高性能免提車載套件的設計考慮

市場對更高質量車載免提語音系統的需求正不斷增長。許多政府已經通過或正在考慮立法，以禁止在駕駛過程中使用手持式移動電話。此外，汽車制造商也在響應消費者對更高性能的車載通信與音響系統的需求。然而，移動車輛卻為移動語音通信技術造就了一個不利的環境。特別是，回聲和非常嘈雜的路面與汽車噪聲相耦合，降低了通話的聲音質量。為了提升免提車載套件的性能，設計者必須找到一種解決方案能夠消除回聲、降低背景噪聲和通過全雙工操作增強對講性能。

免提通信需求

早期的免提車載套件解決方案只在有限的市場獲得了應用。主要原因是目前市場上許多免提車載套件采用的都是最初為揚聲器電話開發的技術，無法支持高質量的語音通信。這些免提車載套件的語音質量會比蜂窩語音電話還要糟得多。一般來說，在這類免提車載套件設計中，對低成本的需求勝過對性能的需求。例如，低端的車載套件將只支持半雙工操作，這意味著某個時刻只能有一個人說話。不過，這種狀況正在改變。隨著全世界政府立法的實施，駕駛員若想在移動車輛中通信，將必須安裝免提車載套件。這樣，消費者將需要更佳性能的免提通信技術。

盡管藍牙耳機在免提通信市場掀起了一些風浪，但免提車載套件可以提供一些更重要的性能和更好的安全性。高性能車載免提套件將提供比藍牙耳機方案更好的語音質量。就安全性和易用性而言，免提車載套件用戶幾乎不需要做什么動作就可以接聽電話。相比之下，使用藍牙耳機則需要尋找耳機并將其放在正確位置，才能接聽電話。

聲學回聲源

在車內，有兩個聲學回聲源——揚聲器和話筒之間的直接聲學耦合，引起語音信號在車廂里回響。聲學回聲主要來自直接聲耦合，這在話筒直接從揚聲器拾取語音信號時產生。這種情況在車內環境中通常會變得更大，這是因為免提車載套件的音量要設得較高，以克服來自發動機和路面的噪聲。

聲學回聲的第二個來源是間接耦合或車廂反射。音頻信號在車廂里的各個表面上反射。回聲的強度取決于車內使用材料的類型。越堅硬的表面反射越多的音頻，而越柔軟的表面則吸收越多的回聲。例如，汽車座椅將吸收較多回聲，而車窗則反射較多回聲。進一步復雜化的是，由車內反射造成的回聲還會被延遲。回聲延遲量將隨車廂的尺寸和使用的材料而異。圖1顯示了直接聲學耦合和車廂反射回聲。

噪聲源

無論是由車輛產生還是由環境產生的噪聲，對于免提車載套件來說，要成功消除它們都是很大的挑戰。需要特別注意的是，這些噪聲的大小在不停地變化。車內最重要的噪聲源包括：

發動機噪聲汽車運行時產生的發動機噪聲可以惡化通信系統的語音質量性能。當汽車加速時發動機噪聲達到其峰值水平，在跑車快速加速期間這一點更為顯著。

圖1：直接耦合和車廂回響是車內聲學回聲的兩大來源

路面噪聲輪胎和路面之間的磨擦產生噪聲。噪聲的強度取決于輪胎胎面、路面材料以及季節。例如，夏季輪胎比冬季輪胎安靜，瀝青路面比混凝土路面安靜。

風噪聲空氣流過汽車并撞擊突出部位，例如后視鏡或車頂貨架，或者行駛時開窗而產生風噪聲。風噪聲因不同車輛而不同。例如，圓滑外形的跑車比SUV的風噪聲要小。風噪聲還受汽車制造商安裝的隔音材料多少的限制。高端豪華汽車比較低成本的小型汽車具有更好的隔音性能。另外，開窗行駛還會在車身內外之間造成較大的壓差。

可以使用噪聲抑制算法降低風噪聲、路面噪聲和發動機噪聲對通信系統聲音質量的影響。對于具有高聲壓的風噪聲，例如當車速超過100公里/小時且車窗打開時，模擬前端電路將會飽和，從而造成語音信號削波。信號削波還將同時降低回聲對消(AEC)和總噪聲抑制電路的總體性能。

圖2：使免提車載通信系統設計面臨挑戰的噪聲源

解決此問題有兩個選擇：第一個選擇是針對最壞情況設計輸入電路，并將話筒增益設置為輸入信號永遠不會被削波的水平。不過這將引起模數轉換器的動態范圍縮小，信噪比惡化，從而使AEC的總體性能惡化。AEC性能的惡化在嘈雜環境中是可以接受的，因為殘余回聲被背景噪聲淹沒了。但在安靜環境下，殘余聲學回聲顯得較為顯著，使得惡化的性能無法接受。例如，如果音頻路徑上是車內噪聲和比其高30dB的信號，設計者可以將輸入增益衰減30dB以抵消噪聲。但是，當汽車停車和噪聲源消失時，SNR將比實際需要高出30dB。過高的SNR將降低聲學回聲對消的性能。

設置為高增益的另一個問題，是通話期間話音電平的變化。通常說話時，我們會根據噪聲狀況調節我們的話音高低。而在車廂里，如果針對最壞情況噪聲狀況進行設計，雖然當車內噪聲較大時可以獲得良好性能，但在噪聲較小時性能卻下降。

理想的解決方案是根據環境動態地改變話筒增益。如果系統采用一個簡單的模擬增益控制器，來檢測并控制話筒增益，將等同于控制回聲路徑上的變化，并將迫使AEC重新收斂。

汽車噪聲通常為低頻。許多免提車載套件使用高通濾波器來濾除汽車噪聲。高通濾波器可以濾除大部分噪聲，但會影響語音質量。為達到高性能，必須將算法設計成能夠區分語音和噪聲信號，并將噪聲從總信號中濾除。良好的噪聲抑制算法應該在濾除噪聲和保持語音信號完整性之間達到平衡。

為達到所需的性能，系統設計者必須對話筒輸入信號(Sin)采用自動增益控制(AGC)。該AGC避免了信號削波，同時保持了由用戶確定的總增益設置。對話筒輸入采用模擬自動控制增益(由數字信號處理器控制)并采用對陡峭回聲路徑變化進行補償的算法(通常會導致重新收斂)將避免信號被削波。

該方法可以使ADC在各種環境條件下具有最大動態范圍。可讓通話者以正常聲音說話，而不管車內的噪聲狀況如何。