回音消除器产品设计的技术因素.docx

　　回音消除器产品设计的技术因素
“回音”是通讯产品及配件在实际使用的过程中，时常遇到的问题。客观地说，无论模拟式通讯、还是数字式通讯，在使用过程中，都一定存在回音的现象。因此，回音消除器产品的设计，就成为了通讯业至今不息的论题。
　　在设计一款“回音消除”产品、或者模块化电路的时候，设计人员首先要了解“回音”产生的机理，而后从实际的条件入手，选择适合的产品方案。以下所讨论的，仅限于视频会议行业常规的使用条件下的产品设计。
　　一、回音的产生
　　回音的产生，最早是人们在一个空旷的峡谷中喊话，会多次听到自己的声音，这种现象是“声学回音”，指声源产生后，声波在某个物体的表面得到发射，形成二次声源”，如果声波得到多次的反射，就会形成在峡谷中喊话的效果了。
　　中国北京天坛回音壁就是人为地采用了这种回音原理，建造出的历史景点。
　　在电话出现后，人们又发现，在通话过程中，会在一定的短暂延时之后，听到自己说的话。这种回音现象，我们称之为“网络回音”，特别是采用两线式的电话系统，在两条铜线上要承载双向的语音信号，在电波延时后，就会出现“二次信号”了。
　　通讯中的回音，如果造成“多谐波”，就会发生“自激啸叫”，影响通讯效果。但是在电话通讯中，一定水平的“网络回音”是有利于通话双方的沟通感觉。
　　目前的视频会议行业中所讨论的回音，同时包含了电路的信号延时产生的侧音和会场环境造成的声学回音两种因素，主要是由于声学回音Acoustic Echo造成，在下图中，解释了产生的原因：

　　在通讯中，远端用户和本端用户形成了通讯的环路(Loop)，一个双向的通信线路组成了一个封闭的环路。
　　图中所示：远端用户的语音信号经过话筒的采集后，以数据信号的方式通过通信线路传递到本端设备，通过扬声器播放出来;播放出来的声音和本端用户讲话的声音同时进入话筒，形成混合信号，再通过通信线路传递给远端用户。
　　经过这样的过程，远端用户从其扬声器中听到的声音信号包括了本端用户讲话的声音和自己讲话的声音，即形成“回音”。
　　回音问题的产生影响了通讯效果，严重的情况下会造成“啸叫干扰通话过程。
　　二、回音消除的原理
　　我们都了解，声波作为一种传导波，包括两个参数，一个是波的相位、一个是波的幅度。在波的逻辑关系中，反相、等量的信号，逻辑和的结果为零。
　　回音消除的基本原理就是：用一个人为干预的信号波，去消除通讯过程中产生的回音信号，同时保留其它正常的语音信号，以达到通讯的正常使用。

　　目前各品牌回音消除器产品的方案，基本都是在会场声源的输出端，同步获取一个音频信号，对此信号做一定延时的位移+反相，同时根据使用条件的不同，将该信号的幅度放大到“二次声源”平均的幅度值范围。处理后的信号与会场声源(话筒)输入端的信号进行逻辑加的处理，从而抵消回音信号。会场其它的语音信号，因为没有抵消信号，所以正常输入系统。
　　目前，有相当一部分的软件产品采用了源自Skype的软件回音消除源码方式，来提升产品的质量。软件回音消除的方式，同样也是通过AC97音频标准，增加音频的数字处理过程，来实现回音消除的效果。对于声音的传送会造成本环节的延时，同时，在超过4用户的多用户通讯中，对语音的完整性和真实性产生影响。
　　三、模拟式回音消除器的设计
　　模拟式回音消除器常见在免提电话中，可以采用独立元件构成的简易电路，或者类似MC34119的整合电路。模拟式回音消除器的工作原理是对远方送达/输出的音频信号和本地采集输入的音频信号进行音量比较，采用半双工的方式进行切换。
　　在切换的过程中，保留一定的开关时间，以保证语音信号的平滑过渡。
　　模拟式回音消除的优点是不对语音信号进行数字采样处理，可以保证语音信号的真实感，而且开发成本低，电路方案完整，可以快速成品化;缺点是在切换的过程中，有一个信号上升沿和下降沿，会导致一句话的头和尾被卡断。
