張瑞紋，李嘉

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Carplay車載語音通話系統(tǒng)的測試研究

張瑞紋，李嘉

（深圳市計量質(zhì)量檢測研究院，廣東 深圳 518055）

車載語音通訊質(zhì)量直接關(guān)系用戶駕駛安全，同時Carplay的研發(fā)及測試能力影響著汽車行業(yè)的競爭力，為彌補(bǔ)國內(nèi)汽車行業(yè)Carplay測試能力缺失，基于Carplay語音通訊系統(tǒng)的構(gòu)成，給出測量構(gòu)架與測試流程，并通過對語音系統(tǒng)的不斷調(diào)試與測試，探討參數(shù)之間的相互影響，為車載語音通話系統(tǒng)的性能調(diào)節(jié)提供參考。

Carplay系統(tǒng)；車載通訊；語音質(zhì)量；聲學(xué)性能

引言

隨著智能語音與語音識別的發(fā)展，蘋果公司的Carplay車載通訊系統(tǒng)的應(yīng)用隨之普及，為車主提供了更多的便利與更好的駕駛體驗，使得駕駛更方便，更安全。

早在2014年Carplay計劃發(fā)布早期，奔馳、沃爾沃及法拉利就宣布支持Carplay，并展示了其下車型與Carplay整合界面。2015年9月奔馳發(fā)布的E級車型就自帶Carplay系統(tǒng)了。隨后，越來越多的汽車公司陸續(xù)支持Carplay，包括合資品牌車型北京現(xiàn)代SUV全新途勝及國產(chǎn)車榮威360。

作為車載系統(tǒng)，Carplay語音質(zhì)量影響客戶體驗的同時還關(guān)乎駕駛安全。而國內(nèi)車輛的語音通訊質(zhì)量測試能力缺失，一面面對強(qiáng)大的市場競爭力，另一面面對駕駛安全性能的提升，Carplay的測試至關(guān)重要。為協(xié)助國內(nèi)車廠研發(fā)，節(jié)約Carplay開發(fā)前期在國外實驗室調(diào)試的費(fèi)用，跟進(jìn)Carplay系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)程，就Carplay系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析其語音通訊與語音識別的測試結(jié)構(gòu)和方法，并就其測試參數(shù)和結(jié)果進(jìn)行討論。

1 Carplay車載語音通話系統(tǒng)

Carplay將用戶的iOS設(shè)備與儀表盤系統(tǒng)無縫結(jié)合，隨后用戶不必動手和觀看手機(jī)便可以使用到iOS設(shè)備的各種功能，可以輕松、安全地?fù)艽螂娫?、?dǎo)航、播放音樂，讓用戶可以專注于駕駛。

Carplay搭載于車載系統(tǒng)中，語音信號處理部分分為上行信號處理與下行信號處理，主要包含EQ調(diào)節(jié)、雙講增益控制、噪聲抑制、回聲控制等。

圖1 Carplay語音調(diào)節(jié)模塊

下行信號經(jīng)車載系統(tǒng)接收后通過增益調(diào)節(jié)、噪聲處理（針對低頻噪聲和固有噪聲進(jìn)行抑制），EQ均衡、增益控制與動態(tài)縮放范圍設(shè)置（對麥克風(fēng)本底噪聲進(jìn)行調(diào)整）、雙講過程的衰減調(diào)整，和高通濾波等，并接收上行信號反饋，傳輸給車載揚(yáng)聲器。

上行信號經(jīng)MIC采集后，進(jìn)入到信號動態(tài)范圍控制與增益調(diào)節(jié)、自適應(yīng)濾波、與下行信號作比對后進(jìn)行回聲消除處理、噪聲抑制處理、EQ調(diào)節(jié)、輸出動態(tài)范圍與自動增益控制，之后傳輸?shù)骄C測儀。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與信息模塊順序并不是一定的，車內(nèi)免提通話系統(tǒng)的集成充滿挑戰(zhàn)，麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的布局，各種背景噪聲的處理，以及由RF引起的問題，都顯著影響通話中的語音質(zhì)量。且各個環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)與控制均與實際車型及內(nèi)飾相關(guān)，需要針對每輛不同的車進(jìn)行調(diào)試。

