基于CX20707 SPoC在安防樓宇對講中的回聲消除設(shè)計

劉壇春

（RTI科技中國有限公司 福建 廈門 361009）

在安防樓宇對講[1]中，語音通話質(zhì)量一直是困擾設(shè)計工程師的一個難題，主要是回聲消除的設(shè)計。

1 相關(guān)技術(shù)和研究現(xiàn)狀

樓宇對講里的回聲消除技術(shù)，目前采用的方法主要有兩種：

1）采用運算放大器將喇叭音頻輸出信號反相后疊加在麥克風輸入信號里面，進行簡單的抵消，但弊端是無法解決多路徑延遲的問題，而且只能半雙工通話；

2）利用微處理器 MCU（Micro Controller Unit）的資源運行回聲抵消算法來進行回聲消除，但是回聲抵消算法參差不齊，影響回聲消除的質(zhì)量，另外抵消多路徑回聲的算法一般比較復雜，需要占用MCU大量的資源，進而影響系統(tǒng)其它進程運行，降低整個系統(tǒng)的效率。

筆者采用某公司的新一代CX20707專用回聲消除芯片用于回聲消除，在文中給出了相應(yīng)的設(shè)計，并在實際項目中應(yīng)用，取得了良好的效果。

2 回聲來源

2.1 聲學回聲（Acoustic Echo）

聲學回聲是指揚聲器播放出來的聲音被麥克風拾取后發(fā)回遠端，這就使得遠端談話者能聽到自己的聲音。聲學回聲又分為直接回聲和間接回聲：

1）直接回聲是指揚聲器播放出來的聲音未經(jīng)任何反射直接進入麥克風。這種回聲延遲最短，它與遠端說話者的語音能量，揚聲器與話筒之間的距離、角度、揚聲器的播放音量以及話筒的拾取靈敏度等因素相關(guān)。

2）間接回聲是指揚聲器播放的聲音經(jīng)不同的路徑一次或多次反射后進入麥克風所產(chǎn)生的回聲集合。因為周圍物體的變動，例如人的走動等，都會改變回聲的返回路徑，所以這種回聲的特點是多路徑、時變的。

2.2 線路回聲（Line Echo）

在樓宇對講中，為了減少傳輸?shù)木€路對數(shù)，經(jīng)常進行四線轉(zhuǎn)換為二線進行遠距離傳輸[2]。這2-4線轉(zhuǎn)換的電路，由于電路存在不完全匹配的問題，會有一部分的信號被反射回來，形成了回聲，這是線路回聲。

3 CX20707 SPoC在安防樓宇對講中的回聲消除設(shè)計

3.1 CX20707 SPoC介紹

CX20707是美國科勝訊Conexant為嵌入式音頻和語音應(yīng)用推出的系列音頻芯片Speakers-on-a-Chip（SPoC）之一。高度集成的 CX20707 SPoC內(nèi)置了集成的音頻/語音數(shù)字信號處理器（DSP）、多位編解碼器（Codec）、I2S 數(shù)字音頻接口，I2C/SPI、UART通訊口，高精度的24 bit的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）和 24 bit模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），多個數(shù)字、模擬輸入/輸出接口及靈活的路由控制，集成32歐無需電容耳機驅(qū)動以及功率可達2.5 W class-D音頻功放[3]。芯片接口框圖如圖1所示。

圖1 CX20707接口框圖Fig.1 CX20707 interface diagram

CX20707內(nèi)部的DSP采用Conexant自有專利技術(shù)的語音處理算法和音頻傳輸技術(shù)[4]，自適應(yīng)的濾波器算法，顯著改善了音頻和語音質(zhì)量。關(guān)鍵音頻技術(shù)如下：

