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基于DSP的音頻實(shí)時(shí)處理系統

2011/03/14

　　摘 要：聲學(xué)回聲消除器一直是視頻會(huì )議系統不可缺少的組件。將回聲消除算法結合噪音消除和靜音檢測算法等，提出一種改進(jìn)的實(shí)時(shí)音頻處理系統方法，并在TMS320C6713B 上實(shí)現，能夠有效改善噪音、雙工檢測、非線(xiàn)性回聲等導致自適應濾波器發(fā)散的問(wèn)題。該系統在保證正常雙工通話(huà)的同時(shí)，對非線(xiàn)性回聲的抑制有著(zhù)明顯的改善效果。

1 引 言

　　隨著(zhù)VOIP 的廣泛應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(yǔ)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(huì )議系統由原先的14 kHz升級到22 kHz 的音頻帶寬，這也標志著(zhù)語(yǔ)音通信已經(jīng)真正轉化為高品質(zhì)音頻通信的應用階段。當然在基于互聯(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(gè)非常重要的環(huán)節。聲學(xué)回聲消除采用了自適應濾波來(lái)估計回聲產(chǎn)生的回路特征，并不斷修正自適應濾波器的系數，使得估計值更加逼近真實(shí)回聲，最后從話(huà)筒信號中去除估計的回聲，以達到回音消除的目的。

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

　　本系統結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(shí)利用高速浮點(diǎn)DSP 對回聲消除和噪聲消除進(jìn)行了整體的實(shí)現。

　　系統采用了頻域的MDF 自適應濾波算法，將MMSE No ise Suppresso r 和多個(gè)VAD 添加到回聲消除器中。在加入濾波器系數更新模塊和非線(xiàn)性檢測模塊后，使得系統在更惡劣的噪音環(huán)境下以及雙方通話(huà)過(guò)程中，一樣具備良好的回聲消除和噪音消除能力。整個(gè)核心運算部分均在頻率域內完成，也大大降低了運算量，最后通過(guò)調整DSP 的數據結構，合理運用DSP 的資源和指令加速，實(shí)現了基于DSP 的高效能實(shí)時(shí)音頻處理器的設計。

2 音頻處理系統相關(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(guò)自適應濾波器估計聲學(xué)回聲路徑的特征參數，產(chǎn)生一個(gè)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(shí)現回聲的消除。

　2.2 結合噪音消除和靜音檢測的回聲處理系統

　　2.2.1 MDF 濾波器基本結構和算法原理

　　MDF( Multidelay Block Frequency Domain Adaptive Filter) 是一種將原有的多階濾波器分為K 個(gè)等分的子塊，在每個(gè)長(cháng)度為N 的子塊能進(jìn)行自適應濾波的方法。如此能降低多階自適應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：

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



　　假設實(shí)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(gè)子濾波器的系數。

　　2.2.2 改進(jìn)的回聲消除系統

　　如圖1 所示，通過(guò)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(shí)際的運算量,也可降低噪音對自適應濾波器的干擾，在一定程度上避免了濾波器發(fā)散的情況。同時(shí)加入MMSE Short t imeSpect ral Amplitude Estimator替代了傳統的非線(xiàn)性處理器( NLP) 算法。在頻域內對參與回聲的頻譜能量進(jìn)行估計，計算增益，最后達到相對平滑的殘余回聲和噪音的處理。
　　
　　


　　                       圖1 一種結合噪音消除的回聲消除原理圖

　　通過(guò)對濾波器狀態(tài)參數的跟蹤，根據濾波器當前是否正常收斂，殘余回聲估計模塊的輸出結果會(huì )自動(dòng)調節估計值的大小，避免在濾波器正常收斂的情況下，抑制殘余回聲導致處理后正常信號損失過(guò)多的問(wèn)題。

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

　　在遠端語(yǔ)音不存在的時(shí)候，沒(méi)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(yǔ)音不存在則不需要做任何處理。

