出來，反方向是模數(shù)轉(zhuǎn)換從麥克風(fēng)中收集語音信息，到Kalimba DSP中進(jìn)行處理，然后傳送給基帶控制器，再通過藍(lán)牙的SCO鏈路發(fā)送出去，流程示意見圖4。

圖4： CSR藍(lán)牙車載系統(tǒng)的語音信號流向示意。

　　前面已經(jīng)提到回音產(chǎn)生的一個根本原因是揚聲器發(fā)出的聲音耦合到麥克風(fēng)而產(chǎn)生的，所以回音消除的方法就是采用一定的技術(shù)手段把這些耦合進(jìn)去的聲音信號提取出來。可以從圖5中理解這個消除回音的基本原理。

圖5：回聲消除的基本原理。

　　在圖5中，先在從SCO鏈路到揚聲器這個通路上采集參考信號，在回聲消除器里對這些參考信號進(jìn)行處理，得到處理好的結(jié)果再與從麥克風(fēng)里的信號進(jìn)行疊加，從而去掉回音。

CSR-HF車載回聲消除軟件系統(tǒng)

　　CSR-HF由兩大部分組成：OMS(用于噪聲抑制)和AEC(回聲消除)，它是唯一一款將回音消除和噪聲抑制整合在一起的軟件解決方案。該程序運行在CSR　BlueCore3-Multimedia芯片的Kalimba DSP中，與基帶部分的藍(lán)牙協(xié)議一起組成了車載系統(tǒng)的完整解決方案。圖6展示了清晰語音捕捉(CVC)軟件的主要部分，從圖中可以看出，需要四個語音通道來滿足CVC的工作。

　　CSR-HF采用仿真人類接收語音信號的系統(tǒng)來處理語音信號，捕獲背景噪音并把它們剝離出來，從而實現(xiàn)高品質(zhì)的語音通信。

CSR-HF主要部分的說明

　　CVC-OMS：OMS處理過程是一個實時的處理過程，它采用語音抽取技術(shù)來選擇并獲取感興趣的語音信息，從而減小了背景噪音的干擾。在捕獲有小的失真的語音信息的時候，容易產(chǎn)生在統(tǒng)計上相對比較穩(wěn)定的非白噪聲(Colored Noise)，OMS對這類信號尤其有用，對噪聲的抑制可以達(dá)到12dB。

　　CVC-AEC：AEC是一款標(biāo)準(zhǔn)的回音消除程序，它從車載系統(tǒng)中捕獲回音，并將其清理出去。這個實時處理過程對由于揚聲器耦合到麥克風(fēng)而產(chǎn)生的回音非常有效。AEC的回波損耗誤差(ERLE)可以達(dá)到50dB。同時AEC還具備自適應(yīng)能力。

　　ALT(AGC)：自動音量調(diào)整(ALT)以及自動增益控制(AGC)位于來自藍(lán)牙接口的接收通路上(Rx)，自動地調(diào)節(jié)Rx通路上的音量信號，彌補(bǔ)移動電話或者網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在對信號進(jìn)行處理過程中對信號帶來的的影響。ALT和內(nèi)部其它音量調(diào)整部分一起構(gòu)成一個整體，并可以對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。

　　CVC-HF的性能可以通過參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，缺省情況下，這些參數(shù)是存儲在BlueCore3-Multimedia芯片內(nèi)的閃存中，CVG-HF和BlueCore3-Multimedia通過緩沖區(qū)來與該芯片上的微控制器進(jìn)行通信。

　　CSR-CVC被制作成庫的形式進(jìn)行發(fā)布，配合CSR的藍(lán)牙開發(fā)套件Bluelab進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)產(chǎn)品的不同，用戶可以通過參數(shù)來對CVC進(jìn)行配置，比如增益控制等等。

　　配合CVC-HF工作的四個語音通道：1.CVC-HF麥克風(fēng)輸入，從近端的麥克風(fēng)到BlueCore3-Multimedia的編解碼器，再輸入到CVC-HF；2.CVC-Rx，從藍(lán)牙的Rx通道獲取參考信號，在該信號中包含遠(yuǎn)端用戶的語音信號，是必須過濾掉的信號。Rx的PCM數(shù)據(jù)直接送到AEC處理器中。另外，從Rx來的PCM數(shù)據(jù)也可以先進(jìn)行ALT和音量調(diào)節(jié)處理，再送入AEC，但是這個過程可以進(jìn)行選擇，不是必須的；3.CVC-Tx，該通道用于把經(jīng)過回音消除的語音信息發(fā)送到藍(lán)牙接口，這就是遠(yuǎn)端用戶聽到的語音信息；4.揚聲器輸出通道。

　　CVC-HF的一些參數(shù)：處理器能力需要22MIPS，程序大小為3.4KW(32位為一個字長)，數(shù)據(jù)存儲器需要6.6KW(24位為一個字長)，8KHz的抽樣率；由于回音處理帶來的延遲在發(fā)送通道是36毫秒，在接收通道是12毫秒，這個延遲包括采樣轉(zhuǎn)換時間，以及從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)的時間。

　　上文已經(jīng)指出回音是由于揚聲器發(fā)出的聲音耦合到麥克風(fēng)中是其主要因素，所以，麥克風(fēng)與揚聲器的相對位置非常重要，一般來說揚聲器的位置離麥克風(fēng)的距離是越遠(yuǎn)越好，當(dāng)然基于車內(nèi)的空間，這個距離始終是有限的，所以在安裝的時候，要充分考慮這一點。如果把麥克風(fēng)和揚聲器做在一體，要考慮連接的材質(zhì)，以及連接部分空間的填充物的材料。另外，麥克風(fēng)與揚聲器盡量不要放在風(fēng)口，麥克風(fēng)的方向與揚聲器發(fā)聲方向相反或者呈90度也可以獲得更加理想的效果。

　　由于汽車市場的快速增長，藍(lán)牙車載系統(tǒng)也將擁有更多的發(fā)展空間，在這個充滿機(jī)遇同時又面臨眾多的技術(shù)調(diào)整的市場上，選擇合適的解決方案將對OEM廠商在這個市場上是否能取得成功起著非常關(guān)鍵的作用。

　　世健系統(tǒng)有限公司在藍(lán)牙技術(shù)、藍(lán)牙互操作性以及CSR回音消除軟件的參數(shù)調(diào)試方面都積累了豐富的經(jīng)驗，并推出了在藍(lán)牙車載領(lǐng)域的參考設(shè)計，OEM廠商可以利用該參考設(shè)計快速的將產(chǎn)品推向市場。