陳鳳偉，陳 光，陶 翠，靳 超

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引言

近年來，隨著信號(hào)處理算法、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、硬件處理能力方面的不斷發(fā)展，多媒體語音通信已經(jīng)迅速普及。多方音頻電話會(huì)議產(chǎn)品是多媒體通信系統(tǒng)的基本模塊，作為有多個(gè)終端參與的音頻電話會(huì)議，可以采取令牌控制或輪詢控制下的互斥模式，即只有擁有發(fā)言權(quán)的那個(gè)與會(huì)者才可以講話，這樣每個(gè)與會(huì)者某一時(shí)刻只能聽到一路音頻信號(hào)，顯然這種半雙工情況是不方便和不實(shí)用的。更多的時(shí)候，需要采用自由參與的討論方式，為了能夠在每個(gè)終端同時(shí)接收多個(gè)與會(huì)者的聲音，必須采取多路音頻混音與交換技術(shù)，而音頻混音算法則是其中的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。隨著DSP技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，由于其具有容量大、成本低、升級(jí)靈活等優(yōu)點(diǎn)，采用通用DSP實(shí)現(xiàn)多方電話會(huì)議的混音,逐漸成為首選方案。

1 混音算法的原理及實(shí)現(xiàn)

1.1 混音的理論依據(jù)

聲音是由于物體振動(dòng)對(duì)周圍的空氣產(chǎn)生壓力而傳播的一種壓力波，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，再經(jīng)過抽樣、量化，量化后的語音信號(hào)的頻率與聲音的頻率對(duì)應(yīng)，振幅與聲音的音量對(duì)應(yīng)，所以當(dāng)各信號(hào)的抽樣頻率一致時(shí)，混音可以實(shí)現(xiàn)將各信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行線性疊加[1]。在時(shí)域上，語音是短時(shí)平穩(wěn)信號(hào)，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理的一個(gè)基本概念就是對(duì)語音樣本以緩沖區(qū)為單位處理，即對(duì)輸入的語音樣本分幀。當(dāng)多個(gè)音頻同時(shí)播放時(shí)，人耳聽到的聲波就是各個(gè)聲源的波形的線性疊加，這正是模擬混音的基礎(chǔ)。這個(gè)事實(shí)說明數(shù)字音頻的混合也應(yīng)該是音頻的線性疊加。而線性相加又可能產(chǎn)生溢出，溢出現(xiàn)象是由于受到語音數(shù)據(jù)表示精度（8 bit或16 bit）的限制而產(chǎn)生的，而精度是由相應(yīng)編碼器的硬件特性所決定的。對(duì)溢出的語音波形進(jìn)行平滑處理不會(huì)改變語音的音質(zhì)和內(nèi)容，因?yàn)檎Z音信號(hào)具有短時(shí)相關(guān)性(10～30 ms)[3]。

1.2 現(xiàn)有混音算法分析與比較

現(xiàn)有混音算法的方案有很多，但是基本思想都是一致的。混合算法的基本思想是：首先將解碼后的多路語音數(shù)據(jù)進(jìn)行線性疊加，然后對(duì)疊加后的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行溢出檢查，并對(duì)含有溢出數(shù)據(jù)的混合語音包的語音樣本進(jìn)行濾波處理，采用平滑技術(shù)消除疊加溢出所引入的噪聲[4]。具體的說，混音算法主要完成以下功能：

（1）線性疊加

若有N路音頻數(shù)據(jù)需要進(jìn)行混音處理，混音的時(shí)候，需要屏蔽某一路自己的本地音頻數(shù)據(jù)，這樣就不會(huì)聽到本地的自己的聲音，只能聽到其他N-1路的聲音，也就是說，對(duì)于第t路音頻，要發(fā)送給這個(gè)終端t的混音后的數(shù)據(jù)如公式(1)所示：

其中mixing[i]為混合后一幀中的第i個(gè)樣本，input[j, i]為j個(gè)用戶幀的第i個(gè)樣本，n為一幀的樣本數(shù)目，N為會(huì)議的與會(huì)者個(gè)數(shù)[3-4]。

（2）溢出判斷與平滑處理

將混音后的話音數(shù)據(jù)與硬件設(shè)備允許的極限范圍的最大與最小值相比較，若存在超出此范圍的數(shù)據(jù)，表示該混合語音包有溢出，則需要進(jìn)行平滑處理來消除因溢出所引入的噪聲。現(xiàn)有的混音算法如均值混音算法、對(duì)齊混音算法、箝位混音算法等都是根據(jù)選擇不同的權(quán)重來防止輸出的結(jié)果發(fā)生溢出，但是這些現(xiàn)有的混音算法都有其不可避免的缺點(diǎn)[1]。其中，均值算法的權(quán)重是將采樣數(shù)據(jù)線性疊加后取平均值，但是隨著混音的路數(shù)的增加，各路語音的衰減將愈加嚴(yán)重，最終導(dǎo)致語音細(xì)不可聞。對(duì)齊算法的權(quán)重是各路音頻流中當(dāng)前幀中采樣值的最大值與累加結(jié)果中采樣值的絕對(duì)值的最大值的比值，但是這種算法沒有考慮到累加結(jié)果的絕對(duì)值可能超出硬件所允許的極限范圍，從而導(dǎo)致溢出[1,5]。箝位算法實(shí)現(xiàn)簡單，當(dāng)發(fā)生上溢時(shí)，箝位以后的值為其所能表示的最大值，當(dāng)發(fā)生下溢時(shí)，箝位后的值為其所能表示的最小值，如式(2)所示：

