劉 揚(yáng)，付中華，唐 玲

(西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710129)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)的日益進(jìn)步和普及，多終端、多通道的語(yǔ)音通信產(chǎn)品漸漸走入市場(chǎng)，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用［1］。雙端語(yǔ)音通信過(guò)程中，遠(yuǎn)端語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)浇撕髲膿P(yáng)聲器播放，經(jīng)近端房間環(huán)境的反射后形成回聲被本地麥克風(fēng)接收，隨即和近端語(yǔ)音信號(hào)一起傳回遠(yuǎn)端并被遠(yuǎn)端揚(yáng)聲器播放［2］，從而對(duì)語(yǔ)音通信質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。因此，如何消除或者抑制回聲便成為了實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。回聲抵消(Acoustic Echo Cancelation，AEC)的原理是估計(jì)近端房間的聲音反射環(huán)境，通過(guò)這個(gè)估計(jì)的反射環(huán)境得到近端實(shí)際回聲的模擬信號(hào)，最后由本地回聲信號(hào)減去這一模擬信號(hào)，達(dá)到抵消回聲的目的［3］。回聲抵消系統(tǒng)不僅在手機(jī)等移動(dòng)通訊設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信中有著重要的應(yīng)用，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)還可以在視頻會(huì)議、IP電話(huà)、遠(yuǎn)程教學(xué)等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)特別是自適應(yīng)濾波理論的不斷成熟與完善，回聲抵消技術(shù)逐漸從實(shí)驗(yàn)室走入市場(chǎng)，世界上第一臺(tái)商用回聲抵消器在20世紀(jì)70年代問(wèn)世。經(jīng)過(guò)多年的研究與應(yīng)用，回聲抵消技術(shù)經(jīng)歷了由單通道到多通道、低采樣率到高采樣率的更新與發(fā)展［4-5］。雙通道(立體聲)情況下，近端自適應(yīng)濾波器的2路輸入信號(hào)之間具有高度的相關(guān)性，這將導(dǎo)致自適應(yīng)濾波器結(jié)果的“非唯一性”問(wèn)題，即近端自適應(yīng)濾波器模擬得到的抽樣響應(yīng)結(jié)果有無(wú)窮多個(gè)，從而使其不能準(zhǔn)確模擬遠(yuǎn)端房間的實(shí)際抽樣響應(yīng)，降低回聲抵消效率［6-8］。隨著研究的深入，各種去相關(guān)方法也被相繼提出［9］，通道間去相關(guān)的難點(diǎn)在于如何保證濾波器快速收斂同時(shí)保持立體聲像質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于Windows平臺(tái)的雙通道回聲抵消系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)采用一種較新的通道間去相關(guān)方法，該方法基于重采樣技術(shù)，具有較好的有效性和較小的計(jì)算量，實(shí)驗(yàn)表明使用這種去相關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)具有較好的回聲抵消效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

圖1描述了一個(gè)雙端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙通道通話(huà)模型:近端網(wǎng)絡(luò)接口接收遠(yuǎn)端房間麥克風(fēng)采集的聲音信號(hào)x1(n)、x2(n)，這個(gè)通道的信號(hào)經(jīng)過(guò)近端房間環(huán)境的各種反射和衰減之后形成回聲信號(hào)d1(n)、d2(n)。將x1(n)、x2(n)輸入回聲抵消自適應(yīng)濾波器得到模擬近端房間反射信號(hào)y1(n)、y2(n)，由d1(n)、d2(n)和y1(n)、y2(n)相減得到殘余回聲信號(hào)e1(n)、e2(n)，最后通過(guò)近端網(wǎng)絡(luò)發(fā)送接口將e1(n)、e2(n)發(fā)送至遠(yuǎn)端。

圖1 雙通道回聲抵消原理示意圖

1.2 總體架構(gòu)