1）子帶聲學回聲壓縮和消除；

2）遠端（Far end）帶內(nèi)語音降噪和近端（Near end）帶外語音降噪；

3）子帶線路回聲消除；

4）動態(tài)響度調(diào)節(jié)；

5）Mic自動增益控制；

6）數(shù)字均衡器（Digital Equalizer）；

7）動態(tài)壓縮范圍（Dynamic Range Compression）。

3.2 CX20707 SPoC在模擬樓宇對講中的回聲消除設(shè)計

在模擬樓宇對講系統(tǒng)里，線路上面?zhèn)鬏數(shù)恼Z音信號是模擬的語音信號，CX20707 SPoC可以用于本地麥克風輸入語音信號的聲學回聲消除，以及2/4線轉(zhuǎn)換不完全匹配引起的線路回聲消除。系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖2所示。

系統(tǒng)設(shè)計上，CX20707支持麥克風的直接輸入，并集成2.5W class-D音頻功放，可直接驅(qū)動喇叭，MCU可通過I2C總線配置和管理CX20707。CX20707支持模擬信號輸入和可以驅(qū)動600 Ω負載的線路輸出，經(jīng)過2/4線路轉(zhuǎn)換電路，用雙絞線就可以和遠端的對講設(shè)備互聯(lián)通話，外圍電路簡單。

3.2.1 在模擬樓宇對講中的CX20707線路輸入信號路由

通過I2C可以把CX20707線路輸入信號路由[5]配置如圖3所示。

圖2 CX20707在模擬樓宇對講系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖Fig.2 CX20707 application in analog building intercom system diagram

圖3 模擬線路輸入信號路由框圖Fig.3 Analog line in signal routing diagram

主要模塊介紹如下：

1） LEC （Line Echo Cancellation）

線路回聲消除，可以設(shè)置線路回聲消除啟始、過程增益，全雙工對講增益，遠端高低音門檻值。

2） Inb NR （Inbound Noise Reduction）

帶內(nèi)噪聲抑制，將遠端過來的音頻帶內(nèi)固定噪聲抑制。當Line in用于播放固定頻率的鈴聲時，需要將Inb NR功能關(guān)閉，否則會被誤判為固定頻率的噪聲而被濾除。

3）Equalizer

均衡器，可以分別調(diào)節(jié)12個子頻帶，每個子頻帶都可以分別設(shè)置不同的濾波器類型，如低阻、高阻、帶通、低通、高通濾波器，每個子頻帶獨立增益控制，中心頻率點或者截止頻率點設(shè)置，濾波器Q值設(shè)置。由于實際樓宇對講產(chǎn)品模具里麥克風和喇叭腔體設(shè)計各異，如果出現(xiàn)有些頻率點頻響特性不符合設(shè)計要求時，可以用該均衡器進行很好地修正。

3.2.2 在模擬樓宇對講中的CX20707麥克風輸入信號路由

通過I2C可以把CX20707麥克風輸入信號路由[5]配置如下，如圖4所示。

圖4 麥克風輸入信號路由框圖Fig.4 Microphone input signal routing diagram

主要模塊介紹如下：

1） AEC （Acoustic Echo Canceller）聲學回聲消除，可控制AEC調(diào)整的速度，設(shè)置回聲的高、低門檻值，調(diào)整回聲在線路上面的延遲時間。

2）BF（Beam Forming）波束成形，該算法可以使麥克風陣列的噪聲抑制能力提高，增強語音效果。

3）NR（Noise Reduction）降噪，該算法可以很好的降低噪聲，提高語音質(zhì)量。

4）EQ（Equalizer）均衡器，可以分別調(diào)節(jié)12個子頻帶，每個子頻帶可獨立控制增益。

5） AGC （Automatic Gain Control）自動增益控制，該功能可以讓麥克風的輸入信號穩(wěn)定在一定的輸入水平。參數(shù)可以設(shè)置AGC啟動門檻值，遞增、遞減的步進值，調(diào)整的速率，最大門限值防止信號飽和失真。

