劉壇春

（RTI科技中國(guó)有限公司 福建 廈門(mén) 361009）

在安防樓宇對(duì)講[1]中，語(yǔ)音通話質(zhì)量一直是困擾設(shè)計(jì)工程師的一個(gè)難題，主要是回聲消除的設(shè)計(jì)。

1 相關(guān)技術(shù)和研究現(xiàn)狀

樓宇對(duì)講里的回聲消除技術(shù)，目前采用的方法主要有兩種：

1）采用運(yùn)算放大器將喇叭音頻輸出信號(hào)反相后疊加在麥克風(fēng)輸入信號(hào)里面，進(jìn)行簡(jiǎn)單的抵消，但弊端是無(wú)法解決多路徑延遲的問(wèn)題，而且只能半雙工通話；

2）利用微處理器 MCU（Micro Controller Unit）的資源運(yùn)行回聲抵消算法來(lái)進(jìn)行回聲消除，但是回聲抵消算法參差不齊，影響回聲消除的質(zhì)量，另外抵消多路徑回聲的算法一般比較復(fù)雜，需要占用MCU大量的資源，進(jìn)而影響系統(tǒng)其它進(jìn)程運(yùn)行，降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。

筆者采用某公司的新一代CX20707專用回聲消除芯片用于回聲消除，在文中給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，并在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用，取得了良好的效果。

2 回聲來(lái)源

2.1 聲學(xué)回聲（Acoustic Echo）

聲學(xué)回聲是指揚(yáng)聲器播放出來(lái)的聲音被麥克風(fēng)拾取后發(fā)回遠(yuǎn)端，這就使得遠(yuǎn)端談話者能聽(tīng)到自己的聲音。聲學(xué)回聲又分為直接回聲和間接回聲：

1）直接回聲是指揚(yáng)聲器播放出來(lái)的聲音未經(jīng)任何反射直接進(jìn)入麥克風(fēng)。這種回聲延遲最短，它與遠(yuǎn)端說(shuō)話者的語(yǔ)音能量，揚(yáng)聲器與話筒之間的距離、角度、揚(yáng)聲器的播放音量以及話筒的拾取靈敏度等因素相關(guān)。

2）間接回聲是指揚(yáng)聲器播放的聲音經(jīng)不同的路徑一次或多次反射后進(jìn)入麥克風(fēng)所產(chǎn)生的回聲集合。因?yàn)橹車矬w的變動(dòng)，例如人的走動(dòng)等，都會(huì)改變回聲的返回路徑，所以這種回聲的特點(diǎn)是多路徑、時(shí)變的。

2.2 線路回聲（Line Echo）

在樓宇對(duì)講中，為了減少傳輸?shù)木€路對(duì)數(shù)，經(jīng)常進(jìn)行四線轉(zhuǎn)換為二線進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸[2]。這2-4線轉(zhuǎn)換的電路，由于電路存在不完全匹配的問(wèn)題，會(huì)有一部分的信號(hào)被反射回來(lái)，形成了回聲，這是線路回聲。

3 CX20707 SPoC在安防樓宇對(duì)講中的回聲消除設(shè)計(jì)

3.1 CX20707 SPoC介紹

CX20707是美國(guó)科勝訊Conexant為嵌入式音頻和語(yǔ)音應(yīng)用推出的系列音頻芯片Speakers-on-a-Chip（SPoC）之一。高度集成的 CX20707 SPoC內(nèi)置了集成的音頻/語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、多位編解碼器（Codec）、I2S 數(shù)字音頻接口，I2C/SPI、UART通訊口，高精度的24 bit的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）和 24 bit模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），多個(gè)數(shù)字、模擬輸入/輸出接口及靈活的路由控制，集成32歐無(wú)需電容耳機(jī)驅(qū)動(dòng)以及功率可達(dá)2.5 W class-D音頻功放[3]。芯片接口框圖如圖1所示。

圖1 CX20707接口框圖Fig.1 CX20707 interface diagram

CX20707內(nèi)部的DSP采用Conexant自有專利技術(shù)的語(yǔ)音處理算法和音頻傳輸技術(shù)[4]，自適應(yīng)的濾波器算法，顯著改善了音頻和語(yǔ)音質(zhì)量。關(guān)鍵音頻技術(shù)如下：