整個(gè)軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，系統(tǒng)由4個(gè)部分組成:音頻驅(qū)動(dòng)模塊、重采樣器、回聲抵消模塊、Socket網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2中箭頭所指方向?yàn)橐纛l流輸入輸出的方向:系統(tǒng)中的接收和錄放音數(shù)據(jù)分別存放于2個(gè)循環(huán)緩沖隊(duì)列中，RCV-PLY(接收-播放)緩沖隊(duì)列存放的是從網(wǎng)絡(luò)接收到的低采樣率立體聲數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)升采樣器之后輸入音頻驅(qū)動(dòng)接口ASIO放音接口進(jìn)行播放;同時(shí)ASIO錄音端口不間斷地將本地錄音數(shù)據(jù)存放到REC-SEND(錄音-發(fā)送)緩沖隊(duì)列中，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送端口將這一緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端。

1.3 音頻驅(qū)動(dòng)模塊

音頻輸入輸出模塊是系統(tǒng)和聲卡的接口，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的雙通道立體聲錄放。這里使用的音頻流輸入輸出接口 (Audio Stream Input Output，ASIO)支持44100Hz和48000Hz采樣率的聲音信號(hào)。ASIO接口繞過(guò)Windows操作系統(tǒng)對(duì)聲卡I/O的控制，直接驅(qū)動(dòng)PC聲卡，從而具有較高的響應(yīng)速度和較低的錄放延遲［11］。此外ASIO技術(shù)還支持多通道錄放音功能。本軟件系統(tǒng)設(shè)置為2個(gè)放音通道和2個(gè)錄音通道，分別對(duì)應(yīng)2個(gè)揚(yáng)聲器的放音輸出和2個(gè)麥克風(fēng)的錄音輸入。

系統(tǒng)將ASIO的初始化、啟動(dòng)錄放、停止錄放、釋放資源操作封裝到4個(gè)函數(shù)中。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行之后ASIO隨即進(jìn)行初始化:設(shè)定錄放音通道數(shù)、一次錄放音的幀長(zhǎng)、音頻I/O采樣率等。ASIO啟動(dòng)錄放后將在連續(xù)地錄取近端聲音的同時(shí)播放從遠(yuǎn)端接收的聲音數(shù)據(jù)，由于ASIO內(nèi)部錄音緩沖切換的速度極快，近端的錄音數(shù)據(jù)塊必須及時(shí)保存;同時(shí)接收的遠(yuǎn)端聲音數(shù)據(jù)需要被保存到一個(gè)聲音接收緩存中，這個(gè)緩存的長(zhǎng)度和初始指針位置必須嚴(yán)格設(shè)定，避免ASIO放音時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)擁塞等原因?qū)е碌脑?huà)音斷續(xù)。

1.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)近端和遠(yuǎn)端之間的數(shù)據(jù)交互。其主要任務(wù)就是將降采樣之后的近端ASIO錄音數(shù)據(jù)存放到發(fā)送隊(duì)列，然后發(fā)送到遠(yuǎn)端;同時(shí)接收遠(yuǎn)端發(fā)送來(lái)的聲音數(shù)據(jù)，存放到近端的ASIO放音隊(duì)列。

系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)套接字(Socket)接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙端網(wǎng)絡(luò)通信。Socket接口通過(guò)IP地址和端口號(hào)來(lái)定位遠(yuǎn)端，它可以工作于有連接的傳輸控制協(xié)議(TCP)和無(wú)連接的用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)之上。考慮到滿(mǎn)足音頻流傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，同時(shí)盡量節(jié)省計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)資源，在本系統(tǒng)中使用的是UDP協(xié)議。