3.3 CX20707 SPoC在數(shù)字樓宇對講中的回聲消除設(shè)計

在數(shù)字樓宇對講系統(tǒng)里，語音信號最后都需要MCU打包成為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。CX20707 SPoC可以用于本地麥克風輸入語音信號的聲學回聲消除。

系統(tǒng)設(shè)計上，CX20707支持麥克風的直接輸入，并集成了2.5 W class-D音頻功放，可以直接驅(qū)動喇叭，內(nèi)部集成了CODEC，可以直接用I2S（Inter-IC Sound）數(shù)字音頻接口和MCU進行音頻通信，外圍電路簡單。MCU通過I2C總線配置和管理CX20707，通過媒體獨立接口MII（Media Independent Interface）和以太網(wǎng)的物理層收發(fā)器PHY（Port Physical Layer）互聯(lián)，PHY通過變壓器 （Transformer）電氣隔離后和交換器（Switch）互聯(lián)，不同的對講設(shè)備最后都通過以太網(wǎng)交換器互相對接。系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖5所示。

通過I2C將CX20707的內(nèi)部音頻輸入信號路由配置如圖6所示，數(shù)字音頻輸出信號路由配置如圖7所示。音頻流處理與模擬樓宇對講中相似，在此不再贅述。

圖5 CX20707在數(shù)字樓宇對講系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖Fig.5 CX20707 application in digital building intercom system diagram

圖6 數(shù)字音頻輸入信號路由框圖Fig.6 I2S input signal routing diagram

圖7 數(shù)字音頻輸出信號路由框圖Fig.7 I2S output signal routing diagram

3.4 系統(tǒng)通話傳輸特性測試

測試系統(tǒng)的通話傳輸特性[6]，系統(tǒng)可以雙向全雙工通話，語音清晰，無振鳴現(xiàn)象，主要技術(shù)指標測試值如下：應(yīng)答通道和主呼通道的頻率響應(yīng)都在400～3 400 Hz范圍內(nèi)的典型曲線及其允差范圍內(nèi)；當激勵聲壓為0 dBPa時，應(yīng)答通道和主呼通道非線性失真都小于7%；應(yīng)答通道信噪比不小于30 dB，主呼通道信噪比不小于35 dB；室內(nèi)機手柄端的側(cè)音掩蔽評定值不小于5 dB。

4 結(jié)束語

實踐中基于CX20707 SPoC作為回聲消除芯片研發(fā)的的模擬樓宇對講、數(shù)字樓宇對講門口機及室內(nèi)分機等產(chǎn)品，其聲學回聲和線路回聲都得到比較好的抑制，系統(tǒng)通話傳輸特性測試各項技術(shù)指標均滿足公安部GA/T 72-2005樓寓對講系統(tǒng)技術(shù)標準的測試要求，值得在樓宇對講系統(tǒng)中應(yīng)用和推廣。

[1]勒秀鳳.安防行業(yè)現(xiàn)狀、未來和可持續(xù)發(fā)展[J].中國安防產(chǎn)品信息，2001（6）：1-2.

LE Xiu-feng.Security industry status，the future and the sustainabledevelopment[J].ChinaSecurityProductInformation，2001（6）:1-2.

[2]馬鴻雁，李惠昇.智能住宅小區(qū)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[3]Conexant.DSH-202387C.CX20707 speakers-on-a-chip with on-chip voice/audio DSP，integrated I2S codec， and mono class-D amplifier data sheet[S].New York:Conexant Systems，Inc，2010.

[4]ITU-T.G.167/P.340 Transmission characteristics of hands-free telephones[S].Geneva:International telecommunication union，2004.

[5]Conexant.APN-6.CX20707 Toolbox User Mannual Rev.1.2[S].New York:Conexant Systems， Inc，2010.

[6]全國安全防范報警系統(tǒng)標準化技術(shù)委員會.GA/T72-2005.樓寓對講系統(tǒng)及電控防盜門通用技術(shù)條件[S].北京：中華人民共和國公安部，2005.