采用TMS320C54x免提開發平臺的車載信號處理與音頻系統
發布時間：2010-7-6 10:25
發布者：zealot
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1.免提應用概述 為什么要使用免提蜂窩電話系統呢？我們不妨來看看下面這段對話，這樣就能清楚地明白現有蜂窩電話在某些情況下的使用會多么的不方便："對不起，親愛的，我要急轉彎。""等等，我要轉幾個彎。"這種不方便是由現有蜂窩電話系統的手持終端造成的。司機常常要放下手機兩只手駕駛，如轉彎等，然后在轉回談話。電話交談的中斷很不方便，甚至還會造成經濟成本損失，因為移動電信收費相當高。另一個重要問題就是安全性。不妨設想一下只用一只手操縱方向盤、打著手機的司機。既然司機不能雙手操縱方向盤，那么再要什么防抱死系統和氣囊就顯得毫無意義了。因此，免提蜂窩電話系統正成為使用移動電話的司機的必備品。 2. HFK開發平臺 HFK開發平臺是一套包括 DSP的解決方案，提供了軟硬件設計，實現了最終產品的快速開發，并使其獨樹一幟。HFK 開發平臺可通過 JTAG 實現與 TI 軟件開發環境 Code Composer StudioTM (CCStudio) 開發工具相連接。該開發環境與文檔相結合可實現 TI DSP 第三方軟件的快速集成，并能加速產品的上市進程。 HFK開發平臺理想適用于對成本及性能都要求很高的高質量后市場免提套件。HFK 開發平臺是一款理想的解決方案，非常適用于具備藍牙功能的 HFK。 圖 1：免提套件開發平臺結構圖 HFK 主要包括六個模塊，分別為： － 數字信號處理器； － 音頻編解碼器； － RF (FM) 發送器； － 可編程邏輯器件 (PLD) ； － 藍牙收發器； － 車載電源。 3. 用于免提系統的回聲消除軟件 就車載免提廣播/電話系統而言，一大不利因素就是遠端喇叭會感到有回聲。為了在汽車內實現舒適的全雙工免提通話，最重要的軟件元素之一就是回聲消除器(AEC)。歐洲電信標準學院 (ETSI) 目前正在制定 AEC 系統的標準。 回聲現象是由擴音喇叭與擴音器之間耦合造成的。在全雙工通信中，遠端喇叭聽到自己的聲音會有延遲，延遲的長短取決于汽車內部與全球移動通信系統 (GSM) 的延遲�；芈暵窂介L度是 AEC 的關鍵參數。 自適應濾波（更準確的說法是 NLMS 算法）是針對AEC最常見的解決方案之一。NLMS算法在計算負載與性能之間實現了良好的平衡折中。 AEC 的其他問題在于兩人同時講話的模糊音(DT)情況。如果沒有檢測到的話，DT 會造成自適應算法的發散。 AEC 軟件利用 NLMS 算法來消除回聲，執行 C54x DSP 匯編程序。 NLMS 算法 NLMS 算法可更新自適應有限脈沖響應 (FIR) 濾波器的系數，可將該濾波器用于預計回聲。隨后我們從實際回聲中減去預計值，并給出剩余回聲。 活動通道檢測 AEC 算法的一個關鍵特性就是活動通道檢測。遠端操作者沉默而近端操作者講話時，濾波器不可進行適配，因為近端操作者不再是回聲。通過計算信號能量，并將該能量與自適應閾值進行比較，可實現活動通道的檢測。 模糊音 (DT) 檢測 在 DT 情況下，擴音器上的近端信號包括回聲與近端話音（即模糊音）。用于更新濾波器系數的剩余誤差包括近端講話，而如果算法仍在進行自適應，則算法可能開始發散，必須避免這種情況。DT 檢測使用基于能量的算法，并配合一個變量閾值來解決此問題。 基準 AEC 軟件的基準（以 16 位字表示）為： － 代碼大�。�154 字； － 靜態 RAM：527 字； － 擦寫 RAM：2 字； － 最大計算時成本為 4.7MIPS。 計算時成本在 ST 時期最大；在 DT 時期降至 2.4MIPS。ST 時期表現通話主要部分，而DT 時期僅在較短的有限情況出現。 4. CVC-HFK 軟件 圖2：CVC-HFK 應用圖示 CVC-HFK（清晰語音捕捉--免提套件）集成了回聲消除、噪聲抑制、非線性處理等功能，是一套優化的 HFK 解決方案。CVC-HFK 解決方案使用全面的自適應子帶方法來改善主要方面的性能，同時使資源成本較低。在汽車環境中，環境噪聲是免提系統的主要問題。因此，除了回聲消除功能外，Clarity CVC-HFK 還提供了集成的單擴音器解決方案 (OMS) 噪聲抑制算法。OMS 解決方案支持自適應噪聲消除功能，其可減少擴音器信號（傳入）中的環境噪聲，提取所需的語音，并將干凈的話音（傳出）傳輸至遠端用戶。由于 CVC-HFK 是完全自適應的，因此不再需要過多調節。