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采用TMS320C54x免提开发平台的车载信号处理与音频系统 |
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作者：德州仪器 凌茵 |
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摘要 免提套件 (HFK) 为车载电话通话提供了舒适且安全的方法；HFK 开发平台提供了实时语音与音频增强算法以及蓝牙连接，其作为基于 DSP 的完整平台可使开发人员将更高质量的音频产品更快地投放到市场中去，并能进一步降低成本。回声抵消(AEC) 进程可实现汽车内舒适的全双工免提通话。Clarity CVC-HFK 提供了集成的单扩音器解决方案 (OMS) 噪声抑制算法，其支持自适应的噪声消除功能，降低扩音器（传入）信号中的环境噪声，提取所需的语音，并向远端用户传输清洁的话音（传出）。
1.免提应用概述
为什么要使用免提蜂窝电话系统呢？我们不妨来看看下面这段对话，这样就能清楚地明白现有蜂窝电话在某些情况下的使用会多么的不方便："对不起，亲爱的，我要急转弯。""等等，我要转几个弯。"这种不方便是由现有蜂窝电话系统的手持终端造成的。司机常常要放下手机两只手驾驶，如转弯等，然后在转回谈话。电话交谈的中断很不方便，甚至还会造成经济成本损失，因为移动电信收费相当高。另一个重要问题就是安全性。不妨设想一下只用一只手操纵方向盘、打着手机的司机。既然司机不能双手操纵方向盘，那么再要什么防抱死系统和气囊就显得毫无意义了。因此，免提蜂窝电话系统正成为使用移动电话的司机的必备品。
2. HFK开发平台
HFK开发平台是一套包括 DSP的解决方案，提供了软硬件设计，实现了最终产品的快速开发，并使其独树一帜。HFK 开发平台可通过 JTAG 实现与 TI 软件开发环境 Code Composer StudioTM (CCStudio) 开发工具相连接。该开发环境与文档相结合可实现 TI DSP 第三方软件的快速集成，并能加速产品的上市进程。
HFK开发平台理想适用于对成本及性能都要求很高的高质量后市场免提套件。HFK 开发平台是一款理想的解决方案，非常适用于具备蓝牙功能的 HFK。
图 1：免提套件开发平台结构图
HFK 主要包括六个模块，分别为：
－ 数字信号处理器；
－ 音频编解码器；
－ RF (FM) 发送器；
－ 可编程逻辑器件 (PLD) ；
－ 蓝牙收发器；
－ 车载电源。
详细信息及相关文档，可参见如下链接： http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/tmdshfk5407.html
3. 用于免提系统的回声消除软件
就车载免提广播/电话系统而言，一大不利因素就是远端喇叭会感到有回声。为了在汽车内实现舒适的全双工免提通话，最重要的软件元素之一就是回声消除器(AEC)。欧洲电信标准学院 (ETSI) 目前正在制定 AEC 系统的标准。
回声现象是由扩音喇叭与扩音器之间耦合造成的。在全双工通信中，远端喇叭听到自己的声音会有延迟，延迟的长短取决于汽车内部与全球移动通信系统 (GSM) 的延迟。回声路径长度是 AEC 的关键参数。
自适应滤波（更准确的说法是 NLMS 算法）是针对AEC最常见的解决方案之一。NLMS算法在计算负载与性能之间实现了良好的平衡折中。
AEC 的其他问题在于两人同时讲话的模糊音(DT)情况。如果没有检测到的话，DT 会造成自适应算法的发散。
AEC 软件利用 NLMS 算法来消除回声，执行 C54x DSP 汇编程序。
NLMS 算法
NLMS 算法可更新自适应有限脉冲响应 (FIR) 滤波器的系数，可将该滤波器用于预计回声。随后我们从实际回声中减去预计值，并给出剩余回声。
活动通道检测
AEC 算法的一个关键特性就是活动通道检测。远端操作者沉默而近端操作者讲话时，滤波器不可进行适配，因为近端操作者不再是回声。通过计算信号能量，并将该能量与自适应阈值进行比较，可实现活动通道的检测。
模糊音 (DT) 检测
在 DT 情况下，扩音器上的近端信号包括回声与近端话音（即模糊音）。用于更新滤波器系数的剩余误差包括近端讲话，而如果算法仍在进行自适应，则算法可能开始发散，必须避免这种情况。DT 检测使用基于能量的算法，并配合一个变量阈值来解决此问题。
基准
AEC 软件的基准（以 16 位字表示）为：
－ 代码大小：154 字；
－ 静态 RAM：527 字；
－ 擦写 RAM：2 字；
－ 最大计算时成本为 4.7MIPS。
计算时成本在 ST 时期最大；在 DT 时期降至 2.4MIPS。ST 时期表现通话主要部分，而DT 时期仅在较短的有限情况出现。
4. CVC-HFK 软件
图２：CVC-HFK 应用图示
CVC-HFK（清晰语音捕捉--免提套件）集成了回声消除、噪声抑制、非线性处理等功能，是一套优化的 HFK 解决方案。CVC-HFK 解决方案使用全面的自适应子带方法来改善主要方面的性能，同时使资源成本较低。在汽车环境中，环境噪声是免提系统的主要问题。因此，除了回声消除功能外，Clarity CVC-HFK 还提供了集成的单扩音器解决方案 (OMS) 噪声抑制算法。OMS 解决方案支持自适应噪声消除功能，其可减少扩音器信号（传入）中的环境噪声，提取所需的语音，并将干净的话音（传出）传输至远端用户。由于 CVC-HFK 是完全自适应的，因此不再需要过多调节。下面，我们将简介 CVC-HFK 解决方案及其主要方面的性能。