　　結合VAD 系統更有效地減少了對噪音和回音估計的誤差范圍，通過(guò)對濾波器系數更新的學(xué)習和調整功能使得在雙方通話(huà)過(guò)程中音頻信號具備更好的信噪比。

　　通過(guò)非線(xiàn)性信號檢測模塊加強了整體消除回音的能力。

3 基于DSP 的音頻處理系統實(shí)現

　　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(gè)問(wèn)題。由于算法的浮點(diǎn)特性,本文采用了美國德州儀器( T I) 的TMS320C6713B 浮點(diǎn)DSP 作為核心處理器，通過(guò)使用JT EG 標準測試接口、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) 等主要片外設備來(lái)完成系統的設計。

　　TMS320C6713B 可以工作在225 MHz 主頻上，片內有8 個(gè)并行處理單元，分為相同的兩組，其體系結構采用甚長(cháng)指令字( V LIW) 結構，單指令字長(cháng)為32 b，8 個(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長(cháng)為256 b。L1 支持4 KB的程序緩存以及4 KB 的數據緩存，L2 支持64 KB 的緩存。32 b 的外部存儲器接口( EMIF) 。與SDRAM 等無(wú)縫連接，可以尋址256 MB。

　　由于系統運行過(guò)程中需要實(shí)現的算法較多，僅依靠TMS320C6713B 的192 KB片內RAM 來(lái)執行程序是很困難的。本文使用了EMIF 的接口擴展了SDRAM 作為算法和數據的存儲區域。采用TLV320AIC23B 實(shí)現音頻輸入和輸出，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(xiàn)路輸入。

　　系統的硬件平臺如圖2 所示。

　　


　　                                    圖2 硬件平臺結構圖

　　3.2 基于DSP 的軟件實(shí)現

　　基于DSP 的實(shí)時(shí)處理的實(shí)現，本文將AIC23 采集到的數據先存儲到SDRAM 中，在需要處理的時(shí)候利用EDMA 實(shí)現Ping Pong 緩沖，將待處理的數據分批搬運到片內存儲器，結合高速緩存和片內內存設計合適的數據結構，并將數據對齊，這樣大大減小了數據搬移帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)。

　　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 緩沖結構的音頻處理流程如圖4所示。

　　


　　                    圖4 基于Ping Po ng 緩沖結構的音頻處理流程

　　通過(guò)對音頻處理算法中數據結構的調整和優(yōu)化，將Ping Pong 緩沖架構的數據進(jìn)行合理的安排，使得EDMA的數據傳輸和Process AEC 線(xiàn)程更好地并行處理。將當前需要處理的*信號和揚聲器信號的數據保存在片內地址內，并將回聲消除中用到的FFT 和揚聲器參考數據均放在片內地址處理。將算法的其他輔助數據結構均放在SDRAM。這使得片內資源得到最大化利用，并且很大程度地提升了整個(gè)系統的運算效率。

　　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(kāi)關(guān)，使得編譯的代碼能更多地利用TMS320C6713B 的硬件資源和浮點(diǎn)指令，參考了TI 帶的FFT 加速函數，結合實(shí)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(shí)時(shí)高效的運行。

　　4 結 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(zhù)至關(guān)重要的作用。

　　本文通過(guò)結合相關(guān)的自適應濾波器以及非線(xiàn)程處理和噪音抑制等算法，并在基于TI 的T MS320C6713B上實(shí)現和優(yōu)化，實(shí)現了高效率的聲學(xué)回聲、噪聲消除實(shí)時(shí)處理系統。通過(guò)實(shí)際應用表明，該系統對噪音消除可達40 dB以上，對回音消除可達50 dB 以上，并具備良好的雙工處理能力。目前在本系統的基礎上已經(jīng)延伸擴展出了多路輸入/ 輸出的專(zhuān)業(yè)數字音頻處理器，并實(shí)際應用在視頻會(huì )議系統中，取得了較好的體驗效果。

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