但是，如果在混音路數(shù)較多時(shí)，溢出的概率就會(huì)較大，隨著混音路數(shù)的增多，導(dǎo)致音量的變化十分明顯，此算法適用于小規(guī)模、混音路數(shù)變化不大的會(huì)議中。現(xiàn)在很多現(xiàn)有的論文和系統(tǒng)都是采用箝位方法，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)簡單，快速，效率很高。但是可以看出，這種箝位方法相當(dāng)于在最大和最小的臨界處切了一刀，非常生硬，會(huì)造成較大的波形失真，引入了噪聲[3]。

1.3 改進(jìn)后的混音算法

通過對(duì)現(xiàn)有混音算法的分析可以看出，變化的混音權(quán)重是導(dǎo)致混音后音量不穩(wěn)的主要原因，在此基礎(chǔ)上，這里提出了一種采用與混音輸入路數(shù)無關(guān)的恒定混音權(quán)重的混音算法。

算法的基本思想是：先將所有與會(huì)者的語音信號(hào)進(jìn)行混合，變成一路混音信號(hào)；再用混音信號(hào)與所對(duì)應(yīng)用戶的語音信號(hào)分別相減，得到除該用戶自己以外的所有其他用戶的混音信號(hào)，然后將此混音信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給該用戶，這樣就實(shí)現(xiàn)了所有參會(huì)者之間的語音交換。假設(shè)某一多方會(huì)議系統(tǒng)有k個(gè)與會(huì)者，即有k路音頻輸入，一般地，定義第i路輸入為 input(i)，其在所有路的輸入中對(duì)應(yīng)的權(quán)重為 w(i)，這樣經(jīng)過混音后，總的輸出output如下式(3)所示：

第 i個(gè)與會(huì)者所能接收到其他與會(huì)者的音頻輸出輸出output(i)如式（4）所示：

點(diǎn)混音時(shí)的高性能、高實(shí)時(shí)性，同時(shí)也保證了參與混音的各路輸入的時(shí)域細(xì)節(jié)特征，因此具有很好的聽覺舒適感和連續(xù)感[1,6]。

2 用DSP實(shí)現(xiàn)混音算法

選擇通用的16 bit定點(diǎn)DSP TMS320VC5402來完成多路音頻流的混音，最多可以實(shí)現(xiàn) 64路音頻流的混音。由于該算法的數(shù)據(jù)來自ST-BUS鏈路送來的某一用戶時(shí)隙的8 bit A律PCM話音數(shù)據(jù)，因此需要先將其變?yōu)榫€性碼，然后才能進(jìn)行混音，DSP輸出時(shí)再變回A律的PCM碼流發(fā)送出去。DSP數(shù)據(jù)處理流程圖如圖1所示。

圖1 DSP處理數(shù)據(jù)流程

基本原理是 DSP同時(shí)啟動(dòng) McBSP的收發(fā)端口，當(dāng)McBSP的接收端口收到ST-BUS鏈路送來的第M幀對(duì)應(yīng)于某一用戶時(shí)隙的8 bitA律PCM話音數(shù)據(jù)后，然后在線性碼的右端補(bǔ)上 3 bit的 0送給接收寄存器 DRR1，這是因?yàn)門MS320VC5410是16位的，只能對(duì)片上RAM按16 bit訪問，線性碼轉(zhuǎn)換完后McBSP通知分配給它的接收DMA控制器，此時(shí)，DRR1的數(shù)據(jù)已就緒，接收DMA控制器立即將此16 bit數(shù)據(jù)按照其對(duì)應(yīng)的地址寫入接收緩沖區(qū)中。在配置DMA時(shí)，在分配給它的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)達(dá)到半滿和全滿時(shí)，向 DSP內(nèi)的CPU發(fā)送中斷，因此DMA接收完第M幀話音數(shù)據(jù)后向CPU發(fā)送中斷。當(dāng)CPU收到DMA中斷時(shí)，表明DMA已經(jīng)接收到了第M幀所有時(shí)隙的數(shù)據(jù)，CPU在第M+1幀的期間依據(jù)這里提出的算法對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在第 M+2幀時(shí)發(fā)送DMA控制器從它的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)依次讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)送給 McBSP的發(fā)送端口，發(fā)送端口首先將此線性碼語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成A律語音數(shù)據(jù)，然后完成PCM話音數(shù)據(jù)發(fā)送[6-7]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)對(duì)這種算法進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)，圖2為1路解碼后的語音輸入，圖3為另一路解碼后的語音輸入，圖3為采用這里提出的混音算法得出的1路混音輸出。

根據(jù)與現(xiàn)有的混音算法比較，混音后的音頻流自然、連續(xù)，也沒有溢出所導(dǎo)致的爆破噪聲，在測試中，隨著混音音頻流的增加，改進(jìn)的混音算法的性能改善也越發(fā)明顯，說明該混音方案完全可以適用于人數(shù)較多的混音環(huán)境。

圖2 解碼后的語音輸入1

圖3 解碼后的語音輸入2

圖4 改進(jìn)混音算法的輸出

4 結(jié)語

這里所提出的算法，采用了與混音路數(shù)無關(guān)的恒定的混音權(quán)重，混音效果理想，并且不會(huì)發(fā)生溢出現(xiàn)象，通過用DSP實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，混音后語音自然流暢，沒有噪音，具有良好的主觀聽覺感受，而且該算法簡單、實(shí)時(shí)、快速，能夠滿足多方會(huì)議中高性能、高并發(fā)的混音要求，能支持大規(guī)模的混音應(yīng)用，容易采用硬件實(shí)現(xiàn)。這種混音方案不僅能夠滿足一般應(yīng)用場合的實(shí)際要求，而且在具有高并發(fā)量要求的混音時(shí)應(yīng)用該算法也能獲得高質(zhì)量的實(shí)時(shí)混音結(jié)果。它不僅保證了在多路混音時(shí)的高性能，而且具有很高的實(shí)時(shí)性。

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