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汽车免提系统的关键特性
作者:QNX Software Systems
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随着手机开始利用LTE和4G网络,对车载免提系统的性能要求也将随之增加。在以前语音质量不高的电话交谈几乎都是可以接受的,而今天,用户却期望达到几年前无法想象的清晰度和可理解度。

为了提供这种性能,免提系统变得非常精密且复杂,这使对评估工作变得异常困难且费时。本文重点介绍对系统性能起重要作用的关键特性,以帮助那些必须为汽车项目选择免提系统的工程师和管理人员进行评估工作。

声学回声消除

在免提通话中,带有远端扬声器的下行链路语音信号被传送到车内扬声器。当声音通过这些扬声器播放时,被近端麦克风收到并被回送到远端,这就会带来可能影响谈话清晰度的声学回声。

声学回声消除(AEC)可以防止传播由远端声音制造的回声。它需要复杂、计算密集的程序,因为它必须消除那些不需要的声音,并在高噪音和声学耦合以及由车辆移动引起的回波路径变化等条件下有效地运行。表1显示了一个AEC系统高水平视图。

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降噪和语音重建

汽车会受到HVAC系统、发动机等影响而产生大幅而快速的噪音波动。大多数发动机和道路噪音是低频的,简单地过滤掉这些频率无法起到消除的作用,因为这也会消弱近端用户的语音。

要最大限度地利用可用带宽、手机网络(CDMA和一些GSM)的“门”传输:当近端的人暂停或声音非常轻柔的时候,网络停止传输,当人以足够的音量再次开始说话时,网络再开始传输。(见表2)因为车上的交谈通常伴随大量背景噪音,在带有背景噪音和突然沉默的谈话之间,处于谈话远端的人会听到不舒服的振荡。

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表2上图显示了原始的未处理的麦克风信号。下图显示了一个后CDMA2000信号。
通话之间的噪音门控实例以黑色框出,而消失的语音谐波以蓝色框出

减少网络门控的不利效果需要降噪并改善信噪比(SNR),特别是在较低的频率上更是如此。为了在汽车中更有效,降噪需要16分贝以上的噪音衰减。现在可以通过使用动态噪声消除、语音重建以及减轻问题的先进算法, 如在手机下行编解码器上的CDMA控制,使降噪成为可能而不会影响语音质量。

该系统不仅仅能消除基本噪音,它能做到的还更多。它不应该使用算法,通过控制语音本身来造成更大噪音衰减的假象。这只会使问题变得更糟。

多通道支持

免提系统通常要求支持近端一个或多个谈话者,并阻止某些在活动中使用语音识别。这些各种各样的空间选择性任务经常与降低背景噪音的要求不一致。

为了满足这些相互矛盾的要求,免提系统可以使用两个或多个适当间隔的麦克风,以及用于处理多通道输入的专门算法。通过使用多个有间隔的麦克风清楚地收到不同谈话者的语音,多通道支持有助于减少噪音。它也能通过阻止离轴讲话和噪声源来提高语音识别活动。

自动增益控制

自动增益控制用于保持一致的近端语音水平而不会增加针对风振、GSM嗡嗡的增益。如果后座上的人说话,自动增益控制器(AGC)应自动放大这个人的声音,远端的人不用让任何人提高音量。

针对通话的接收侧(下行链路),AGC也必须发挥同样的功能。远侧终端、手机、网络和说话人都会使接收的语音水平发生巨大变化,可以迅速达到30分贝。AGC应能抵消这些变化并避免突然或其它显著的变化。

前瞻限制器

AGC应为量化噪音(量化误差:模拟和数字信号值之间的差异)和网络丢失进行补偿。AGC中一个软前瞻限制器对于处理突发的响度变化是一种有效的方法,并确保话音不被修剪或曲解。

均衡

为了适应话筒、功放、音箱、手机、远侧终端和车舱声学的诸多差异,一个免提系统必须适应发送和接收频率响应的显著差异。因此,它应该包括一个执行均衡器(EQ),如允许节点中心、宽度和增益值规格的参数均衡器的简单方法。

适用于低噪音条件下的最好的EQ并不是高噪音条件下的最佳选择。许多系统在低和高的噪音条件下使用同一个EQ。一个适用于低和高噪音条件的更好的解决方案包括指定单独的EQ曲线,然后基于信号噪声比(SNR)在这些曲线之间进行自动、无缝地混合。

风抖振抑制

汽车内充斥了不断变化的风向和气流:如HVAC系统、车窗等,不幸的是,车载系统的麦克风为定向麦克风,比其他麦克风的设计更易受到风振的影响。

为消除这些影响,免提系统需要具有风振抑制能力。其使用的算法不应限制为麦克风信号的无源高通滤波,而应识别和选择性地消除风和湍流的声学影响。

高清晰度增强

低频率的辅音字母(例如p, t, k等)常被车辆中的噪音掩蔽。但让很多人觉得即使在理想的声学环境中也难以分辨的是较高的频率辅音字母(例如s, f 等),它们往往不被屏蔽,因此它们能够成为有效的高清晰度增强的最佳候选。

消除噪音并不能直接提升通话的清晰度,因为它只是消除了信息。然而,可以利用高清晰度增强技术重建被掩盖的低频辅音字母并增强高频的辅音字母,以使它们更容易被辨别。

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噪音相关的接收增益

为了补偿响度屏蔽,免提系统应能根据车内噪音情况自动调整接收水平。通过消除话音中的突然波动,该技术使交谈不费力气,所以可以帮助驾驶者减少注意力的分散。

增益调整使用环境噪音补偿或动态控制算法。这些算法应为噪音水平的变化提供平稳响应:

* 如果调整过于缓慢,驾驶员会调大音量,这能引起“增益追逐”。
* 如果调整太快了,突然改变会显得不自然,而且有可能让驾驶员受到惊吓。

应该寻找一个支持收益变化率的参数控制并有良好运行纪录的解决方案。还要寻找能做最小假设的算法。最佳方案仅有一个:麦克风中测量的噪音与耳中测量的噪音是相同的。

带宽扩展

带宽扩展(BWE)可以提高远端谈话质量。它使用过滤和波形来重建由窄带移动网络删除的输入信号的高频和低频部分。

带宽扩展难于执行,因为往往很少语音信息在工作,且需要一个在太少重建和太多重建之间的明智平衡。太少不会带来什么好处,而过多则产生夸张的低音和高语音组件。带宽扩展解决方案的最佳衡量是该领域的用户接受度记录。

宽带支持

蜂窝网络开始支持大于3.5千赫的带宽。随着4G和LTE网络和设备的出现,移动VoIP通话将很快随之而来。图3显示了网络质量的用户感知随着LTE网络的出现而得到提高。

由于免提系统必须与车辆使用寿命(10年以上)保持一致,任何不能在16千赫的采样率上运行的系统已经过时了。需寻找支持32 kHz采样率、并有VoIP编解码器经验的供应商。

在未来的几年里,通话频率范围也许要翻两番,而计算资源不太可能保持同步。 因此,最佳的解决方案将提供超宽带的处理,而无须增加计算资源。(本文作者:Phil Hetherington,Ph.D.;Andrew Mohan,P.Eng.)(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (4/10/2013)
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