高性能免提车载套件的设计考虑

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市场对更高质量车载免提语音系统的需求正不断增长。许多政府已经通过或正在考虑立法，以禁止在驾驶过程中使用手持式移动电话。此外，汽车制造商也在响应消费者对更高性能的车载通信与音响系统的需求。然而，移动车辆却为移动语音通信技术造就了一个不利的环境。特别是，回声和非常嘈杂的路面与汽车噪声相耦合，降低了通话的声音质量。为了提升免提车载套件的性能，设计者必须找到一种解决方案能够消除回声、降低背景噪声和通过全双工操作增强对讲性能。

免提通信需求

        早期的免提车载套件解决方案只在有限的市场获得了应用。主要原因是目前市场上许多免提车载套件采用的都是最初为扬声器电话开发的技术，无法支持高质量的语音通信。这些免提车载套件的语音质量会比蜂窝语音电话还要糟得多。一般来说，在这类免提车载套件设计中，对低成本的需求胜过对性能的需求。例如，低端的车载套件将只支持半双工操作，这意味着某个时刻只能有一个人说话。不过，这种状况正在改变。随着全世界政府立法的实施，驾驶员若想在移动车辆中通信，将必须安装免提车载套件。这样，消费者将需要更佳性能的免提通信技术。

        尽管蓝牙耳机在免提通信市场掀起了一些风浪，但免提车载套件可以提供一些更重要的性能和更好的安全性。高性能车载免提套件将提供比蓝牙耳机方案更好的语音质量。就安全性和易用性而言，免提车载套件用户几乎不需要做什么动作就可以接听电话。相比之下，使用蓝牙耳机则需要寻找耳机并将其放在正确位置，才能接听电话。

声学回声源

        在车内，有两个声学回声源——扬声器和话筒之间的直接声学耦合，引起语音信号在车厢里回响。声学回声主要来自直接声耦合，这在话筒直接从扬声器拾取语音信号时产生。这种情况在车内环境中通常会变得更大，这是因为免提车载套件的音量要设得较高，以克服来自发动机和路面的噪声。

        声学回声的第二个来源是间接耦合或车厢反射。音频信号在车厢里的各个表面上反射。回声的强度取决于车内使用材料的类型。越坚硬的表面反射越多的音频，而越柔软的表面则吸收越多的回声。例如，汽车座椅将吸收较多回声，而车窗则反射较多回声。进一步复杂化的是，由车内反射造成的回声还会被延迟。回声延迟量将随车厢的尺寸和使用的材料而异。图1显示了直接声学耦合和车厢反射回声。

噪声源

        无论是由车辆产生还是由环境产生的噪声，对于免提车载套件来说，要成功消除它们都是很大的挑战。需要特别注意的是，这些噪声的大小在不停地变化。车内最重要的噪声源包括：

        发动机噪声 汽车运行时产生的发动机噪声可以恶化通信系统的语音质量性能。当汽车加速时发动机噪声达到其峰值水平，在跑车快速加速期间这一点更为显著。

图1：直接耦合和车厢回响是车内声学回声的两大来源

         路面噪声 轮胎和路面之间的磨擦产生噪声。噪声的强度取决于轮胎胎面、路面材料以及季节。例如，夏季轮胎比冬季轮胎安静，沥青路面比混凝土路面安静。

        风噪声 空气流过汽车并撞击突出部位，例如后视镜或车顶货架，或者行驶时开窗而产生风噪声。风噪声因不同车辆而不同。例如，圆滑外形的跑车比SUV的风噪声要小。风噪声还受汽车制造商安装的隔音材料多少的限制。高端豪华汽车比较低成本的小型汽车具有更好的隔音性能。另外，开窗行驶还会在车身内外之间造成较大的压差。

