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基于DSP的音頻實時處理系統(tǒng)

2011/03/14

　　摘 要：聲學(xué)回聲消除器一直是視頻會議系統(tǒng)不可缺少的組件。將回聲消除算法結(jié)合噪音消除和靜音檢測算法等，提出一種改進(jìn)的實時音頻處理系統(tǒng)方法，并在TMS320C6713B 上實現(xiàn)，能夠有效改善噪音、雙工檢測、非線性回聲等導(dǎo)致自適應(yīng)濾波器發(fā)散的問題。該系統(tǒng)在保證正常雙工通話的同時，對非線性回聲的抑制有著明顯的改善效果。

1 引 言

　　隨著VOIP 的廣泛應(yīng)用以及多媒體通信技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們對互聯(lián)網(wǎng)語音通信的音頻品質(zhì)提出了更高的體驗要求。主流的視頻會議系統(tǒng)由原先的14 kHz升級到22 kHz 的音頻帶寬，這也標(biāo)志著語音通信已經(jīng)真正轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)音頻通信的應(yīng)用階段。當(dāng)然在基于互聯(lián)網(wǎng)的音頻通信中，聲學(xué)回聲和噪聲一直是影響音頻質(zhì)量的最為關(guān)鍵因素之一。

　　聲學(xué)回聲消除成為提升音頻通信質(zhì)量的一個非常重要的環(huán)節(jié)。聲學(xué)回聲消除采用了自適應(yīng)濾波來估計回聲產(chǎn)生的回路特征，并不斷修正自適應(yīng)濾波器的系數(shù)，使得估計值更加逼近真實回聲，最后從話筒信號中去除估計的回聲，以達(dá)到回音消除的目的。

　　聲學(xué)回聲具有信號沖激響應(yīng)時間長，特征分布范圍廣且多路徑反射和時變的特點，自適應(yīng)濾波器在估計回聲路徑的過程中容易受到這些不確定因素的干擾，當(dāng)然外部環(huán)境的噪音也是一個重要的因素。

　　本系統(tǒng)結(jié)合多種已有信號處理算法，有效提升了聲學(xué)回聲的雙工能力和收斂速度，并有效避免了使濾波器發(fā)散的多種因素，提升了濾波器的處理效率。同時利用高速浮點DSP 對回聲消除和噪聲消除進(jìn)行了整體的實現(xiàn)。

　　系統(tǒng)采用了頻域的MDF 自適應(yīng)濾波算法，將MMSE No ise Suppresso r 和多個VAD 添加到回聲消除器中。在加入濾波器系數(shù)更新模塊和非線性檢測模塊后，使得系統(tǒng)在更惡劣的噪音環(huán)境下以及雙方通話過程中，一樣具備良好的回聲消除和噪音消除能力。整個核心運算部分均在頻率域內(nèi)完成，也大大降低了運算量，最后通過調(diào)整DSP 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，合理運用DSP 的資源和指令加速，實現(xiàn)了基于DSP 的高效能實時音頻處理器的設(shè)計。

2 音頻處理系統(tǒng)相關(guān)算法

　2.1 聲學(xué)回聲消除

　　聲學(xué)回聲消除的基本原理是通過自適應(yīng)濾波器估計聲學(xué)回聲路徑的特征參數(shù)，產(chǎn)生一個模擬的聲學(xué)路徑，得出模擬的聲學(xué)回聲信號，并從參考信號中減去此信號，實現(xiàn)回聲的消除。

　2.2 結(jié)合噪音消除和靜音檢測的回聲處理系統(tǒng)

　　2.2.1 MDF 濾波器基本結(jié)構(gòu)和算法原理

　　MDF( Multidelay Block Frequency Domain Adaptive Filter) 是一種將原有的多階濾波器分為K 個等分的子塊，在每個長度為N 的子塊能進(jìn)行自適應(yīng)濾波的方法。如此能降低多階自適應(yīng)濾波器大量的運算量。

　　F 表示對2N×2N 的矩陣進(jìn)行FFT 變換，若v 表示信號幀序號，而diag 表示對角矩陣運算，則：

　　假設(shè)實際路徑產(chǎn)生的回聲信號為y ( v) ，通常也叫近端信號，則：



　　假設(shè)實際路徑產(chǎn)生的回聲信號為y ( v) ，通常也叫近端信號，則：



　　式中，^hk = [ ^hkN ，^hkN + 1 ,… ，^hkN + N- 1 ] T ，k = 0，1，2，,K - 1，它表示濾波器估計的第k 個子濾波器的系數(shù)。

　　2.2.2 改進(jìn)的回聲消除系統(tǒng)

　　如圖1 所示，通過加入靜音檢測算法( VAD) 對輸入信號的狀態(tài)進(jìn)行判斷，不僅可以減輕實際的運算量,也可降低噪音對自適應(yīng)濾波器的干擾，在一定程度上避免了濾波器發(fā)散的情況。同時加入MMSE Short t imeSpect ral Amplitude Estimator替代了傳統(tǒng)的非線性處理器( NLP) 算法。在頻域內(nèi)對參與回聲的頻譜能量進(jìn)行估計，計算增益，最后達(dá)到相對平滑的殘余回聲和噪音的處理。
　　
　　


　　                       圖1 一種結(jié)合噪音消除的回聲消除原理圖

　　通過對濾波器狀態(tài)參數(shù)的跟蹤，根據(jù)濾波器當(dāng)前是否正常收斂，殘余回聲估計模塊的輸出結(jié)果會自動調(diào)節(jié)估計值的大小，避免在濾波器正常收斂的情況下，抑制殘余回聲導(dǎo)致處理后正常信號損失過多的問題。