下面，我們將簡介 CVC-HFK 解決方案及其主要方面的性能。 CVC-HFK AEC CVC-HFK 回聲消除器是"無狀態"AEC，其采用標準頻率域NLMS算法的一個變體作為其主要的自適應濾波器。我們將在下面說明采用這些方法的優勢。首先，子帶頻率域方法可取消關聯或白化每個帶中的輸入信號，這相比于相當時間域的AEC 就可實現更快的收斂。第二，無狀態 AEC 可實現連續的濾波器適應，這改善了噪聲環境中的魯棒性和整體模糊音性能。我們記得，DT 情況下擴音器信號既包含回聲，又包含近端話音。近端話音不與回聲信號相關聯，如果沒有進程避免它的話就會造成自適應濾波器的發散。第三，NLMS可實現獨立于輸入振幅的一致收斂。正由于此，CVC-HFK AEC實現了典型的40 dB ERLE（回聲返回損失量），最大為50 dB ERLE，并可實現80ms左右的快速收斂時間，且在大多數環境下可進行全雙工操作。此外，CVC-HFK AEC為其自適應濾波器采用了 64ms 的尾長，這就在內部容量方面實現了更大的靈活性。 CVC-HFK NS CVC-HFK 噪聲抑制器是一種利用話音與噪聲特性來幫助從合成噪聲及話音信號中提取話音的頻率域算法。CVC-HFK NS 的兩大主要模塊是語音構成分析與語音提取。 語音成份分析模塊采用話音與噪聲的暫時與相關屬性來構建話音構成的可預測模型。語音提取塊可根據語音與噪聲模型CVC-HFK NS 采用該方案可在噪聲環境中實現 10-15dB SNR（信躁比）的改善，同時還能保持較好的語音質量。在SNR已經足夠高的極低噪聲環境中，因為已關閉了 NS，不會發生語音失真。 CVC-HFK NLP 由于系統失真增加，因而 CVC-HFK NLP 最小。由CVC-HFK NLP 增加的失真量比諸如中心削波器等標準NLP模塊要低得多，因為其使用來自輸入與誤差信號的信息來確定額外的衰減。 由于所有的 CVC-HFK 模塊均使用頻率域算法，因而與既使用時間域又使用頻率域算法的解決方案相比，可以顯著節約內存，并簡化計算復雜性。 在將 TI-HFK 板與蜂窩免提套件相集成時，要實現良好的移動呼叫還需要數個組件與適當的接口。 您必須選擇可與 CVC-HFK應用軟件和板卡硬件同時兼容的組件，才能獲得良好的性能。HFK 可支持各種不同的擴音器、擴音喇叭以及車載音響系統。但是，為了減少對應用手冊的變更，我們已選擇了專用的業界標準組件，這會為您的成功調整帶來很大幫助。從 TI-HFK板到蜂窩套件需要三個連接才能實現集成： 擴音器輸入 TI HFK 板； 傳出、已處理過的音頻輸出； 輸入、從蜂窩套件接收進來的信號。 下面給出擴音喇叭與擴音器放置設計的幾點建議。 擴音器的位置和定向 為實現最佳的總體擴音器性能，在最后將設備安裝到汽車內之前應了解一些關鍵的變量。 建議保持擴音器和車內用戶口腔之間的距離為46 cm（18英寸）。建議距離范圍從 30 至 56 cm (12 - 22 英寸)。 盡可能避免擴音器暴露于氣流（窗戶和風扇）； 適當考慮擴音器大小和安裝方案，使擴音器前部可對準車內用戶的口腔。 基于以上考慮，在圖3的幫助下，您可以選擇最佳的擴音器位置。首先，請遵循優先考慮區域 1、2 和 3 中的建議。一旦做出決定，您就可用金屬板或維可牢尼龍帶固定擴音器，可將線纜連接回電子設備處以終接。隨后應保證線纜的隱蔽性，保持美觀，此外還要保持線纜固定，不會被擠壓或打結。最后，應避免并行線纜與天線接頭和其他帶噪聲的線纜相連接。 擴音喇叭位置 建議在適當位置安裝擴音喇叭，以便提供良好的聲音性能，同時不干擾擴音器拾波區域。拾波區域為+30 度錐形體，從擴音器正面起，向外突出至汽車駕駛人員。 擴音喇叭應位于距擴音器至少1 米處（3 英尺）。擴音喇叭應遠離擴音器的拾波區域，以減少回聲反饋的幾率。在理想的情況下，擴音喇叭應位于擴音器正面方向之后或成 90 度。 擴音喇叭的音響失真級別會對回聲事件造成直接的負面影響。 6. 結論 免提系統的使用不斷普及，用戶也期待著性能會不斷提高。鑒于 HFK 實施存在多種可用選擇，顯而易見，軟件算法和硬件信號處理器的集成是一項周到的舉措，并得到妥善實施，這將非常有利。針對所有上述問題的 HFK 開發套件對所有有志于開發或銷售上述產品的人都會帶來明顯的好處。具有 AEC 與 CVC-HFK 的 TI TMS320C5407 開發套件擁有所需的高性能和靈活性，可快速而廉價地將 HFK 解決方案推向市場。 |
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