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声学回声消除技术(AEC)在会议扩声系统的应用

2014/04/18 meeteasy

l、声反馈

扩声系统的特点是声源和放声用的扬声器处于同一地区,在接收人语音信号的同时向听众播放。因为传声器和扬声器处在同一区域内,所以经过放大并由扬声器辐射的声音会反馈到传声器,因而引起畸变或啸叫 。

声反馈(acoustical feedback)主要指室内同时使用传声器和扬声器,由扬声器到传声器直接和间接地 传输。扩声的一个特例,即声反馈系数为零就是放音系统,系统的传声增益大于0时,系统处于正反馈工作状态,系统失控。因此为保证扩声系统正常工作,扩声系统应该远离自振点,一般至少有6dB的稳定度,即系统的传声增益为一6dB。因此要减少啸叫就需使系统的频率传输特性平直,减少再生混响的干扰。

在国家多项扩声系统指标要求内,都要求系统的主频段内的频率传输特性在±4 dB以内,实际包括了电声系统的频率传输特性和房间的频率传输特性;一 般使用的传声器的频率传输特性在±3dB以内,因此包括传声器在内的扩声系统的整个主频段频率传输特性一般控制在±4 dB以内,以减少产生啸叫的机会。

回声会使房间的频率传输特性变坏,同时也会产生更大的再生混响干扰。由于扬声器的再生信号 在传声器上引起声压逐渐降低的现象和室内混响过程类似,所以称为再生混响。因为声反馈系数的频率特性不均匀度很大,所以各频率的再生混响时间的变化也非常大,它不像标准混响那样有利于音质的改进 而是干扰了扩声系统的正常工作。

扩声系统的声反馈越小,由它引起的频率畸变和再生混响干扰也越小,并且可以稳定地工作。

2、回声、电子回声及声学回声

回声(echo)是指大小和时差都足够大的,在主观 感觉上可以和直达声区别的反射声或因其他原因返回的声波。在室内声学中回声有时可泛指由反射面 传来的所有声波,时间延迟较短的反射声不但不妨碍听音而且有助于加强声音。

多重回声(multiple echo)是单个声源所发声音 经历室内多次反射而形成的一串可分辨的回声。

回声是可能导致啸叫的原因之一。它影响房间 的频率传输特陛及再生混响的形成。

声学回声(acoustic echo)是特指在通信网络中的 声学回声。典型的通信网络中发生的回声有两种类型:混合或电子回声(hybrid echo or electrical echo)和声学回声。混合回声(也称为“电气回声”)是在有线网络由一个4线到2线传输转换的阻抗不匹配产生,它是通信网络中主要由网络产生的回声。声学回声是因扬声器(如一个小手机的听筒)和传声器之间的声学隔离不足的结果,特别是当声波通过墙或天花反射回传声器(通常为使用免提装置)

在有线PSTN网络中,用户一般通过2线模拟连接到本地交换机房,一般称为“本地环路”;从本地交换机,通过4线的数字链路进行远距离信号传递,此链接、发送和接收路径中使用单独的线对。因此两者之间的联系方法是混合传输方式,如图1所示。

混合传输方式
混合传输方式需4线接口转换成2线接口,两者之间需进行阻抗匹配;2线的阻抗取决于许多参数,如电缆的长度和类型,以及在客户端设置电话的阻抗;在实践中,因为2线回路的阻抗不能事先确定,混合传输的阻抗平衡只是名义上的实现,因此产生信号发射。信号的一小部分发射回给发件人,这就是听到的回声。混合或电子回声如图2所示。

混合或电子回声

混合失衡的程度决定回声发射的强度。回声发射的强度表示回拨损耗。

声学回声发生时的声音从电话的扬声器部分一些被拾起并通过传声器传送回。有两个典型的声学回声来源,第一种当耳机和传声器间缺乏相互隔离时将产生隔声回声或声学耦合;第二种是环境声学回声,在声学发射环境中举行电话交谈时,会产生这种类型的声学回声。在这种情况下,传声器首先拾取直达声然后拾取发射声及混响声,如图3所示。
声学回声源

3、电话会议系统的声学回声

在全球网络化的今天,会议系统已不局限在一个单独的封闭空间,多会议室的互联互通已越来越普遍,其中远程电话会议系统是就是其中一个典型的情况,。近年来,电话/视频会议系统发展迅速,并已在各行各业都得到充分应用,例如远程教学、远程手术等,过去由于技术方面无法完善,时常有小问题会出现,其中声学回声就是电话/视频会议中最常见的声音问题之一。