　　圖1 中采用的靜音檢測算法( VAD) 采用了同時檢測短時能量與過零率的方法，保證了判斷的可靠性。

　　在遠(yuǎn)端語音不存在的時候，沒有必要進(jìn)行回聲消除，只需要進(jìn)行本地的噪音消除，若本地語音不存在則不需要做任何處理。

　　結(jié)合VAD 系統(tǒng)更有效地減少了對噪音和回音估計的誤差范圍，通過對濾波器系數(shù)更新的學(xué)習(xí)和調(diào)整功能使得在雙方通話過程中音頻信號具備更好的信噪比。

　　通過非線性信號檢測模塊加強了整體消除回音的能力。

3 基于DSP 的音頻處理系統(tǒng)實現(xiàn)

　　3.1 硬件平臺

　　DSP 的選型需要考慮運算速度、成本、硬件資源以及程序的可移植性等多個問題。由于算法的浮點特性,本文采用了美國德州儀器( T I) 的TMS320C6713B 浮點DSP 作為核心處理器，通過使用JT EG 標(biāo)準(zhǔn)測試接口、EDMA 控制器、GIPO 通用輸入輸出端口以及多通道音頻緩沖串口( McASP) 等主要片外設(shè)備來完成系統(tǒng)的設(shè)計。

　　TMS320C6713B 可以工作在225 MHz 主頻上，片內(nèi)有8 個并行處理單元，分為相同的兩組，其體系結(jié)構(gòu)采用甚長指令字( V LIW) 結(jié)構(gòu)，單指令字長為32 b，8 個指令組成一個指令包，總字長為256 b。L1 支持4 KB的程序緩存以及4 KB 的數(shù)據(jù)緩存，L2 支持64 KB 的緩存。32 b 的外部存儲器接口( EMIF) 。與SDRAM 等無縫連接，可以尋址256 MB。

　　由于系統(tǒng)運行過程中需要實現(xiàn)的算法較多，僅依靠TMS320C6713B 的192 KB片內(nèi)RAM 來執(zhí)行程序是很困難的。本文使用了EMIF 的接口擴(kuò)展了SDRAM 作為算法和數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域。采用TLV320AIC23B 實現(xiàn)音頻輸入和輸出，AIC23 支持48 kHz 帶寬、96 kHz 采樣率的雙聲道立體聲A/ D，D/ A，音頻輸入包括了*輸入和線路輸入。

　　系統(tǒng)的硬件平臺如圖2 所示。

　　


　　                                    圖2 硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

　　3.2 基于DSP 的軟件實現(xiàn)

　　基于DSP 的實時處理的實現(xiàn)，本文將AIC23 采集到的數(shù)據(jù)先存儲到SDRAM 中，在需要處理的時候利用EDMA 實現(xiàn)Ping Pong 緩沖，將待處理的數(shù)據(jù)分批搬運到片內(nèi)存儲器，結(jié)合高速緩存和片內(nèi)內(nèi)存設(shè)計合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)對齊，這樣大大減小了數(shù)據(jù)搬移帶來的開銷。

　　DSP 處理主流程圖如圖3 所示。



　　                                  圖3 DSP 處理主流程

　　基于Ping Po ng 緩沖結(jié)構(gòu)的音頻處理流程如圖4所示。

　　


　　                    圖4 基于Ping Po ng 緩沖結(jié)構(gòu)的音頻處理流程

　　通過對音頻處理算法中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，將Ping Pong 緩沖架構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的安排，使得EDMA的數(shù)據(jù)傳輸和Process AEC 線程更好地并行處理。將當(dāng)前需要處理的*信號和揚聲器信號的數(shù)據(jù)保存在片內(nèi)地址內(nèi)，并將回聲消除中用到的FFT 和揚聲器參考數(shù)據(jù)均放在片內(nèi)地址處理。將算法的其他輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均放在SDRAM。這使得片內(nèi)資源得到最大化利用，并且很大程度地提升了整個系統(tǒng)的運算效率。

　　參考TI DSP 相關(guān)優(yōu)化資料，T I 的編譯器選項使用-mv6700,-O3，-oiO，-pm 開關(guān)，使得編譯的代碼能更多地利用TMS320C6713B 的硬件資源和浮點指令，參考了TI 帶的FFT 加速函數(shù)，結(jié)合實際算法做了局部的改進(jìn)，使得所有算法最終在TI TMS320C6713B 上均能實時高效的運行。

　　4 結(jié) 論

　　聲學(xué)回聲消除以及噪音抑制等算法在多媒體通信的音頻處理中起著至關(guān)重要的作用。

　　本文通過結(jié)合相關(guān)的自適應(yīng)濾波器以及非線程處理和噪音抑制等算法，并在基于TI 的T MS320C6713B上實現(xiàn)和優(yōu)化，實現(xiàn)了高效率的聲學(xué)回聲、噪聲消除實時處理系統(tǒng)。通過實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)對噪音消除可達(dá)40 dB以上，對回音消除可達(dá)50 dB 以上，并具備良好的雙工處理能力。目前在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上已經(jīng)延伸擴(kuò)展出了多路輸入/ 輸出的專業(yè)數(shù)字音頻處理器，并實際應(yīng)用在視頻會議系統(tǒng)中，取得了較好的體驗效果。

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