半雙工在語音通話系統(tǒng)中應用的討論

黃躍平

摘? 要：電子產(chǎn)品越來越多進入我們生活中，其中音頻和視頻類電子產(chǎn)品與我們生活最為貼切。在市場競爭激烈的今天，為追求性價比，提高競爭力，各類技術方案層出不窮。在解決音視頻方面，各專業(yè)技術人員從不同角度，不同的使用環(huán)境，提出不同解決方案。文章提出一種語音通話的半雙工解決方案，探討其中技術特點。

關鍵詞：半雙工;揚聲器;麥克風;音頻傳輸;語音通話

中圖分類號：TP311.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）30-0177-02

Abstract： More and more electronic products come into our lives， among which audio and video electronic products are the most appropriate to our lives. In today's fierce market competition， in order to pursue performance-to-price ratio and improve competitiveness， all kinds of technical solutions emerge in endlessly. In the solution of audio and video， each professional and technical practitioners put forward different solutions from different angles and environment. In this paper， a half-duplex solution for voice call is proposed， and its technical characteristics are discussed.

Keywords： half duplex; loudspeaker; microphone; audio transmission; voice call

引言

日常生活中，語音通話設備十分普遍，如電話機、手機、對講機等。從技術上，應用音頻傳輸技術實現(xiàn)日常的語音通話功能。不同產(chǎn)品，根據(jù)使用環(huán)境和設計理念，處理不同問題，使用了不同的技術方案，體現(xiàn)為體驗效果有所差異。

1 問題的提出

語音通信設備在使用過程中，偶有發(fā)生哨叫、振鳴等現(xiàn)象。

應用音頻傳輸技術實現(xiàn)日常的語音通話功能，其實現(xiàn)模型如“圖1”所示。

圖1中，AB兩個設備分別是通話的兩端。我們應用時，只關注兩個效果：A端說話B端有聲音和B端說話A端有聲音，即音頻從A端麥克風傳輸?shù)紹端揚聲器和B端麥克風傳輸?shù)紸端揚聲器兩個過程。而實際上，在A端，AS（A設備的揚聲器）放出聲音時，AM（A端的麥克風）也會接收，形成回聲。同樣，在B端也存在回聲。如圖2所示，在音頻傳輸回路中，如果回聲沒有被消除，正?；貍?，那么在音頻發(fā)起端就會接收到自己發(fā)起的音頻信號。并重新送到回路中，再次傳輸。

在全雙工通話系統(tǒng)中，音頻回路是閉環(huán)的。以圖2的傳輸通道為例，假設，音頻從A端發(fā)起，經(jīng)過傳輸，回授到BM（B端的麥克風）的音量大于AM接收的音量，再經(jīng)過傳輸，回授到AM的音量大于AM原始接收的音量，則形成循環(huán)，一直加大，造成哨叫。即使回授到AM的音量略小于AM原始接收的音量，也需要經(jīng)過多次循環(huán)，造成振鳴。許多領域的語音通話應用都會遇到與上述類似的問題，其根源就是回聲。個別應用場合，只要較小的音量就能滿足要求，回授的信號小，回聲效果不明顯，不需要特殊處理。而許多場合，需要關注回聲對系統(tǒng)的影響。

2 問題的討論

從以上分析的情況看，破壞傳輸回路才能有效解決哨叫和振鳴的問題。如果AS發(fā)出的音量被AM接收的很少，則回傳的音量較少，不容易發(fā)生以上問題。結(jié)構上，如果條件允許，調(diào)節(jié)AM和AS的方向，并加大距離，會減少音頻從喇叭到麥克風的回授量，從而讓哨叫更不容易發(fā)生。而實際情況，條件受限，結(jié)構的優(yōu)化空間較小，需要通過電子的方案解決。

在電子方面同樣是破壞回路形成的條件。目前解決方案有回聲消除方案和半雙工語音通話方案。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，為解決回聲對語音傳輸系統(tǒng)的影響，引入回聲消除方案（包括硬件的方案和軟件算法的方案），通過采集音頻傳輸通道揚聲器和麥克風兩端的信號，比對信號，判斷麥克風接收的信號是否是回聲信號，對判定為回聲的信號大幅抑制，有效消除回聲對音頻傳輸系統(tǒng)的影響。使用硬件回聲消除方案，需要專門的回聲消除芯片，軟件回聲消除也依賴于較高性能的處理器。