系統(tǒng)每次初始化時(shí)啟動(dòng)Socket發(fā)送線程和Socket接收線程，通過(guò)這2個(gè)并發(fā)的線程實(shí)現(xiàn)全雙工的語(yǔ)音通話(huà)。系統(tǒng)中預(yù)定義了每次接收和每次發(fā)送音頻流數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度，以此實(shí)現(xiàn)較好的音頻流同步。為達(dá)到節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源的目的，網(wǎng)絡(luò)通信模塊收發(fā)的音頻流是11025Hz采樣率的低采樣率數(shù)據(jù)，接收線程需將低采樣率數(shù)據(jù)升采樣到ASIO支持的44100Hz采樣率，因此網(wǎng)絡(luò)通信模塊必須先將接收到的每塊音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度，然后再存放到Socket接收緩沖區(qū)中。

1.5 線程間的數(shù)據(jù)交互

由于網(wǎng)絡(luò)模塊收發(fā)的音頻流數(shù)據(jù)塊和ASIO模塊錄放音的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度和采樣率均不同，為了保證ASIO的聲音流暢度，在音頻模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊之間進(jìn)行較好的數(shù)據(jù)交互是軟件系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

如圖3所示ASIO錄音線程和Socket發(fā)送線程共同訪問(wèn)REC-SEND隊(duì)列，ASIO錄音線程負(fù)責(zé)對(duì)REC-SEND隊(duì)列存放數(shù)據(jù)，而Socket發(fā)送線程負(fù)責(zé)從REC-SEND隊(duì)列讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送，系統(tǒng)為了保護(hù)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)安全地被線程訪問(wèn)，定義了REC-SEND隊(duì)列的互斥訪問(wèn)操作。ASIO錄音線程工作時(shí)會(huì)連續(xù)不斷地將音頻流數(shù)據(jù)塊存放到REC-SEND緩沖區(qū)中，因此要求REC-SEND隊(duì)列時(shí)刻保持有一定的空余容量，使得ASIO錄音數(shù)據(jù)不至于溢出;而在網(wǎng)絡(luò)情況良好的條件下，Socket發(fā)送數(shù)據(jù)塊的速度要比ASIO錄制數(shù)據(jù)塊的速度快，因此系統(tǒng)采用了消息機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)ASIO錄音線程和Socket發(fā)送線程之間的同步。回聲抵消(AEC)模塊從REC-SEND隊(duì)列中讀取一段連續(xù)的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完之后將數(shù)據(jù)寫(xiě)回REC-SEND隊(duì)列。AEC處理模塊進(jìn)行回聲抵消運(yùn)算將造成一定的聲音延遲，系統(tǒng)在初始化時(shí)設(shè)定AEC模塊頭尾指針的位置，以保證REC-SEND隊(duì)列不發(fā)生溢出的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送線程發(fā)送的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)AEC模塊的處理。

圖3 線程交互示意圖

相比之下，近端放音線程和網(wǎng)絡(luò)接收線程之間的同步關(guān)系要直觀很多:網(wǎng)絡(luò)接收線程源源不斷地接收較低采樣率的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高采樣率后存放至RCV-PLY隊(duì)列。ASIO放音線程連續(xù)不斷地從RCV-PLY隊(duì)列中讀取處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)播放。系統(tǒng)初始化時(shí)在RCV-PLY隊(duì)列中預(yù)存適量數(shù)據(jù)，以防當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)近端放音產(chǎn)生斷續(xù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 重采樣器的原理

聲音信號(hào)的采樣率表示在一秒鐘時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)采集的聲音樣本個(gè)數(shù)，采樣率越高信號(hào)對(duì)聲音波形的描述也更為精確，同時(shí)信息量也更大。將原始聲音信號(hào)x(n)經(jīng)過(guò)L倍的插值之后再通過(guò)抗混疊低通濾波器h(n)進(jìn)行卷積運(yùn)算，最后對(duì)卷積結(jié)果進(jìn)行1/M倍的抽取操作即可以得到采樣率為原來(lái)L/M倍的信號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為信號(hào)的重采樣。系統(tǒng)中重采樣器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示，設(shè)定抽取系數(shù)M=4，插值系數(shù)L=1，若x(n)的原始信號(hào)塊長(zhǎng)度為N，則重采樣后數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度變?yōu)镹/4。

