市場對更高質(zhì)量車載免提語音系統(tǒng)的需求正不斷增長。許多政府已經(jīng)通過或正在考慮立法，以禁止在駕駛過程中使用手持式移動電話。此外，汽車制造商也在響應(yīng)消費(fèi)者對更高性能的車載通信與音響系統(tǒng)的需求。然而，移動車輛卻為移動語音通信技術(shù)造就了一個(gè)不利的環(huán)境。特別是，回聲和非常嘈雜的路面與汽車噪聲相耦合，降低了通話的聲音質(zhì)量。為了提升免提車載套件的性能，設(shè)計(jì)者必須找到一種解決方案能夠消除回聲、降低背景噪聲和通過全雙工操作增強(qiáng)對講性能。

免提通信需求

早期的免提車載套件解決方案只在有限的市場獲得了應(yīng)用。主要原因是目前市場上許多免提車載套件采用的都是最初為揚(yáng)聲器電話開發(fā)的技術(shù)，無法支持高質(zhì)量的語音通信。這些免提車載套件的語音質(zhì)量會比蜂窩語音電話還要糟得多。一般來說，在這類免提車載套件設(shè)計(jì)中，對低成本的需求勝過對性能的需求。例如，低端的車載套件將只支持半雙工操作，這意味著某個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)人說話。不過，這種狀況正在改變。隨著全世界政府立法的實(shí)施，駕駛員若想在移動車輛中通信，將必須安裝免提車載套件。這樣，消費(fèi)者將需要更佳性能的免提通信技術(shù)。

盡管藍(lán)牙耳機(jī)在免提通信市場掀起了一些風(fēng)浪，但免提車載套件可以提供一些更重要的性能和更好的安全性。高性能車載免提套件將提供比藍(lán)牙耳機(jī)方案更好的語音質(zhì)量。就安全性和易用性而言，免提車載套件用戶幾乎不需要做什么動作就可以接聽電話。相比之下，使用藍(lán)牙耳機(jī)則需要尋找耳機(jī)并將其放在正確位置，才能接聽電話。

聲學(xué)回聲源

在車內(nèi)，有兩個(gè)聲學(xué)回聲源——揚(yáng)聲器和話筒之間的直接聲學(xué)耦合，引起語音信號在車廂里回響。聲學(xué)回聲主要來自直接聲耦合，這在話筒直接從揚(yáng)聲器拾取語音信號時(shí)產(chǎn)生。這種情況在車內(nèi)環(huán)境中通常會變得更大，這是因?yàn)槊馓彳囕d套件的音量要設(shè)得較高，以克服來自發(fā)動機(jī)和路面的噪聲。

聲學(xué)回聲的第二個(gè)來源是間接耦合或車廂反射。音頻信號在車廂里的各個(gè)表面上反射?；芈暤膹?qiáng)度取決于車內(nèi)使用材料的類型。越堅(jiān)硬的表面反射越多的音頻，而越柔軟的表面則吸收越多的回聲。例如，汽車座椅將吸收較多回聲，而車窗則反射較多回聲。進(jìn)一步復(fù)雜化的是，由車內(nèi)反射造成的回聲還會被延遲?；芈曆舆t量將隨車廂的尺寸和使用的材料而異。圖1顯示了直接聲學(xué)耦合和車廂反射回聲。

噪聲源

無論是由車輛產(chǎn)生還是由環(huán)境產(chǎn)生的噪聲，對于免提車載套件來說，要成功消除它們都是很大的挑戰(zhàn)。需要特別注意的是，這些噪聲的大小在不停地變化。車內(nèi)最重要的噪聲源包括：

發(fā)動機(jī)噪聲汽車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)噪聲可以惡化通信系統(tǒng)的語音質(zhì)量性能。當(dāng)汽車加速時(shí)發(fā)動機(jī)噪聲達(dá)到其峰值水平，在跑車快速加速期間這一點(diǎn)更為顯著。