在模擬語音傳輸系統(tǒng)中，受限于各種條件，通常使用半雙工語音方案。目前行業(yè)的解決方案主要用半雙工語音切換芯片，如電話機上使用的34018芯片或34118芯片，通過衰減回路回授量，如圖1所示，AB兩端都使用半雙工語音芯片進行控制，當A設備正常說話時，“1”和“2”通路正常，“3”和“4”通路大幅度衰減;當B設備正常說話時，“3”和“4”通路正常，“1”和“2”通路大幅度衰減。該方案可以達到半雙工通話的效果，由于沒有自激回路，不會發(fā)生哨叫。

然而，如圖2所示，只要其中一個傳輸通道斷開（或大幅度衰減），則可以達到破壞回聲的目的。

3 一種語音半雙工方案

我們探討另一種半雙工語音方案，通過僅破壞一條回路達到半雙工目的。如圖3所示，另一種半雙工語音控制方案，接收到輸入的音頻信號（麥克風的信號和另一端發(fā)送過來的信號）后，進行信號放大、檢波，再通過MCU的ADC端口接收。MCU同時接收來自兩端的音頻信號，通過軟件對語音信號的邏輯分析，判斷通話情況，進行通道切換，實現(xiàn)語音半雙工功能。

圖3 半雙工語音控制組成示意圖

在這個方案中，考慮到成本，可以使用普通的8位MCU實現(xiàn)，考慮到8位MCU的處理能力，不能直接對放大后的音頻信號進行采集，應進行檢波整形，大大降低信號的頻率，使用8位MCU就能準確的判斷波形的信號量大小。

除了上述對信號進行放大檢波外，還需要通過軟件判斷通話情況，進行通道切換。軟件上，每隔280us采樣一次，將采樣的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，每隔10ms的數(shù)據(jù)都進行一次加權計算。每隔10ms都將最近50ms的數(shù)據(jù)計算后進行對比。同時，分析接收到的音量，如果最近一段時間接收到的數(shù)據(jù)是平緩的，則認為是背景噪聲的概率比較大。整體數(shù)值進行削弱處理，對人發(fā)聲的波形進行優(yōu)先處理。信號經(jīng)過處理后，再進行音量大小比較。通常情況下，音量大的優(yōu)先。當一邊已經(jīng)處理通話狀態(tài)時，達到一定音量，則優(yōu)先保持，這樣避免由于音頻回授的檢測值大于音頻發(fā)起的檢測值時，斷開通話，造成通話斷斷續(xù)續(xù)的效果。ABC分別是三種情況下信號的表現(xiàn)形式，其中實線表示A端實際發(fā)起的音頻波形，虛線表示B端回授回來的波形。根據(jù)波形，可以處理如下：

（1）理想狀態(tài)下，A端發(fā)起波形遠大于回授回來的波形，這種情況下，選擇通道為信號大的通道。

（2）A端信號達到一定程度后，B端回授回來的波形大于正常發(fā)起的波形，這時需要軟件進行判斷。當有一起發(fā)起，波形大到一定程度時，認為這一端在說話，另一端的信號是由于本端信號引起的。這時，通道仍保持A端說話通道。

（3）回援回來的信號相對發(fā)起信號有所延遲。人正常說話的時候是有語氣間隔的，波形有高峰有低。在信號降低時，回授端信號仍比較大，這時需要進行時間延遲判斷，即原通道信號降低時，仍需要進行延遲，不宜由于另一端信號比較大就馬上切換。

以上是針對語音信號在實際通話時三種表現(xiàn)形式的處理簡述。實際案例中，仍有其它影響波形的因素，需要根據(jù)當時環(huán)境邏輯進行判斷處理，如由于環(huán)境噪聲的影響，整體波形基準線往上抬高，這時就需要通過軟件計算，對穩(wěn)定的外界噪聲信號量進行衰減處理。

4 結(jié)束語

本文所述半雙工方案是在實際案例中，為降低成本而考慮的一種方案。有別于市面專用半雙工語音控制芯片方案，本方案通過對多種環(huán)境分析，應用更靈活。電子應用的發(fā)展往往都是基于不同限制因素，不斷考慮符合條件的解決方案，基于不同條件下做出的技術選擇。今后在各種領域為解決問題的不斷鉆研，還會讓電子技術的發(fā)展走得更高、更遠。

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