        可以使用噪声抑制算法降低风噪声、路面噪声和发动机噪声对通信系统声音质量的影响。对于具有高声压的风噪声，例如当车速超过100公里/小时且车窗打开时，模拟前端电路将会饱和，从而造成语音信号削波。信号削波还将同时降低回声对消(AEC)和总噪声抑制电路的总体性能。

图2：使免提车载通信系统设计面临挑战的噪声源

         解决此问题有两个选择：第一个选择是针对最坏情况设计输入电路，并将话筒增益设置为输入信号永远不会被削波的水平。不过这将引起模数转换器的动态范围缩小，信噪比恶化，从而使AEC的总体性能恶化。AEC性能的恶化在嘈杂环境中是可以接受的，因为残余回声被背景噪声淹没了。但在安静环境下，残余声学回声显得较为显著，使得恶化的性能无法接受。例如，如果音频路径上是车内噪声和比其高30dB的信号，设计者可以将输入增益衰减30dB以抵消噪声。但是，当汽车停车和噪声源消失时，SNR将比实际需要高出30dB。过高的SNR将降低声学回声对消的性能。

        设置为高增益的另一个问题，是通话期间话音电平的变化。通常说话时，我们会根据噪声状况调节我们的话音高低。而在车厢里，如果针对最坏情况噪声状况进行设计，虽然当车内噪声较大时可以获得良好性能，但在噪声较小时性能却下降。

        理想的解决方案是根据环境动态地改变话筒增益。如果系统采用一个简单的模拟增益控制器，来检测并控制话筒增益，将等同于控制回声路径上的变化，并将迫使AEC重新收敛。

        汽车噪声通常为低频。许多免提车载套件使用高通滤波器来滤除汽车噪声。高通滤波器可以滤除大部分噪声，但会影响语音质量。为达到高性能，必须将算法设计成能够区分语音和噪声信号，并将噪声从总信号中滤除。良好的噪声抑制算法应该在滤除噪声和保持语音信号完整性之间达到平衡。

        为达到所需的性能，系统设计者必须对话筒输入信号(Sin)采用自动增益控制(AGC)。该AGC避免了信号削波，同时保持了由用户确定的总增益设置。对话筒输入采用模拟自动控制增益(由数字信号处理器控制)并采用对陡峭回声路径变化进行补偿的算法(通常会导致重新收敛)将避免信号被削波。

        该方法可以使ADC在各种环境条件下具有最大动态范围。可让通话者以正常声音说话，而不管车内的噪声状况如何。

回声对消和全双工操作

        图3显示了免提车载套件的基本框图。

图3：用于车内的免提车载套件方框图

         回声对消电路消除了由环境产生的回声。如果使用带有模拟端口的蜂窝电话连接到该车载套件，将需要使用线路回声对消器来消除由该模拟端口上的侧音产生的回声。如果使用带有蓝牙连接的蜂窝电话连接到该车载套件，则侧音将不复存在，因此将不需要线路回声对消器。在回声对消电路中，声学回声消除模块负责降低声学回声；非线性处理器负责消除残余回声；噪声抑制模块则负责降低背景噪声。

        高性能车载套件的其它重要特性还有全双工操作和良好的对讲性能。全双工车载套件允许双向语音信号同时传送，支持自然对话方式。目前，大多数商用车载套件都选用半双工避让方式，通信时只允许单个方向传送语音信号。此时，在对讲情况下，只有最高功率电平的信号才会被发送，从而造成通话时断时续。

        即便是全双工通信，目前的大多数全双工算法在对讲状况下性能也较差。当对讲停止时，这些双工算法冻结自适应性功能，算法将不得不重新适应回声环境。这将导致在单讲结束时和对讲过程中出现突发回声。为了在对讲期间保持高性能，算法必须继续收敛并跟踪回声路径中的变化。