2 系統(tǒng)測量架構(gòu)

測試通過模擬駕駛員在車輛真實行進(jìn)過程中的通話場景，測量語音通話質(zhì)量。測量架構(gòu)如圖2所示。

圖2 語音質(zhì)量測量架構(gòu)

2.1 測試聲場

在測試前依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)錄制車輛實際駕駛過程中的噪聲并通過噪聲回放系統(tǒng)進(jìn)行均衡，在測試中通過背景噪聲回放系統(tǒng)，使得車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下再現(xiàn)實際運(yùn)行噪聲場。

2.2 操作者

測試中將頭肩模擬器放置于駕駛員或副駕駛員位置，通過頭肩模擬器的內(nèi)置人工耳、人工嘴分別模擬系統(tǒng)使用者的“聽”、“說”過程，完成語音交互。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)

通過綜測儀模擬基站信號，為手機(jī)編解碼語音信號，將上行信號由手機(jī)傳輸至聲學(xué)分析系統(tǒng)或?qū)⑾滦行盘枏南到y(tǒng)傳輸?shù)绞謾C(jī)。

3 測試流程

Carplay語音通話的測試包含車載免提通話性能測試及Siri語音識別部分的測試。兩個測試部分相互獨立，但均基于實際應(yīng)用環(huán)境下在實車內(nèi)進(jìn)行測試。

圖3 Carplay語音通訊測試流程

在測試前首先要進(jìn)行背景噪聲采集，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需對不同路況進(jìn)行背景噪聲錄制，選擇沒有大風(fēng)大雨的日子，在干燥的路面進(jìn)行錄制，錄制過程中需保證車窗關(guān)閉，轉(zhuǎn)向燈關(guān)閉，車內(nèi)人員盡可能安靜。另外，背景噪聲錄制過程中要特別注意將車廂內(nèi)雜物清空，車門及座位上不要放置其他物品，以免在錄噪過程中出現(xiàn)雜音。

表1 背景噪聲錄制

如果免提系統(tǒng)將被允許在更高行駛速度的國家部署，則語音通訊系統(tǒng)還需在不低于160 km/h的速度下進(jìn)行測試。

在測試前必須針對錄制好的背景噪聲進(jìn)行均衡，才能保證準(zhǔn)確重現(xiàn)噪聲文件原始的頻率特性以及聲壓大小。

4 測試參數(shù)分析

4.1 主要測試參數(shù)

語音測試指標(biāo)內(nèi)容主要包含單向語音質(zhì)量，背景噪聲下的單向語音質(zhì)量，回聲測試及雙講測試。

表2 影響語音質(zhì)量的主要參數(shù)

其中，通話中的一個重要指標(biāo)是單講語音質(zhì)量（TMOS），它描述了語音信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。通過對比記錄信號與饋給信號的差距，模擬測試人員對語音樣本的評分，最低分1分，表示信號糟糕，最高分5分，表示信號很棒，當(dāng)分?jǐn)?shù)達(dá)到3分，表示信號清晰，我們認(rèn)為此時的語音質(zhì)量是可以接受的。如果記錄的信號與饋入信號顯示出良好的相關(guān)性（例如信號在傳輸期間只有輕微的雜音、失真或其他類型的損傷），則可以得到較高的TMOS值。如果信號被傳輸路徑嚴(yán)重影響，即與饋入信號相比有很大差異，則會得到較低的TMOS值。

圖4是一次TMOS測試中的語音信號比對，Source信號為饋入信號，RCV（2）信號則是接收方向的記錄信號，從圖中可以清晰的看到相較于饋入信號，記錄信號有很大的信號損失，它得到的分值也較低，為2.26分，遠(yuǎn)不能滿足通話質(zhì)量要求。