圖4 時(shí)域重采樣器

軟件系統(tǒng)中重采樣功能被封裝到動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)初始化4個(gè)重采樣器，分別對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)端和近端的左、右通道。如圖2所示，ASIO模塊錄制的近端數(shù)據(jù)通過(guò)重采樣器將信號(hào)頻率從44100Hz降低到11025Hz之后存放到 REC-SEND隊(duì)列中;對(duì)應(yīng)地，RCV-PLY隊(duì)列中的遠(yuǎn)端放音數(shù)據(jù)通過(guò)重采樣器后信號(hào)采樣率從 11025Hz升高到 44100Hz，然后送至ASIO模塊放音。采用重采樣器之后，用于回聲抵消運(yùn)算和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)穆曇粜盘?hào)采樣率降低為原來(lái)的1/4，回聲抵消器的運(yùn)算負(fù)載和聲音信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載都被大大降低。

2.2 重采樣技術(shù)用于通道間去相關(guān)的實(shí)現(xiàn)

多通道回聲抵消領(lǐng)域中的一個(gè)重要問(wèn)題是所處理的輸入信號(hào)具有較高的線性相關(guān)性，使得大多數(shù)的自適應(yīng)回聲抵消算法都沒(méi)有唯一解，進(jìn)而嚴(yán)重影響回聲抵消器的工作效率。Fred Juang等人采用改變2路高度相關(guān)的輸入信號(hào)的采樣率的方法，使得信號(hào)間的采樣率不同，以此有效降低通道間相關(guān)度［12］。為了采樣率抖動(dòng)后不引入大的失真，聲音信號(hào)采樣率的改變極其微小，在這種情況下時(shí)域重采樣器的運(yùn)算量巨大，無(wú)法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)［13-14］。頻域重采樣技術(shù)引入了快速傅里葉變換(FFT)，使得時(shí)域重采樣器中運(yùn)算量最大的卷積運(yùn)算由頻域的乘積運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，從而節(jié)省大量運(yùn)算時(shí)間。

圖5 使用重采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)去相關(guān)

本系統(tǒng)中RCV-PLY隊(duì)列存放的是11025Hz采樣率的遠(yuǎn)端雙通道聲音數(shù)據(jù)，在回聲抵消運(yùn)算開(kāi)始之前系統(tǒng)將為這個(gè)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)初始化2個(gè)重采樣器以進(jìn)行去相關(guān)操作，這2個(gè)重采樣器的輸出分別為11024Hz(降低 1Hz，下文簡(jiǎn)稱(chēng) A重采樣器)和11026Hz(升高1Hz，下文簡(jiǎn)稱(chēng)B重采樣器)的聲音數(shù)據(jù)。去相關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示，對(duì)2個(gè)聲道內(nèi)的數(shù)據(jù)塊按時(shí)間順序編號(hào)，以編號(hào)為N和N+1的數(shù)據(jù)塊為例——A重采樣器先將通道1的第N號(hào)數(shù)據(jù)塊的采樣率降低1Hz，同時(shí)B重采樣器將通道2的第N號(hào)數(shù)據(jù)塊的采樣率升高1Hz;當(dāng)處理N+1號(hào)數(shù)據(jù)塊時(shí)，A、B重采樣器交換所工作的通道，即A重采樣器將通道2的第N+1號(hào)數(shù)據(jù)塊的采樣率降低1Hz，同時(shí)B重采樣器將通道1的第N+1號(hào)數(shù)據(jù)塊的采樣率升高1Hz。這2個(gè)重采樣器對(duì)這2個(gè)數(shù)據(jù)流內(nèi)的后續(xù)塊重復(fù)以上的操作，直到回聲抵消運(yùn)算停止。這樣操作之后2個(gè)通道相同編號(hào)的數(shù)據(jù)塊采樣率不同，并且每個(gè)通道的數(shù)據(jù)總量保持不變，以此實(shí)現(xiàn)通道間去相關(guān)的目的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)在一個(gè)長(zhǎng)6.25米、寬3.75米、高2.5米的封閉會(huì)議室內(nèi)進(jìn)行。以房間左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，雙麥克風(fēng)擺放于距離坐標(biāo)原點(diǎn)長(zhǎng)2米、寬2.5米、高0.6米的位置，麥克風(fēng)間距為15厘米;2個(gè)揚(yáng)聲器距離麥克風(fēng)的距離為1米，分別擺放于麥克風(fēng)前方左、右30度的位置，揚(yáng)聲器高度與麥克風(fēng)齊平。