声学回声对消器

        声学回声对消器和非线性处理器是全双工算法的关键组件。图4显示了一个声学回声对消电路框图。

图4：用于消除声学回声的回声对消器框图

         该声学回声对消电路使用了一个最小均方(LMS)滤波器，或类似类型的滤波器，来生成回声特征信号模型。回声特征信号用于估计从回声路径中的输入信号中减去的回声信号。该算法连续跟踪回声特征的变化并更新估计的回声。

        当回声路径为线性时，回声对消效果良好，但在非理想状况下(例如对讲情况)则开始变差。在对讲期间，为了避免对消效果变差，许多厂商用全双工算法将冻结自适应功能并停止对源的跟踪，而是根据冻结自适应功能之前所获取的特征来对消回声。这样，当源信号的特征在对讲期间发生变化时，算法将无法对其跟踪，从而将出现残余回声或突发回声。为达到最佳的回声对消性能，算法必须在对讲状况下也能继续收敛。

非线性处理器

        任何声学回声对消器都不是完美的。精确估计回声路径的非线性是不可能的。非线性源在编解码器中被量化，在回声路径中被削波和扭曲。通常一个声学回声对消器只能对消最高30dB的回声。要达到更好的性能，则必须使用一个非线性处理器(NLP)来降低回声和处理非线性。

        一个简单的NLP就是一个有源开关。激活单讲期间时，NLP打开路径并注入舒适噪声，从而可实现极佳的语音质量。而在对讲状况下，系统将完全依赖于回声对消器。

        许多声学回声对消器主要依赖于NLP来实现快速收敛和掩盖回声对消器的不良性能。但是，如果NLP关闭不够快，将导致对讲期间语音中断。如果NLP被用来掩盖回声对消器的不良性能，则在对讲状况下将出现较大的残余回声。通常，商业回声对消器将给出反映回声对消和NLP性能的回波反射损耗(ERL)参数。不过，该参数不反映对讲期间回声对消的性能。

        AEC和NLP应按如下方式交互：AEC跟踪回声路径中的变化并在对讲期间连续收敛，NLP则通过进一步减小回声和处理非线性效应，掩盖AEC的不足。

削波补偿

        免提车载套件性能是依据最终用户语音信号的质量来判断的。如果一个免提车载套件是为满足关窗行驶时车内最坏情况设计的，那么当汽车开窗行驶时该设计将无法满足要求。当车窗打开时，风将大大提高噪声信号电平，此时，来自话筒的信号将被削波，而且模数转换器也将过载。

        图5显示了一个被严重削波的信号。

图5：强噪声引起严重削波后的信号波形

         语音和背景噪声信号似乎完全相同，电路几乎无法将语音从背景噪声中区分出来。在这些状况下，AEC将无法收敛于回声，噪声抑制算法将无法轻易区分背景噪声并减小它。图6显示了同一信号经过噪声抑制算法处理但没有削波补偿的情况。其结果是信号仍然被削波、噪声仍然很高。

图6：严重削波信号经过没有削波补偿的噪声抑制算法处理后的结果

         图7显示了同一信号经过噪声抑制算法处理且有削波补偿的情况。在这些状况下，AEC工作很好，因为消除了信号削波现象。

图7：严重削波信号经过具有削波补偿的噪声抑制算法处理后的结果

本文小结

        从上述中可以发现，对于高性能的免提车载通信套件来说，必须具备良好的噪声抑制、声学回声对消、对讲性能和削波补偿性能。要实现这些高性能，就离不开良好的AGC、AEC、NLP以及性能优异的削波补偿电路。卓联半导体公司开发的免提通信应用的单芯片器件系列，就是专为实现上述高性能而设计的。公司最新免提解决方案ZL38004是一款专用语音处理器，它将集成双通道编解码器和多种接口结合在一起，并支持回声对消、噪声抑制和削波补偿。芯片的专利软件算法持续跟踪回声路径上的变化，即使在对讲期间也能保持跟踪，并在保持高语音质量的情况下减小背景噪声。即使在语音信号较低的情况下，ZL38004平台也将全双工操作，允许进行自然的双向通话。