智能语音通信终端回声消除和噪声抑制技术研究

摘要

在语音通信设备的设计和应用中，伴随着人们对新技术的要求不断提高，追求产品小型化、精细化成为了新产品的突破点，这对应用系统设计及成本结构提出了新的要求，配置扬声器伴随着主体结构的缩小而缩小，其与麦克风的间距也变短，这一系列改变增加了回声消除的难度。另一个难点在于，通讯环境的复杂性对回声消除也产生越来越大的阻碍。继续推进智能语音通信终端系统中的全双工免提功能，提高嘈杂环境中的通话质量，一直是困扰设计师的一个难题。就技术层面来讲，克服这一难题的关键仍然是进行回声消除研究，并注意环境噪音的抑制。回声消除技术发展至今，研究重点已不局限于电路回声的消除，而更多地探究声学回声消除的可能性。对于回声消除和噪声抑制技术的研究，国内外有很多种方法，每种方法都有不同的优缺点，本文所研究的小阵列麦克风SAM(Small Array Microphone)技术可以消除65DB的声学回声和20DB的非平稳噪声，因此国内外对小型阵列麦克风的研究都非常重视。伴随着可编程门阵列(PGA，Programmable Gate Array)、数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)等高速信号处理技术的不断发展，SAM已经成为语音回声消除和背景噪声抑制的关键技术，并结合PGA，DSP，编解码器(CODEC)等技术集成在芯片中。Fortemedia公司发布的一个多功能单芯片回声消除器和噪声抑制器解决方案——FM2018就是集成了这种SAM技术。是一种专为手机和消费类应用设计的回声消除和噪声抑制芯片。
　　本文对智能语音通信终端的声学回声消除和噪声抑制技术进行了系统的研究。首先介绍回声和背景噪声的产生和消除原理，常用的回声和噪声消除方法及其数学模型分析，然后引出SAM技术;紧接着对声学回声消除和噪声抑制的方案进行对比研究，先对常规的单麦克回声消除和噪声抑制方案分析，从硬件结构，常用及改进的算法，根据实际波形分析消噪效果，紧接着对基于SAM的回声消除和噪声抑制方案进行详细研究，先从器件选型到硬件框架设计和原理图开始，再介绍软件实现过程和使用的算法，最后搭建测试环境并分析波形，对比传统的单麦克风回声消除和消噪方案，得出该方案的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 课题的国内外研究现状与发展

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文章节安排

第二章 声学回声和背景噪声

2．1 声学回声和背景噪声的产生

2．2 背景噪声及其特点

2．3 声学回声消除和背景噪声抑制的原理

2．3．1 声学回声消除的原理

2．3．2 背景噪声抑制原理

2．4 常用的回声消除和背景噪声抑制技术

2．4．1 回声消除技术

2．4．2 噪声抑制技术

2．5 本章小结

第三章 单麦克回声消除和噪声抑制的方案研究

3．1 单麦克回声消除和噪声抑制原理

3．2 硬件系统设计的难点和要求

3．3 自适应回声消除算法

3．3．1 基于LMS及NLMS的回声抵消算法

3．3．2 基于PNLMS及其改进的回声抵消算法

3．3．3 基于RLS的回声抵消算法

3．3．4 仿射投影回声抵消算法

3．4 自适应噪声抑制算法

3．5 本章小结

第四章 基于SAM的回声消除和噪声抑制方案设计与实现

4．1 基于SAM的回声消除和噪声抑制原理

4．1．1 SAM波束形成技术

4．1．2 SAM技术的四大功能

4．1．3 SAM在设备中的应用

4．2 消噪方案的选择

4．3 器件选型

4．3．1 FM2018-380特性介绍

4．3．2 硬件主要功能模块介绍

4．4 硬件系统设计

4．4．1 自适应回声消除和噪声抑制器的结构

4．4．2 原理图设计

4．5 算法研究

4．5．1 自适应更新噪声能量谱的语音活动性检测

4．5．2 双向通话检测器DTD

4．6 软件系统设计

4．6．1 增加消噪IC的宏定义和编译加载处理

4．6．2 加载驱动IC的驱动文件

4．6．3 消噪IC的读写过程

4．6．4 消噪IC的初始化过程

4．6．5 声音在经CODEC部分的调试

4．7 测试环境搭建与波形分析

4．7．1 AEC测试情况及分析

4．7．2 平稳噪声消除情况及分析

4．8 本章小结

五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 对进一步研究的考虑

参考文献

致谢