系統(tǒng)運(yùn)行于Windows XP Professional平臺(tái)之上，使用的 ASIO版本是 ASIO4ALL V2，CPU為主頻3GHz的奔騰雙核E5700處理器，內(nèi)存大小1.87G。系統(tǒng)設(shè)定的音頻I/O信號(hào)采樣率為44100Hz，系統(tǒng)每一次錄放音寫(xiě)/讀512個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)應(yīng)約11.6ms的聲音數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采樣率為11025Hz，網(wǎng)絡(luò)緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度為3072個(gè)采樣點(diǎn)，約合280ms。為了測(cè)試系統(tǒng)在較為理想情況下的回聲抵消性能，筆者設(shè)計(jì)了單端實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證效果，實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行時(shí)近端無(wú)講話(huà)聲。

程序開(kāi)始運(yùn)行之后本地網(wǎng)絡(luò)接口持續(xù)接收遠(yuǎn)端發(fā)送的語(yǔ)音信號(hào)，將其存放至RCV-PLY隊(duì)列播放同時(shí)進(jìn)行去相關(guān)操作后保存為遠(yuǎn)端輸入信號(hào)x1(n)、x2(n)，同時(shí)本地錄音線程開(kāi)始記錄近端回聲d1(n)、d2(n)，將 x1(n)、x2(n)和 d1(n)、d2(n)輸入回聲抵消模塊得到回聲抵消結(jié)果e1(n)、e2(n)。

圖6 回聲抵消前后聲音波形示意圖

圖6記錄了系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行之后10秒左右的本地回聲信號(hào)和回聲抵消處理之后的殘余回聲信號(hào)(為了簡(jiǎn)化，d1(n)、d2(n)和 e1(n)、e2(n)分別畫(huà)在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi))。從圖6中可以直觀地看到系統(tǒng)運(yùn)行之后回聲的衰減。

衡量回聲抵消器性能的一個(gè)重要指標(biāo)是回聲抑制比(Echo-Return Loss Enhancement，ERLE)，ERLE代表回聲抵消前后信號(hào)的能量的比值，值越大說(shuō)明回聲抵消的效果越好，ERLE為d(n)與e(n)平方的數(shù)學(xué)期望之比，公式(1)給出了ERLE的定義。

圖7 左右聲道的ERLE

左右通道的殘余回聲及其對(duì)應(yīng)的ERLE如圖7所示。在有說(shuō)話(huà)人語(yǔ)音的時(shí)間段(大約0.5秒～2秒、3秒 ～4.5秒、5秒 ～6.5秒、7秒 ～9秒)ERLE 值在10dB～20dB附近變化。由于本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中并未考慮近端說(shuō)話(huà)人說(shuō)話(huà)、說(shuō)話(huà)人方位不斷變化以及房間環(huán)境變化等復(fù)雜情況，在實(shí)際使用中系統(tǒng)的ERLE值可能會(huì)低于圖7中顯示的結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)之上的雙通道立體聲回聲抵消系統(tǒng)。系統(tǒng)采用循環(huán)隊(duì)列、消息機(jī)制、線程同步等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻流的實(shí)時(shí)控制;重采樣技術(shù)的使用有效減少了大數(shù)據(jù)量情況下系統(tǒng)對(duì)計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源的占用。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)具有良好的回聲抑制效果。

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