音响系统回波抵消研究

摘要：针对音响系统在室内产生的回波干扰，采用基于频域回波抵消算法，结合DSP芯片TMS320VC5416硬件的处理方法，设计了RS232串口通讯的人机界面控制程序，从而有效地消除了干扰噪音。该方法可用于多种音频设备、会议系统，以抵消回波产生的干扰。
关键词：音响系统；回波抵消；频域；干扰

0 引言
在许多音频设备(如视频会议系统)中，扬声器播放出来的声音被麦克风拾取后要发回远端，使得远端谈话者能听到自己的声音(经一个声路径延迟的声音)，从而干扰语音传输，称为声学回波。
声学回波抵消器(Acoustic Echo cancellor，AEC)，是对扬声器信号与由它产生的多路径回波的相关性为基础建立的远端信号语音模型。利用它可对回波进行估计，并不断地修改滤波器的系数，使得估计值更加逼近真实的回波；然后再将回波估计值从话筒的输入信号中减去，从而达到消除回波的目的。AEC还会将话筒的输入与扬声器过去的值相比较，从而消除延长延迟的多次反射的声学回波。根椐存储器存放的过去的扬声器输出值的大小，通过AEC可以消除各种延迟的回波。

1 回波抵消算法
声学回波抵消算法(简称AEC算法)采用一种成熟的商用频域算法模块，由美国的SPIRIT Corp设计，遵循国际电信联盟(IUT)G.167标准，可用来去除由扬声器到麦克风的声音反馈所引起的回波，用户可设的最大回波路径延迟达508 ms，该算法的原理框图如图1所示。

图1中的CNG(Comfort noise generator)为舒适噪声产生器，DT(Double talk)detector为双端回话检测器，ERL(Echoreturn loss)为回声传播损失，NLP(Non-linear processor)为非线性处理器，NS(Noise suppressor)为噪声抑制器，Tonedetector为音调检测器，Sub-band adaptive subtractors为子带自适应减法器，Sub-band noise suppressor为子带噪声抑制器，Anti-howling control为抗啸叫控制单元，Convergence monitor为算法收敛检测器。Feinput为远端参考信号输入，Feoutput为经过AEC算法处理后的近端参考信号输出，称为接收回路：Neinput为回波信号与近端语音的混合信号，Neoutput为去除回波的近端语音信号，称为发送回路。
在AEC开始处理时，采用半双工方式可以避免AEC算法收敛时残余回波被听到，收敛监控器用于跟踪当前回波返回损失并检测收敛。一旦收敛AEC转向全双工方式，而且因为它对背景噪声和回波路径改变，非线性失真都非常强，所以不会再转向半双工方式，这样就能保证在任何条件下的全双工通讯。因为其子带结构，AEC仅处理32个输入缓冲区的样本，并在内部有96个样本的延迟。
AEC具有强大双端会话检测器，因而允许AEC算法在本地语音存在的条件下收敛，并且在双端会话期间不会带来残余回波增大。双端会话检测器可以在信噪比大于6 dB的噪声条件下工作，双端会话检测器可控制自适应滤波器、NLP和CNG，以防止它们不收敛。当双端会话开始被检测到后，发送回路中的NLP关闭，并以确定速度逐渐增加其传输增益，直到达到其最大值1(16位时为32 767)。当双端会话结束被检测到时，NLP打开并逐渐降低其增益，直到定义的最小值，这样就增加了回波抵消。
发送回路和接收回路中的NLP在半双工模式下都支持开关切换。CNG在NLP打开时工作产生与背景噪声幅度相适应的适度噪声，但其幅度小于设定的最大值。AEC具有内部音调检测器，可以防止AEC收敛在如拨号音或振铃音的正弦信号，这种收敛可能造成AEC运行错误。特别是在AEC收敛在这类信号的开始处，这一点对免提电话特别有用。AEC还具有抗啸叫控制单元，可用来避免因为声音在麦克风和扬声器问反馈引起的啸叫(Larsen效应)，这种情况只有在远端和近端运行在全双工模式下才会发生。

2 回波抵消器硬件构成
本文的回波抵消器硬件平台主要基于TI公司TMS320VC5416高性能DSP芯片来进行设计，其硬件平台结构如图2所示。