1）子帶聲學(xué)回聲壓縮和消除；

2）遠(yuǎn)端（Far end）帶內(nèi)語(yǔ)音降噪和近端（Near end）帶外語(yǔ)音降噪；

3）子帶線路回聲消除；

4）動(dòng)態(tài)響度調(diào)節(jié)；

5）Mic自動(dòng)增益控制；

6）數(shù)字均衡器（Digital Equalizer）；

7）動(dòng)態(tài)壓縮范圍（Dynamic Range Compression）。

3.2 CX20707 SPoC在模擬樓宇對(duì)講中的回聲消除設(shè)計(jì)

在模擬樓宇對(duì)講系統(tǒng)里，線路上面?zhèn)鬏數(shù)恼Z(yǔ)音信號(hào)是模擬的語(yǔ)音信號(hào)，CX20707 SPoC可以用于本地麥克風(fēng)輸入語(yǔ)音信號(hào)的聲學(xué)回聲消除，以及2/4線轉(zhuǎn)換不完全匹配引起的線路回聲消除。系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖2所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，CX20707支持麥克風(fēng)的直接輸入，并集成2.5W class-D音頻功放，可直接驅(qū)動(dòng)喇叭，MCU可通過(guò)I2C總線配置和管理CX20707。CX20707支持模擬信號(hào)輸入和可以驅(qū)動(dòng)600 Ω負(fù)載的線路輸出，經(jīng)過(guò)2/4線路轉(zhuǎn)換電路，用雙絞線就可以和遠(yuǎn)端的對(duì)講設(shè)備互聯(lián)通話，外圍電路簡(jiǎn)單。

3.2.1 在模擬樓宇對(duì)講中的CX20707線路輸入信號(hào)路由

通過(guò)I2C可以把CX20707線路輸入信號(hào)路由[5]配置如圖3所示。

圖2 CX20707在模擬樓宇對(duì)講系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖Fig.2 CX20707 application in analog building intercom system diagram

圖3 模擬線路輸入信號(hào)路由框圖Fig.3 Analog line in signal routing diagram

主要模塊介紹如下：

1） LEC （Line Echo Cancellation）

線路回聲消除，可以設(shè)置線路回聲消除啟始、過(guò)程增益，全雙工對(duì)講增益，遠(yuǎn)端高低音門(mén)檻值。

2） Inb NR （Inbound Noise Reduction）

帶內(nèi)噪聲抑制，將遠(yuǎn)端過(guò)來(lái)的音頻帶內(nèi)固定噪聲抑制。當(dāng)Line in用于播放固定頻率的鈴聲時(shí)，需要將Inb NR功能關(guān)閉，否則會(huì)被誤判為固定頻率的噪聲而被濾除。

3）Equalizer

均衡器，可以分別調(diào)節(jié)12個(gè)子頻帶，每個(gè)子頻帶都可以分別設(shè)置不同的濾波器類型，如低阻、高阻、帶通、低通、高通濾波器，每個(gè)子頻帶獨(dú)立增益控制，中心頻率點(diǎn)或者截止頻率點(diǎn)設(shè)置，濾波器Q值設(shè)置。由于實(shí)際樓宇對(duì)講產(chǎn)品模具里麥克風(fēng)和喇叭腔體設(shè)計(jì)各異，如果出現(xiàn)有些頻率點(diǎn)頻響特性不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以用該均衡器進(jìn)行很好地修正。

3.2.2 在模擬樓宇對(duì)講中的CX20707麥克風(fēng)輸入信號(hào)路由

通過(guò)I2C可以把CX20707麥克風(fēng)輸入信號(hào)路由[5]配置如下，如圖4所示。

圖4 麥克風(fēng)輸入信號(hào)路由框圖Fig.4 Microphone input signal routing diagram

主要模塊介紹如下：

1） AEC （Acoustic Echo Canceller）聲學(xué)回聲消除，可控制AEC調(diào)整的速度，設(shè)置回聲的高、低門(mén)檻值，調(diào)整回聲在線路上面的延遲時(shí)間。

2）BF（Beam Forming）波束成形，該算法可以使麥克風(fēng)陣列的噪聲抑制能力提高，增強(qiáng)語(yǔ)音效果。

3）NR（Noise Reduction）降噪，該算法可以很好的降低噪聲，提高語(yǔ)音質(zhì)量。

4）EQ（Equalizer）均衡器，可以分別調(diào)節(jié)12個(gè)子頻帶，每個(gè)子頻帶可獨(dú)立控制增益。

5） AGC （Automatic Gain Control）自動(dòng)增益控制，該功能可以讓麥克風(fēng)的輸入信號(hào)穩(wěn)定在一定的輸入水平。參數(shù)可以設(shè)置AGC啟動(dòng)門(mén)檻值，遞增、遞減的步進(jìn)值，調(diào)整的速率，最大門(mén)限值防止信號(hào)飽和失真。