CVC-HFK AEC
CVC-HFK 回声消除器是"无状态"AEC，其采用标准频率域NLMS算法的一个变体作为其主要的自适应滤波器。我们将在下面说明采用这些方法的优势。首先，子带频率域方法可取消关联或白化每个带中的输入信号，这相比于相当时间域的AEC 就可实现更快的收敛。第二，无状态 AEC 可实现连续的滤波器适应，这改善了噪声环境中的鲁棒性和整体模糊音性能。我们记得，DT 情况下扩音器信号既包含回声，又包含近端话音。近端话音不与回声信号相关联，如果没有进程避免它的话就会造成自适应滤波器的发散。第三，NLMS可实现独立于输入振幅的一致收敛。正由于此，CVC-HFK AEC实现了典型的40 dB ERLE（回声返回损失量），最大为50 dB ERLE，并可实现80ms左右的快速收敛时间，且在大多数环境下可进行全双工操作。此外，CVC-HFK AEC为其自适应滤波器采用了 64ms 的尾长，这就在内部容量方面实现了更大的灵活性。
CVC-HFK NS
CVC-HFK 噪声抑制器是一种利用话音与噪声特性来帮助从合成噪声及话音信号中提取话音的频率域算法。CVC-HFK NS 的两大主要模块是语音构成分析与语音提取。
语音成份分析模块采用话音与噪声的暂时与相关属性来构建话音构成的可预测模型。语音提取块可根据语音与噪声模型修改各频率成份。此外，语音提取块还可充分利用音质原理最小化噪声底限与感觉的语音失真。
CVC-HFK NS 采用该方案可在噪声环境中实现 10-15dB SNR（信躁比）的改善，同时还能保持较好的语音质量。在SNR已经足够高的极低噪声环境中，因为已关闭了 NS，不会发生语音失真。
CVC-HFK NLP
由于系统失真增加，因而 CVC-HFK NLP 最小。由CVC-HFK NLP 增加的失真量比诸如中心削波器等标准NLP模块要低得多，因为其使用来自输入与误差信号的信息来确定额外的衰减。
由于所有的 CVC-HFK 模块均使用频率域算法，因而与既使用时间域又使用频率域算法的解决方案相比，可以显著节约内存，并简化计算复杂性。
5．系统集成设计
在将 TI-HFK 板与蜂窝免提套件相集成时，要实现良好的移动呼叫还需要数个组件与适当的接口。
您必须选择可与 CVC-HFK应用软件和板卡硬件同时兼容的组件，才能获得良好的性能。HFK 可支持各种不同的扩音器、扩音喇叭以及车载音响系统。但是，为了减少对应用手册的变更，我们已选择了专用的业界标准组件，这会为您的成功调整带来很大帮助。从 TI-HFK板到蜂窝套件需要三个连接才能实现集成：
扩音器输入 TI HFK 板；
传出、已处理过的音频输出；
输入、从蜂窝套件接收进来的信号。
下面给出扩音喇叭与扩音器放置设计的几点建议。
扩音器的位置和定向
为实现最佳的总体扩音器性能，在最后将设备安装到汽车内之前应了解一些关键的变量。
建议保持扩音器和车内用户口腔之间的距离为46 cm（18英寸）。建议距离范围从 30 至 56 cm (12 - 22 英寸)。
尽可能避免扩音器暴露于气流（窗户和风扇）；
适当考虑扩音器大小和安装方案，使扩音器前部可对准车内用户的口腔。
基于以上考虑，在图3的帮助下，您可以选择最佳的扩音器位置。首先，请遵循优先考虑区域 1、2 和 3 中的建议。一旦做出决定，您就可用金属板或维可牢尼龙带固定扩音器，可将线缆连接回电子设备处以终接。随后应保证线缆的隐蔽性，保持美观，此外还要保持线缆固定，不会被挤压或打结。最后，应避免并行线缆与天线接头和其他带噪声的线缆相连接。
图 3：扩音器的放置
扩音喇叭位置
建议在适当位置安装扩音喇叭，以便提供良好的声音性能，同时不干扰扩音器拾波区域。拾波区域为+30 度锥形体，从扩音器正面起，向外突出至汽车驾驶人员。
扩音喇叭应位于距扩音器至少1 米处（3 英尺）。扩音喇叭应远离扩音器的拾波区域，以减少回声反馈的几率。在理想的情况下，扩音喇叭应位于扩音器正面方向之后或成 90 度。
扩音喇叭的音响失真级别会对回声事件造成直接的负面影响。
6. 结论
免提系统的使用不断普及，用户也期待着性能会不断提高。鉴于 HFK 实施存在多种可用选择，显而易见，软件算法和硬件信号处理器的集成是一项周到的举措，并得到妥善实施，这将非常有利。针对所有上述问题的 HFK 开发套件对所有有志于开发或销售上述产品的人都会带来明显的好处。具有 AEC 与 CVC-HFK 的 TI TMS320C5407 开发套件拥有所需的高性能和灵活性，可快速而廉价地将 HFK 解决方案推向市场。
参考文献
1. spru703《德州仪器车载免提听筒套件开发平台用户指南》，2003 年 9 月；
2. sprt289a《车载免提听筒套件 (HFK) 开发平台产品简报》，2004 年 6 月；
3. spra162《适用于车载免提听筒无线系统的回声消除软件》，1997 年 7 月；
4. Mike Vartanian spra998《清晰语音捕获的实施--TI TMS320VC5407 上的车载免提听筒套件》，2004 年 2 月。(end)
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(3/20/2005) |
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