標題：基于FM2010和WinCE平臺的回音消除驅動設計
WinCE是Microsoft公司推出的功能強大、緊湊高效、可伸縮的32位嵌入式操作系統(tǒng)，主要面對各種各樣的嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。該系統(tǒng)所具有的多線程、多任務、完全搶占式的特點是專為各種具有嚴格資源限制的硬件系統(tǒng)所設計的。
FM2010是ForteMedia公司推出的一款語音處理器，具有迷你型尺寸、單芯片解決方案、高性能、低功耗，以及優(yōu)良的回聲消除和噪聲抑制功能，利用創(chuàng)新的SAM(小型陣列麥克風)技術與波束形成能力使其功率消耗僅為25 mW。FM2010具有提高電池壽命、降低功耗和節(jié)省芯片尺寸等優(yōu)點，可滿足便攜式手持掌上電腦、筆記本電腦、平板電腦和手機的嚴格要求。
2 回聲產(chǎn)生的原理與消除方法
2．1 回聲的基本概念和產(chǎn)生原理
通常意義上的回聲可以分為電學回聲和聲學回聲，前一種是由于服務提供商的線路質量所致，而后一種則是由于用戶端設備的質量所致。
2．1．1 電學回聲
在PSTN (Public Switched Telephone Network，公共交換電話網(wǎng)絡)中，為了降低電話中心局與電話用戶之間電話線的價格，用戶線間的連接采用兩線制，而電話中心局之間連接采用四線制。在這樣采用混合線制的電路中，由于阻抗的失配，會不可避免地產(chǎn)生電流泄漏。電流泄漏使得一部分信號的能量反射回信號源，這種反射和信道延遲結合在一起，使講話者聽到自己的聲音，即為電學回聲。
2．1．2 聲學回聲
聲學回聲是指揚聲器播出的聲音在被受話方聽到的同時，也通過多種路徑被麥克風拾取到，傳輸?shù)秸f話方的一端，從而形成聲音回路。當回聲返回時間超過10 ms時，人耳就可聽到明顯的回聲了。多路徑反射的結果產(chǎn)生了不同延時的回聲，包括直接回聲和間接回聲。
①直接回聲是指由揚聲器播出的聲音未經(jīng)任何反射直接進入麥克風。這種回聲的延時最短，它同遠端說話者的語音能量，揚聲器與麥克風之間的距離、角度，揚聲器的播放音量，麥克風的拾取靈敏度等因素直接相關。
②間接回聲是指由揚聲器播出的聲音經(jīng)過不同的路徑(如房屋或房屋內(nèi)的任何物體)的一次或多次反射后，進入麥克風所產(chǎn)生的回聲的集合。房屋內(nèi)的任何物體的任何變動都會改變回聲的通道，因此，這種回聲的特點是多路徑的、時變的。
對于電學回聲的消除，通常由服務提供商提供解決方案。本文研究的重點是聲學回聲的消除機制，為了防止聲音回路的產(chǎn)生，通常需要在硬件和軟件設計中采取一定的解決方案。
如圖1所示，雙方在使用PDA或者手機進行通話時，假設B是主話方，A是受話方：
①B說話的聲音經(jīng)過電信或者移動路徑傳輸?shù)紸的設備上；
②聲音經(jīng)過揚聲器發(fā)出，由于硬件和機構設計上的局限性，會有部分聲音滲透到A的麥克風；
③滲透出的聲音又傳輸回到B，導致B能聽到自己的聲音。
這樣，便形成了聲音回路，即產(chǎn)生了回聲。
PDA或者手機內(nèi)部結構聲音回路示意圖如圖2所示。在全雙工的情況下，揚聲器和麥克風之間至少要保持4 cm以上的距離，才能比較好地避免回聲問題。在實際情況下，絕大部分的回聲回路形成于機構內(nèi)部，而由機構外部揚聲器回流到麥克風的聲音，由于距離較長，基本可以忽略。
由于硬件和機構設計上的局限性，在機構內(nèi)部不可能完全隔離聲音的傳播，因此從揚聲器出來的聲音會有一部分會滲透到麥克風，從而產(chǎn)生回聲。
2．2 基于FM2010的回聲消除原理