3.3 CX20707 SPoC在數(shù)字樓宇對(duì)講中的回聲消除設(shè)計(jì)

在數(shù)字樓宇對(duì)講系統(tǒng)里，語(yǔ)音信號(hào)最后都需要MCU打包成為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。CX20707 SPoC可以用于本地麥克風(fēng)輸入語(yǔ)音信號(hào)的聲學(xué)回聲消除。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，CX20707支持麥克風(fēng)的直接輸入，并集成了2.5 W class-D音頻功放，可以直接驅(qū)動(dòng)喇叭，內(nèi)部集成了CODEC，可以直接用I2S（Inter-IC Sound）數(shù)字音頻接口和MCU進(jìn)行音頻通信，外圍電路簡(jiǎn)單。MCU通過(guò)I2C總線配置和管理CX20707，通過(guò)媒體獨(dú)立接口MII（Media Independent Interface）和以太網(wǎng)的物理層收發(fā)器PHY（Port Physical Layer）互聯(lián)，PHY通過(guò)變壓器 （Transformer）電氣隔離后和交換器（Switch）互聯(lián)，不同的對(duì)講設(shè)備最后都通過(guò)以太網(wǎng)交換器互相對(duì)接。系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖5所示。

通過(guò)I2C將CX20707的內(nèi)部音頻輸入信號(hào)路由配置如圖6所示，數(shù)字音頻輸出信號(hào)路由配置如圖7所示。音頻流處理與模擬樓宇對(duì)講中相似，在此不再贅述。

圖5 CX20707在數(shù)字樓宇對(duì)講系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖Fig.5 CX20707 application in digital building intercom system diagram

圖6 數(shù)字音頻輸入信號(hào)路由框圖Fig.6 I2S input signal routing diagram

圖7 數(shù)字音頻輸出信號(hào)路由框圖Fig.7 I2S output signal routing diagram

3.4 系統(tǒng)通話傳輸特性測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)的通話傳輸特性[6]，系統(tǒng)可以雙向全雙工通話，語(yǔ)音清晰，無(wú)振鳴現(xiàn)象，主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試值如下：應(yīng)答通道和主呼通道的頻率響應(yīng)都在400～3 400 Hz范圍內(nèi)的典型曲線及其允差范圍內(nèi)；當(dāng)激勵(lì)聲壓為0 dBPa時(shí)，應(yīng)答通道和主呼通道非線性失真都小于7%；應(yīng)答通道信噪比不小于30 dB，主呼通道信噪比不小于35 dB；室內(nèi)機(jī)手柄端的側(cè)音掩蔽評(píng)定值不小于5 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐中基于CX20707 SPoC作為回聲消除芯片研發(fā)的的模擬樓宇對(duì)講、數(shù)字樓宇對(duì)講門(mén)口機(jī)及室內(nèi)分機(jī)等產(chǎn)品，其聲學(xué)回聲和線路回聲都得到比較好的抑制，系統(tǒng)通話傳輸特性測(cè)試各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足公安部GA/T 72-2005樓寓對(duì)講系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求，值得在樓宇對(duì)講系統(tǒng)中應(yīng)用和推廣。

[1]勒秀鳳.安防行業(yè)現(xiàn)狀、未來(lái)和可持續(xù)發(fā)展[J].中國(guó)安防產(chǎn)品信息，2001（6）：1-2.

LE Xiu-feng.Security industry status，the future and the sustainabledevelopment[J].ChinaSecurityProductInformation，2001（6）:1-2.

[2]馬鴻雁，李惠昇.智能住宅小區(qū)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3]Conexant.DSH-202387C.CX20707 speakers-on-a-chip with on-chip voice/audio DSP，integrated I2S codec， and mono class-D amplifier data sheet[S].New York:Conexant Systems，Inc，2010.

[4]ITU-T.G.167/P.340 Transmission characteristics of hands-free telephones[S].Geneva:International telecommunication union，2004.

[5]Conexant.APN-6.CX20707 Toolbox User Mannual Rev.1.2[S].New York:Conexant Systems， Inc，2010.

[6]全國(guó)安全防范報(bào)警系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GA/T72-2005.樓寓對(duì)講系統(tǒng)及電控防盜門(mén)通用技術(shù)條件[S].北京：中華人民共和國(guó)公安部，2005.