下面对一个电话-远端及一个电话会议室-近端的系统进行分析,如图4所示。

近端的系统进行分析
遇到的问题如下:

(1)声学回声,对系统产生再生混响干扰,使系统容易产生啸叫及声音模糊。如图5所示

声学回声
当一个远程呼叫者在远端说话,起声音通过电话网络传输到系统中,并通过本地会议室内的扬声器传递给听众。远程呼叫者的声音除了被会议室内的听众听到以外,声音还通过房间内的发射面间接地进入到会议室的传声器中。这些直接和间接的远端音频信号和会议室内听众的声音混合在一起,重新传给远端呼叫者,远端呼叫者会因为会议室发射导致听到的声音模糊。

(2)电话及交换机的传输延时。一般固网电话为单向50ms延时,移动电话为单向300~600ms,网络电话为单向500~600ms,如图6所示。

基本电话会议系统信号延时
如此声音经过声学回声回到远端呼叫者,根据哈斯效应,将形成多重回声,加重声学回声的情况,严重影响了语言可懂度。
电话及交换机的传输延时是无法消除的,因此需消除声学回声,以使整个扩声系统稳定,减少声反馈,提高语言清晰度和可懂度。

4、声学回声的消除

要消除声学回声,一种方法是让系统处于半双工工作状态,如对讲机,但更多的用户希望系统在全双工工作状态下去消除声学回声。最早回声抑制是在20世纪50年代为卫星电话开发的,60年代AT&T的贝尔实验室发展了回声消除理论,因电子元器件的限制到70年代才开发出第一台商用回声消除器。声学回声控制(Acoustic Echo Control,AEC)所使用的方法不同于混合回声消除。混合回声信号是线性的、静止的,这意味着一旦回声模型建立,期没有延迟,其特征通常没有变化,因此可以构造一个不变回声变化模型实现回波抵消器。但声学回声的特点,取决于多种外部因素,如房间的建声情况、扬声器的直达声辐射、传声器的拾音特性等,这些变量将影响声学回声的非平稳和非线性。出于这个原因,如果采用传统的混合回声消除方法去消除声学回声,回声将不断分流和重新融合,产生一个非常糟糕的结果。

与混合回声消除不同,没有标准的声学回声控制块设计。因此各供应商之间的回声控制方法各不相同。基本的声学回声消除(AEC)的工作过程如下:

(1)一个远程的信号传送到系统。(2)扬声器在房间重放远端的信号(3)在此房间里有一个至少一只传声器拾取人的直达声和由此产生的混响声,作为一个近端信号。(4)远端的信号进行滤波和延迟对比出类似的近端信号。(5)将过滤后的远端信号从近端信号中减去。由此产生的近端信号代表不包括通过扬声器产生的任何直接或混响的声音。
核心是通过声学回声消除算法从会议室传声器拾取的信号中有效地去除不需要的远端电话信号。在拾取的信号中只剩下会议室内参会者的声音,并通过电话网络传输到远端呼叫者,致使远端对华人的声音尽量少进入到近端系统输出信号中,如图7所示。

声学回声消除结构
回声消除的主要挑战是确定正确的过滤器应用到远端信号,由此消除近端拾取信号中的远端信号的成分。此过滤器是根据现场扩声扬声器,拾音传声器和房间的声学属性的共同结合而设计的。因此回波消除系统应包括背景噪声减少模块,使系统即使在高背景噪声环境下,仍可以区分语音回声与噪声。

下面以美国BBS品牌London系列数字音频处理器为例,解析系统的实际构建。
首先是一个基本的AEC系统的内部处理接线,核心是远端电话信号送入近端本地场扬声器的同时,送入AEC模块中作采样作为对比基准信号,如图8所示

声学回声消除模块的内部接线
为保证基准信号与扬声器接收的信号进行正确对比,需遵循3个原则
一是,每个近端传声器都需加入AEC模块进行对比及单独的声学回声消除。因为不通传声器对同一信号拾取后的信号叠加将产生大量失真,导致对比失真。如图9所示

多传声器声学回声消除模块内部接线
二是采样端不应混入近端信号,但本地场扬声器可扩声近端信号
三是如需对远端传声器拾取的信号单独进行影响频响的处理,如均衡等,取样应尽量取处理后信号,对任何非线性处理必须小心对待,如动态处理,如扬声器输出前的信号进行相关处理,必须同步对远端基准信号进行处理,以确保系统的对比一直在同样情况下进行,如图10所示