圖1：直接耦合和車廂回響是車內(nèi)聲學(xué)回聲的兩大來源

路面噪聲輪胎和路面之間的磨擦產(chǎn)生噪聲。噪聲的強(qiáng)度取決于輪胎胎面、路面材料以及季節(jié)。例如，夏季輪胎比冬季輪胎安靜，瀝青路面比混凝土路面安靜。

風(fēng)噪聲空氣流過汽車并撞擊突出部位，例如后視鏡或車頂貨架，或者行駛時(shí)開窗而產(chǎn)生風(fēng)噪聲。風(fēng)噪聲因不同車輛而不同。例如，圓滑外形的跑車比SUV的風(fēng)噪聲要小。風(fēng)噪聲還受汽車制造商安裝的隔音材料多少的限制。高端豪華汽車比較低成本的小型汽車具有更好的隔音性能。另外，開窗行駛還會在車身內(nèi)外之間造成較大的壓差。

可以使用噪聲抑制算法降低風(fēng)噪聲、路面噪聲和發(fā)動機(jī)噪聲對通信系統(tǒng)聲音質(zhì)量的影響。對于具有高聲壓的風(fēng)噪聲，例如當(dāng)車速超過100公里/小時(shí)且車窗打開時(shí)，模擬前端電路將會飽和，從而造成語音信號削波。信號削波還將同時(shí)降低回聲對消(AEC)和總噪聲抑制電路的總體性能。

圖2：使免提車載通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨挑戰(zhàn)的噪聲源

解決此問題有兩個(gè)選擇：第一個(gè)選擇是針對最壞情況設(shè)計(jì)輸入電路，并將話筒增益設(shè)置為輸入信號永遠(yuǎn)不會被削波的水平。不過這將引起模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍縮小，信噪比惡化，從而使AEC的總體性能惡化。AEC性能的惡化在嘈雜環(huán)境中是可以接受的，因?yàn)闅堄嗷芈暠槐尘霸肼曆蜎]了。但在安靜環(huán)境下，殘余聲學(xué)回聲顯得較為顯著，使得惡化的性能無法接受。例如，如果音頻路徑上是車內(nèi)噪聲和比其高30dB的信號，設(shè)計(jì)者可以將輸入增益衰減30dB以抵消噪聲。但是，當(dāng)汽車停車和噪聲源消失時(shí)，SNR將比實(shí)際需要高出30dB。過高的SNR將降低聲學(xué)回聲對消的性能。

設(shè)置為高增益的另一個(gè)問題，是通話期間話音電平的變化。通常說話時(shí)，我們會根據(jù)噪聲狀況調(diào)節(jié)我們的話音高低。而在車廂里，如果針對最壞情況噪聲狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然當(dāng)車內(nèi)噪聲較大時(shí)可以獲得良好性能，但在噪聲較小時(shí)性能卻下降。

理想的解決方案是根據(jù)環(huán)境動態(tài)地改變話筒增益。如果系統(tǒng)采用一個(gè)簡單的模擬增益控制器，來檢測并控制話筒增益，將等同于控制回聲路徑上的變化，并將迫使AEC重新收斂。

汽車噪聲通常為低頻。許多免提車載套件使用高通濾波器來濾除汽車噪聲。高通濾波器可以濾除大部分噪聲，但會影響語音質(zhì)量。為達(dá)到高性能，必須將算法設(shè)計(jì)成能夠區(qū)分語音和噪聲信號，并將噪聲從總信號中濾除。良好的噪聲抑制算法應(yīng)該在濾除噪聲和保持語音信號完整性之間達(dá)到平衡。

為達(dá)到所需的性能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須對話筒輸入信號(Sin)采用自動增益控制(AGC)。該AGC避免了信號削波，同時(shí)保持了由用戶確定的總增益設(shè)置。對話筒輸入采用模擬自動控制增益(由數(shù)字信號處理器控制)并采用對陡峭回聲路徑變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)乃惴?通常會導(dǎo)致重新收斂)將避免信號被削波。

