音響系統回波抵消研究

摘要：針對音響系統在室內產生的回波干擾，采用基于頻域回波抵消算法，結合DSP芯片TMS320VC5416硬件的處理方法，設計了RS232串口通訊的人機界面控制程序，從而有效地消除了干擾噪音。該方法可用于多種音頻設備、會議系統，以抵消回波產生的干擾。
關鍵詞：音響系統；回波抵消；頻域；干擾

0 引言
在許多音頻設備(如視頻會議系統)中，揚聲器播放出來的聲音被麥克風拾取后要發回遠端，使得遠端談話者能聽到自己的聲音(經一個聲路徑延遲的聲音)，從而干擾語音傳輸，稱為聲學回波。
聲學回波抵消器(Acoustic Echo cancellor，AEC)，是對揚聲器信號與由它產生的多路徑回波的相關性為基礎建立的遠端信號語音模型。利用它可對回波進行估計，并不斷地修改濾波器的系數，使得估計值更加逼近真實的回波；然后再將回波估計值從話筒的輸入信號中減去，從而達到消除回波的目的。AEC還會將話筒的輸入與揚聲器過去的值相比較，從而消除延長延遲的多次反射的聲學回波。根椐存儲器存放的過去的揚聲器輸出值的大小，通過AEC可以消除各種延遲的回波。

1 回波抵消算法
聲學回波抵消算法(簡稱AEC算法)采用一種成熟的商用頻域算法模塊，由美國的SPIRIT Corp設計，遵循國際電信聯盟(IUT)G.167標準，可用來去除由揚聲器到麥克風的聲音反饋所引起的回波，用戶可設的最大回波路徑延遲達508 ms，該算法的原理框圖如圖1所示。

圖1中的CNG(Comfort noise generator)為舒適噪聲產生器，DT(Double talk)detector為雙端回話檢測器，ERL(Echoreturn loss)為回聲傳播損失，NLP(Non-linear processor)為非線性處理器，NS(Noise suppressor)為噪聲抑制器，Tonedetector為音調檢測器，Sub-band adaptive subtractors為子帶自適應減法器，Sub-band noise suppressor為子帶噪聲抑制器，Anti-howling control為抗嘯叫控制單元，Convergence monitor為算法收斂檢測器。Feinput為遠端參考信號輸入，Feoutput為經過AEC算法處理后的近端參考信號輸出，稱為接收回路：Neinput為回波信號與近端語音的混合信號，Neoutput為去除回波的近端語音信號，稱為發送回路。
在AEC開始處理時，采用半雙工方式可以避免AEC算法收斂時殘余回波被聽到，收斂監控器用于跟蹤當前回波返回損失并檢測收斂。一旦收斂AEC轉向全雙工方式，而且因為它對背景噪聲和回波路徑改變，非線性失真都非常強，所以不會再轉向半雙工方式，這樣就能保證在任何條件下的全雙工通訊。因為其子帶結構，AEC僅處理32個輸入緩沖區的樣本，并在內部有96個樣本的延遲。
AEC具有強大雙端會話檢測器，因而允許AEC算法在本地語音存在的條件下收斂，并且在雙端會話期間不會帶來殘余回波增大。雙端會話檢測器可以在信噪比大于6 dB的噪聲條件下工作，雙端會話檢測器可控制自適應濾波器、NLP和CNG，以防止它們不收斂。當雙端會話開始被檢測到后，發送回路中的NLP關閉，并以確定速度逐漸增加其傳輸增益，直到達到其最大值1(16位時為32 767)。當雙端會話結束被檢測到時，NLP打開并逐漸降低其增益，直到定義的最小值，這樣就增加了回波抵消。
發送回路和接收回路中的NLP在半雙工模式下都支持開關切換。CNG在NLP打開時工作產生與背景噪聲幅度相適應的適度噪聲，但其幅度小于設定的最大值。AEC具有內部音調檢測器，可以防止AEC收斂在如撥號音或振鈴音的正弦信號，這種收斂可能造成AEC運行錯誤。特別是在AEC收斂在這類信號的開始處，這一點對免提電話特別有用。AEC還具有抗嘯叫控制單元，可用來避免因為聲音在麥克風和揚聲器問反饋引起的嘯叫(Larsen效應)，這種情況只有在遠端和近端運行在全雙工模式下才會發生。

2 回波抵消器硬件構成
本文的回波抵消器硬件平臺主要基于TI公司TMS320VC5416高性能DSP芯片來進行設計，其硬件平臺結構如圖2所示。