　　这种工作方式适合于电话机的免提通话设计，也符合常规电话通讯的沟通模式。
　　四、数字式回音消除器的设计
　　数字式回音消除器是现代通讯设备中所使用的方案，根据产品规模和定位的不同，可以采用多种不同的方案，包括了美国富迪、日本冲电气、台湾卓隆等芯片厂商提供的方案。
　　数字式回音消除器的基本原理还是一样，不同的是对信号的采样方面，采用了ADPCM的格式进行编码，再进行相位、幅度、逻辑加等各种不同的处理。数字式回音消除器在实现AEC回音消除功能的同时，还具备ANC自动噪音消除、AGC自动增益控制两项基本功能。
　　1、 与终端接口
　　我们所指的终端是指视频会议通讯的会场终端，包括了硬件产品的独立终端和软件产品所使用的PC终端。
　　对于硬件产品来说，外部的音频接口基本上是RCA莲花头输出口和“卡农头”的话筒输入口。这类产品的回音消除，基本要求采用内置板载方式，与整体电路一体化。由于MCU主控电路具备ADPCM通讯接口，因为与数字式回音消除器的模组对接就可以直接通过ADPCM4线通讯总线来连线，在设置了PCM位数、长短帧、主频频率之后，就可以实现PCM音频信号的双向传递。
　　对于软件产品来说，传统意义上，可以通过主机后面板的红色和绿色音频I/O口输出和输入音频信号，外挂回音消除器。但是这种接法，受到不同PC主机的音频处理芯片的性能指标不同，输出的音频信号的电平量不同，无法在实际施工中实现统一配置，会增加现场安装调试的工作量。
　　目前，有厂家采用了USB作为外挂回音消除器的接口，这种接法，不但节省了外挂回音消除器所需要的直流电源部件，而且也统一了音频信号的各类参数，便于现场调试安装。
　　2、 音频信号闸通
　　何谓“闸通”，其指的是对音频信号的输出和输入增加一个最低信号电平的控制开关。低于设定值的，视为无效信号，不予以放行;高于设定值的，视为有效信号，予以放行，从而降低非语音信号的其它信号的串入。
　　3、 ADPCM编码器
　　ADPCM编码器及其配套的解码器是将模拟音频信号，进行数字化采样、或回放的必要环节。在模组化产品中，ADPCM编码器基本都包含在AEC主控芯片中。
　　我们所见到的P厂家的数字式话筒，就在其三角形话筒中建立了闸通电路，并采用了两片PCM编码器来实现3个话筒的数字化采样，之后进行混合，然后再与终端主机建立数字通讯，传递话筒采集到的语音信号。
　　ADPCM编码器可以提供8位和16位两种编码格式，同时提供长帧和短帧的不同选择。在产品设计中，要匹配性选择这两个参数值。
　　4、 AEC 参数值
　　AEC参数值，主要指参考信号的延时指标，在理论上来说，我们会将52ms作为音频信号在现场产生声学回音的典型值，根据环境的不同，还有32ms、49ms等不同指标。
　　5、 AGC参数值
　　AGC参数值，主要指参考信号和现场输入音频信号的增益放大值，可以从0dB～12dB不等。增益以1dB为步进，也可以设置0dB、6dB、12dB为典型值。
　　6、 ANC
　　ANC参数值，主要指现场音频信号采集中，对环境噪音的消除，基本设置成ON和OFF两个状态，就可以满足现场使用。
　　7、 现场音频输入
　　在现场的音频输入类型中，根据规模的不同，有：无源话筒(驻极体话筒)、有源话筒(鹅颈话筒)、组合话筒(手拉手话筒)、调音台输出。
　　无源话筒自身没有工作电压，需要回音消除器在电路上提供偏置电压;有源话筒自身带有3V或者48V工作电压，提供平衡式(同时输出正相和反相)信号;或者是不平衡式(反相)信号。这两种话筒适合于中小型会议室使用。
　　在大型会议室中，可以采用组合话筒或者调音台的音频信号作为信号源。
　　一些特殊环境下，还需要提供辅助音源、类似MP3播放机、录音笔等，甚至需要提供电话线路的偶合输入的功能。