FM2010使用的是自適應回聲抵消原理，它的基本思想是：估計回聲路徑的特征參數(shù)，產(chǎn)生一個模擬的回聲路徑，得出模擬回聲信號，從接收信號中減去該信號，實現(xiàn)回聲抵消。以圖3所示的受話端通話流程為例，圖中左上方的MIC IN是麥克風進入的信號，即用戶的聲音輸入信號，其中包含由本機揚聲器漏進去的部分主話端的語音信號；右下方的Line IN接入是主話端的語音信號，即由本機揚聲器輸出的信號直接接入到FM2010回音消除芯片的Line IN輸入端。在FM2010內(nèi)部會經(jīng)過DSP芯片的運算處理對兩者進行比較，消除MIC IN信號中與LineIN端相同的信號(即回聲音頻信號)，使用自適應回聲抵消原理達到消除回聲的目的。MIC IN和Line OUT之間路徑上的寄存器需要進行配置和調(diào)試，DSP使用這些配置的數(shù)據(jù)作為特征參數(shù)來進行運算處理。
3 基于FM2010的回音消除驅動設計
3．1 硬件架構設計
圖4是硬件架構示意圖。CPU 通過I2C總線 來控制回音消除芯片讀／寫回音消除參數(shù)(echo parameter)。錄音信號先經(jīng)過回音消除芯片處理后經(jīng)移動信道傳輸?shù)綄Ψ浇邮赵O備，經(jīng)過對方音頻編解碼器處理后再通過揚聲器或者耳機輸出。
3．2 音頻設備機構設計
音頻設備是否產(chǎn)生回聲，很大程度上取決于機構的設計是否合理。不合理的機構設計會大大增加出現(xiàn)回聲的概率，而且出現(xiàn)的回聲會比較嚴重，難于消除。我們改進了音頻設備機構上的設計，在設計之初就盡可能避免回音的產(chǎn)生，而且揚聲器和麥克風的距離盡可能保持一定遠的距離，如圖5所示。實踐中發(fā)現(xiàn)，揚聲器和麥克風之間的距離保持在10 cm以上，效果會比較好。
為了盡可能減少揚聲器和麥克風之間的聲音傳播，可以采用以下2種設計方案：方案一是把麥克風隔離開來，如圖5(a)所
示；方案二是把揚聲器隔離開來，如圖5(b)所示。當然，為了達到更好的效果，可以把揚聲器和麥克風分別隔離開；但是鑒于成本的考慮，使用其中的一種即可達到比較好的效果。具體的實現(xiàn)方法分別是：
①用橡膠套密封揚聲器的邊緣，盡可能避免聲音從機構內(nèi)部回流到麥克風；同時把麥克風密封在一個腔體之內(nèi)，以隔離外
部噪聲的進入。
②把揚聲器密封在一個腔體之內(nèi)，以盡可能隔離揚聲器的聲音向外部傳播；同時使用橡膠套密封麥克風的邊緣，以避免揚聲器發(fā)出的聲音進入。
另外，揚聲器和麥克風在設置的方向上也有講究，如圖6所示。兩者最好是相差180°，90°也可以接受；但是如果兩者的方向相同，如圖6(c)所示，則出現(xiàn)回聲的概率和程度都很大。
3．3 軟件架構設計與實現(xiàn)
軟件架構示意圖如圖7所示。
回音消除驅動的開發(fā)需要完成以下幾步：
①給回音消除芯片上電，并初始化其相關的寄存器和GPIO；
②初始化I2C總線，并配置I2C速率等的寄存器，使其處于正常運行狀態(tài)；
③檢查I2C總線是否已準備好；
④通過I2C總線讀取回音消除參數(shù)；
⑤等待回音消除芯片處于可讀／寫狀態(tài)，然后把參數(shù)寫入到芯片里，使配置的參數(shù)生效。
3．3．1 FM2010上電時序
當對FM2010初始化時，比較重要的一點是要按照其規(guī)格說明書定義的上電時序進行，否則可能會導致錄音聲音時有時無的情況發(fā)生。具體的要求如圖8所示。在初始化FM2010時，PWD high的狀態(tài)必須要在RESET high狀態(tài)之前設定，兩者之間相差5 ms。
3．3．2 讀／寫Echo parameter
FM2010芯片的初始化比較簡單，只要按照上述的時序進行初始化即可。下面重點剖析回音消除驅動的開發(fā)要點，即如何讀／寫回音消除參數(shù)(詳見代碼中的①和④)、設置回音消除芯片的工作模式(詳見②處)，以及配置I2C總線(詳見③處)。
結 語
本文在分析語音通話中回聲產(chǎn)生的機理的基礎上，詳細研究了回聲消除的原理、基本聲學回聲產(chǎn)生根源，提出了改進的PDA或者手機等音頻設備的機構設計方案；針對FM2010芯片的特點，給出了回聲消除驅動開發(fā)的軟硬件設計方案，并且給出了回音消除驅動程序關鍵代碼的實現(xiàn)。本文設計的軟硬件解決方案已經(jīng)在基于WinCE操作系統(tǒng)平臺和FM2010硬件平臺上得以實現(xiàn)，在實際項目開發(fā)中得到采用，并且獲得了良好的應用效果。