該方法可以使ADC在各種環(huán)境條件下具有最大動態(tài)范圍?？勺屚ㄔ捳咭哉Ｂ曇粽f話，而不管車內(nèi)的噪聲狀況如何。

回聲對消和全雙工操作

圖3顯示了免提車載套件的基本框圖。

圖3：用于車內(nèi)的免提車載套件方框圖

回聲對消電路消除了由環(huán)境產(chǎn)生的回聲。如果使用帶有模擬端口的蜂窩電話連接到該車載套件，將需要使用線路回聲對消器來消除由該模擬端口上的側(cè)音產(chǎn)生的回聲。如果使用帶有藍(lán)牙連接的蜂窩電話連接到該車載套件，則側(cè)音將不復(fù)存在，因此將不需要線路回聲對消器。在回聲對消電路中，聲學(xué)回聲消除模塊負(fù)責(zé)降低聲學(xué)回聲；非線性處理器負(fù)責(zé)消除殘余回聲；噪聲抑制模塊則負(fù)責(zé)降低背景噪聲。

高性能車載套件的其它重要特性還有全雙工操作和良好的對講性能。全雙工車載套件允許雙向語音信號同時(shí)傳送，支持自然對話方式。目前，大多數(shù)商用車載套件都選用半雙工避讓方式，通信時(shí)只允許單個(gè)方向傳送語音信號。此時(shí)，在對講情況下，只有最高功率電平的信號才會被發(fā)送，從而造成通話時(shí)斷時(shí)續(xù)。

即便是全雙工通信，目前的大多數(shù)全雙工算法在對講狀況下性能也較差。當(dāng)對講停止時(shí)，這些雙工算法凍結(jié)自適應(yīng)性功能，算法將不得不重新適應(yīng)回聲環(huán)境。這將導(dǎo)致在單講結(jié)束時(shí)和對講過程中出現(xiàn)突發(fā)回聲。為了在對講期間保持高性能，算法必須繼續(xù)收斂并跟蹤回聲路徑中的變化。

聲學(xué)回聲對消器

聲學(xué)回聲對消器和非線性處理器是全雙工算法的關(guān)鍵組件。圖4顯示了一個(gè)聲學(xué)回聲對消電路框圖。

圖4：用于消除聲學(xué)回聲的回聲對消器框圖

該聲學(xué)回聲對消電路使用了一個(gè)最小均方(LMS)濾波器，或類似類型的濾波器，來生成回聲特征信號模型。回聲特征信號用于估計(jì)從回聲路徑中的輸入信號中減去的回聲信號。該算法連續(xù)跟蹤回聲特征的變化并更新估計(jì)的回聲。

當(dāng)回聲路徑為線性時(shí)，回聲對消效果良好，但在非理想狀況下(例如對講情況)則開始變差。在對講期間，為了避免對消效果變差，許多廠商用全雙工算法將凍結(jié)自適應(yīng)功能并停止對源的跟蹤，而是根據(jù)凍結(jié)自適應(yīng)功能之前所獲取的特征來對消回聲。這樣，當(dāng)源信號的特征在對講期間發(fā)生變化時(shí)，算法將無法對其跟蹤，從而將出現(xiàn)殘余回聲或突發(fā)回聲。為達(dá)到最佳的回聲對消性能，算法必須在對講狀況下也能繼續(xù)收斂。

非線性處理器

任何聲學(xué)回聲對消器都不是完美的。精確估計(jì)回聲路徑的非線性是不可能的。非線性源在編解碼器中被量化，在回聲路徑中被削波和扭曲。通常一個(gè)聲學(xué)回聲對消器只能對消最高30dB的回聲。要達(dá)到更好的性能，則必須使用一個(gè)非線性處理器(NLP)來降低回聲和處理非線性。