　　8、 现场音频输出
　　现场的音频输出，可能接驳有源音箱、调音台不同的设备。在接口规格上，建立采用RCA莲花头或者3.5及6.2的接口。
　　9、 本地回放
　　本地回放指的是，通过本地的功放系统，将发言人的语音进行放大，供本地与会者听取。是否提供本地回放，需要慎重考虑，因为本地回放，势必要产生主动性的二次音源，主动性音源因为无参考信号，会被AEC视为有效音源通过，这样的结果会产生不必要的回音。
　　10、 用户个性控制
　　不同的厂家在设计回音消除器的时候，会考虑到用户的差异性。是否提供、及如何提供用户控制接口，以便于使用条件不同时进行用户的个性化控制，就具有不同的方案。
　　固化各项参数，减少用户控制环节，会对用户的适用面造成限制，但是使用过程就相当便捷;采用EPPROM烧录各类预测参数，在产品中与MCU进行串行通讯，从而扩大使用的适用场合;提供外部开关供用户调节，就需要必要的控制面板空间。
　　五、回音消除器产品化的考虑因素
　　从产品的实际开发上讲，没有绝对的“回音消除”，因为回音的产生是一个动态的过程，固定的参考信号仅能在一定幅度内消除产生的回音。
　　在设计数字式回音消除器的时候，首先要对产品做准确的市场定位，包括了目标的用户群体、使用的终端产品类型、性能和功能的需求、末端用户价格，以及自身的开发能力等等，再以这些信息为依据，选择适合自己的、具有可实施性的商业化方案。
　　名词解释Glossary
　　回音(Echo)
　　信号经过一段时间的延时后，返回其信号源。
　　网络回音(Network Echo)
　　在2线～4线转换器(电话线路)中，由于阻抗不匹配产生信号反射，所造成的回音。
　　声学回音(Acoustic Echo)
　　在房间内(会场)，声音信号从扬声器传播到话筒中所产生的回音。
　　环路(Loop)
　　信号从发送端开始，经过采集处理、数据传输线路、回放处理等环节，传送给目标端的一个完整的传递线路，
　　近端(Near-End)
　　连接了声学接口设备(如话筒和扬声器)的本地。
　　远端(Far-End)
　　连接网络接口设备的对端。
　　全双工(Full-Duplex)
　　发射和接收通道同时处于工作状态的工作方式。
　　半双工(Half-Duplex)
　　发射和接受仅有一个通道处于工作状态的工作方式。
　　声学耦合(Acoustic Coupling)
　　从话筒接收到的，由扬声器传播出来的声音强度。
　　滤波(Filter)
　　对于特定频率范围的信号予以截止，保证其它频率范围的信号正常通过。
　　自动增益控制 (AGC-Automatic Gain Control)
　　对于强度波动的信号，动态调整信号放大电路的增益倍数，以保证输出信号的强度保持在一个稳定的程度。
　　自动噪音控制 (ANC-Automatic Noise Control)
　　动态过滤话筒采集到的环境背景噪音，以及工作电路产生的电流噪音，保证输出信号的质量。
　　自动回音消除 (AEC-Automatic Echo Cancel)
　　通过对输出信号的跟踪和输入信号的分析，降低回音程度，保证通讯效果。
　　话筒(MIC-Microphone)
　　将声音转变成电信号的设备(元件)。
　　动圈话筒(Dynamic microphone)
　　类似耳机的结构，声音的传播将在话筒的鼓膜上产生振动，使话筒的阻抗发生对应的变化，从而改变电路的电流强度。
　　电容话筒(Electret microphone)
　　由上下两片电容膜组成，声音的传播将在话筒的鼓膜上产生振动，使话筒的电容参数发生对应的变化，从而改变电路的电流强度。
　　话筒前置放大器(Microphone Pre-Amplifier)
　　话筒元件的信号强度低，通过信号放大器，将信号强度提升到合适的电平后，输入后级的电路使用。