一種基于DSP的音頻實時處理系統

摘要：聲學回聲消除器一直是視頻會議系統不可缺少的組件。將回聲消除算法結合噪音消除和靜音檢測算法等，提出一種改進的實時音頻處理系統方法，并在TMS320C6713B上實現，能夠有效改善噪音、雙工檢測、非線性回聲等導致自適應濾波器發散的問題。該系統在保證正常雙工通話的同時，對非線性回聲的抑制有著明顯的改善效果。
關鍵詞：聲學回聲消除；噪音消除；靜音檢測；語音信號處理；DSP

0 引言
隨著VOIP的廣泛應用以及多媒體通信技術的發展和成熟，人們對互聯網語音通信的音頻品質提出了更高的體驗要求。主流的視頻會議系統由原先的14 kHz升級到22 kHz的音頻帶寬，這也標志著語音通信已經真正轉化為高品質音頻通信的應用階段。當然在基于互聯網的音頻通信中，聲學回聲和噪聲一直是影響音頻質量的最為關鍵因素之一。
聲學回聲消除成為提升音頻通信質量的一個非常重要的環節。聲學回聲消除采用了自適應濾波來估計回聲產生的回路特征，并不斷修正自適應濾波器的系數，使得估計值更加逼近真實回聲，最后從話筒信號中去除估計的回聲，以達到回音消除的目的。
聲學回聲具有信號沖激響應時間長，特征分布范圍廣且多路徑反射和時變的特點，自適應濾波器在估計回聲路徑的過程中容易受到這些不確定因素的干擾，當然外部環境的噪音也是一個重要的因素。
本系統結合多種已有信號處理算法，有效提升了聲學回聲的雙工能力和收斂速度，并有效避免了使濾波器發散的多種因素，提升了濾波器的處理效率。同時利用高速浮點DSP對回聲消除和噪聲消除進行了整體的實現。
系統采用了頻域的MDF自適應濾波算法，將MMSE Noise Suppressor和多個VAD添加到回聲消除器中。在加入濾波器系數更新模塊和非線性檢測模塊后，使得系統在更惡劣的噪音環境下以及雙方通話過程中，一樣具備良好的回聲消除和噪音消除能力。整個核心運算部分均在頻率域內完成，也大大降低了運算量，最后通過調整DSP的數據結構，合理運用DSP的資源和指令加速，實現了基于DSP的高效能實時音頻處理器的設計。

1 音頻處理系統相關算法
1．1 聲學回聲消除
聲學回聲消除的基本原理是通過自適應濾波器估計聲學回聲路徑的特征參數，產生一個模擬的聲學路徑，得出模擬的聲學回聲信號，并從參考信號中減去此信號，實現回聲的消除。圖1給出了一個最為常見的聲學回聲消除器AEC的原理圖。

1．2 結合噪音消除和靜音檢測的回聲處理系統
1．2．1 MDF濾波器基本結構和算法原理
MDF(Multi-delay Block Frequency Domain Adaptive Filter)是一種將原有的多階濾波器分為K個等分的子塊，在每個長度為N的子塊能進行自適應濾波的方法。如此能降低多階自適應濾波器大量的運算量。F表示對2N×2N的矩陣進行FFT變換，若v表示信號幀序號，而diag表示對角矩陣運算，則：

假設實際路徑產生的回聲信號為y(v)，通常也叫近端信號，則：

K-1，它表示濾波器估計的第k個子濾波器的系數。