多传声器电话会议系统信号处理流程

此系统由4只传声器(拾音器)组成一个近端会议系统。4只传声器信号经自动混音台后,近端信号通过电话转换器与远端通信。近端传声器信号与远端的信号分别加上低通、高通、参量均衡器等均衡处理后再送给扬声器在房间内扩声。远端的声音在处理后与近端信号混合前送给近端的参加者。远端的信号将通过传声器传回远端,形成声学回声。

如果要消除本端的回声,就需要在对方增加一台带回声消除的设备。如果是多个点的视频会议,为了达到很好的会议效果,每个点都需要增加一台带回声消除功能的设备。当两端或者多端同时增加回声消除设备,就可以保证每个点都能够听到清晰流畅的声音,如图11所示

两电话会议扩声系统连接

5、声学回声消除模块调节

BBS的AEC输入模块包括4路传声器输入,可作为BBS800及100系列的输入卡使用。其AEC算法覆盖20Hz-8KHz,充分包括人声的频谱,系统为全双工工作,非半双工工作。内部调节如图12所示,包括:

(1)一致的AEC参考取样的AEC消除功能选择
(2)Echo Return Loss(ERL)显示,显示AEC远端参考取样信号与近端输入信号的差;

(3)Echo Return Loss Enhancement(ERLE)显示,显示线性AEC算法的回声消除;

(4)Non-Linear Processing(NLP)调节,调节非线性AEC算法的回声消除量;

(5)Noise Cancelation(NC)调节,可将近端拾取信号中移去环境噪音(如风扇噪音等),以便更好识别近端拾取信号中的远端信号

(6)Auto Gain Control(AGC)本地传声器自动增益控制功能,可将本地传声器动态范围控制在16dB以内,以提升低的声音,减少传声器啸叫的可能;

(7)Gain调节,结合Noise Cancelation(NC)调节以确保系统有足够的信噪比。

BBS的AEC输入模块控制

一般一个讲话人将在1m处产生64-66dB(A)的声压,当系统提供10dB环境噪声消除,可使系统提供更高的信噪比,提高系统的语言可懂度。如表1所示

传声器与讲者距离及与噪声声压关系表

6、总结

声学回声消除技术(AEC)随着DSP技术的发展,不断完善及降低成本。声学回声消除技术除可运用在电话会议外,还可运用到同一地点的多会议室间使用,同一地点的多会议室间互联互通在中国正渐渐成为潮流。多会议室间互联互通后同样将形成声学回声,只是比电话会议扩声系统减少了电话的传输延时及混合回声;因此同样需要至少在系统的一端配备带AEC处理功能的会议扩声系统。

以美国谷歌的智能手机”Nexus One”和摩托罗拉的手机”DROID”采用消除周围噪音的主动降噪功能为契机,预计微机电(MEMS)传声器面向手机市场的用途将迅速扩大。具体理由如下:
(1)为了实现主动降噪功能,Nexus One和DROID配备了2只以上的微机电(MEMS)传声器和专用噪声控制大规模集成芯片(LSI)
(2)作为面向主动降噪功能的传声器,微机电(MEMS)传声器相对于现有的驻极体传声器具有优势。原因是,微机电(MEMS)尺寸小、灵敏度高、信噪比高、与数字信号处理器(DSP)具有较高的适应性。
(3)另外,头戴式耳机也越来越多地采用主动降噪功能。芬兰诺基亚2009年2月发布了使用10只微机电(MEMS)传声器、配备有主动降噪功能的头戴式耳机。该主动降噪功能由诺基亚和英国欧胜微电子共同开发。索尼也发布了可将周围噪声最大降低99%的头戴式耳机

除手机以外的其他产品也越来越多地配备微机电传声器。iSuppli称进行拆解时发现,美国苹果带视频拍摄功能的“iPod nano”配备有美国模拟器件公司的微机电传声器。此外,笔记本式计算机中配备两只微机电传声器的产品不段增多。

7、结束语

微机传声器作为电声器件领域的一个重要分支,是一支具有强大生命力的生力军。

自20世纪70年代末驻极体电容分传声器引入中国以来,其应用领域与规划,与产量的激增,远远超出了任何人的预期与规划,消费领域数码产品层出不穷地更新换代,更加说明微型传声器尤其是微型数字传声器的市场前景是不可忽视的,相对于认为微型传声器已经没有什么发展前景是不可忽视的,相对于认为微型传声器已经没有什么发展前景的悲观论点,笔者却持有乐观论点。只要人类需要歌唱、对话与交流,只要人来不断创造梦想的激情不会消失,传声器将永远是人类声音的忠实代言人。

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