一個(gè)簡單的NLP就是一個(gè)有源開關(guān)。激活單講期間時(shí)，NLP打開路徑并注入舒適噪聲，從而可實(shí)現(xiàn)極佳的語音質(zhì)量。而在對講狀況下，系統(tǒng)將完全依賴于回聲對消器。

許多聲學(xué)回聲對消器主要依賴于NLP來實(shí)現(xiàn)快速收斂和掩蓋回聲對消器的不良性能。但是，如果NLP關(guān)閉不夠快，將導(dǎo)致對講期間語音中斷。如果NLP被用來掩蓋回聲對消器的不良性能，則在對講狀況下將出現(xiàn)較大的殘余回聲。通常，商業(yè)回聲對消器將給出反映回聲對消和NLP性能的回波反射損耗(ERL)參數(shù)。不過，該參數(shù)不反映對講期間回聲對消的性能。

AEC和NLP應(yīng)按如下方式交互：AEC跟蹤回聲路徑中的變化并在對講期間連續(xù)收斂，NLP則通過進(jìn)一步減小回聲和處理非線性效應(yīng)，掩蓋AEC的不足。

削波補(bǔ)償

免提車載套件性能是依據(jù)最終用戶語音信號的質(zhì)量來判斷的。如果一個(gè)免提車載套件是為滿足關(guān)窗行駛時(shí)車內(nèi)最壞情況設(shè)計(jì)的，那么當(dāng)汽車開窗行駛時(shí)該設(shè)計(jì)將無法滿足要求。當(dāng)車窗打開時(shí)，風(fēng)將大大提高噪聲信號電平，此時(shí)，來自話筒的信號將被削波，而且模數(shù)轉(zhuǎn)換器也將過載。

圖5顯示了一個(gè)被嚴(yán)重削波的信號。

圖5：強(qiáng)噪聲引起嚴(yán)重削波后的信號波形

語音和背景噪聲信號似乎完全相同，電路幾乎無法將語音從背景噪聲中區(qū)分出來。在這些狀況下，AEC將無法收斂于回聲，噪聲抑制算法將無法輕易區(qū)分背景噪聲并減小它。圖6顯示了同一信號經(jīng)過噪聲抑制算法處理但沒有削波補(bǔ)償?shù)那闆r。其結(jié)果是信號仍然被削波、噪聲仍然很高。

圖6：嚴(yán)重削波信號經(jīng)過沒有削波補(bǔ)償?shù)脑肼曇种扑惴ㄌ幚砗蟮慕Y(jié)果

圖7顯示了同一信號經(jīng)過噪聲抑制算法處理且有削波補(bǔ)償?shù)那闆r。在這些狀況下，AEC工作很好，因?yàn)橄诵盘栂鞑ìF(xiàn)象。

圖7：嚴(yán)重削波信號經(jīng)過具有削波補(bǔ)償?shù)脑肼曇种扑惴ㄌ幚砗蟮慕Y(jié)果

本文小結(jié)

從上述中可以發(fā)現(xiàn)，對于高性能的免提車載通信套件來說，必須具備良好的噪聲抑制、聲學(xué)回聲對消、對講性能和削波補(bǔ)償性能。要實(shí)現(xiàn)這些高性能，就離不開良好的AGC、AEC、NLP以及性能優(yōu)異的削波補(bǔ)償電路。卓聯(lián)半導(dǎo)體公司開發(fā)的免提通信應(yīng)用的單芯片器件系列，就是專為實(shí)現(xiàn)上述高性能而設(shè)計(jì)的。公司最新免提解決方案ZL38004是一款專用語音處理器，它將集成雙通道編解碼器和多種接口結(jié)合在一起，并支持回聲對消、噪聲抑制和削波補(bǔ)償。芯片的專利軟件算法持續(xù)跟蹤回聲路徑上的變化，即使在對講期間也能保持跟蹤，并在保持高語音質(zhì)量的情況下減小背景噪聲。即使在語音信號較低的情況下，ZL38004平臺也將全雙工操作，允許進(jìn)行自然的雙向通話。