4.2 參數(shù)間的相互影響

各個語音參數(shù)并不是獨立的，而是相互關(guān)聯(lián)的，參數(shù)的調(diào)整與分析不應(yīng)局限于當(dāng)前的參數(shù)，而需全局考慮，在每次參數(shù)調(diào)整后需要對整個系統(tǒng)重新測量，全局掌握系統(tǒng)性能，以保證測試的準(zhǔn)確性。

4.2.1 頻率VS響度

為使通話過程中信號還原度更好，通常會針對系統(tǒng)的上行或下行EQ做出調(diào)整，希望得到較為平滑的頻響曲線，但這個時候受到影響的就不僅僅是頻率，抬高或降低一個頻點的靈敏度同時還會影響到上行或下行信號的響度。

圖5 EQ調(diào)節(jié)對響度的影響

如圖5，為使得接收方向頻率響應(yīng)更為平滑，我們對630 Hz附近的響應(yīng)進(jìn)行EQ調(diào)節(jié)，接收方向的響度隨著頻點靈敏度的抬高而增大。

4.2.2頻率響應(yīng)和語音質(zhì)量的關(guān)系

一般來說，我們測得的頻率響應(yīng)表現(xiàn)越好，單向通話下的語音質(zhì)量也會表現(xiàn)的更好。但當(dāng)我們對EQ做出過多的調(diào)整，反而會使通話語音變得“不真實”而導(dǎo)致語音質(zhì)量下降。

4.2.3回聲和雙講的相互影響

回聲和雙講的調(diào)節(jié)在一定程度上是相悖的。在通話中，為了消除回聲，揚(yáng)聲器輸出前與發(fā)送方向信號做比對，需要參考信號傳輸?shù)难訒r，減去發(fā)送方向的信號，很有可能會因此誤刪除或影響到原有的下行信號，造成雙講通話中，信號衰減較大。

4.2.4噪聲狀態(tài)下的NMOS和SMOS

在背景噪聲條件下的測量，須針對每款車的不同背景噪聲及其特點進(jìn)行消噪處理，如果過分的專注于噪聲的消除，也有可能導(dǎo)致通話過程中的語音信號丟失，導(dǎo)致NMOS下降。

下表給出了背景噪聲測試中，場景3的一次噪聲抑制調(diào)節(jié)前后GMOS，NMOS和SMOS三個參數(shù)的變化。

表3 參數(shù)調(diào)整示例

示例中，為使整體語音效果合格，更完整的保留了語音信息，提高了語音質(zhì)量的評分，在這次的調(diào)整中，由于更多的噪聲也被保留導(dǎo)致噪聲質(zhì)量略微下降。

4.2.5延時的不穩(wěn)定對語音質(zhì)量的影響

在通話過程中，語音傳輸延時的少許變化可能并不影響我們的日常交流，但對測試系統(tǒng)來說，它計算語音質(zhì)量的時候是依據(jù)已測得的延時將測量信號與信號源進(jìn)行比較，如果系統(tǒng)通訊的延時不穩(wěn)定，那么很有可能得到較低的語音質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

這并不意味著每次參數(shù)調(diào)整都會犧牲另一些參數(shù)，只是需要注意，不同的參數(shù)可能是相互關(guān)聯(lián)的，在調(diào)節(jié)參數(shù)時需要綜合考慮全局參數(shù)，而在調(diào)整參數(shù)時也需要考慮該參數(shù)對語音性能的影響。

5 結(jié)束語

Carplay用戶使用汽車的內(nèi)置顯示屏和控制鍵或Siri免提功能與iOS設(shè)備互動，而Carplay系統(tǒng)在呼叫過程中信號的傳輸延遲，失真度，環(huán)境噪聲抑制，響度等音頻性能指標(biāo)以及語音識別準(zhǔn)確性，密切影響用戶體驗及注意力。與此同時，車載系統(tǒng)的性能對于制造商是否能得到蘋果的認(rèn)同，成為下一批合作廠商起著決定性的作用。

為使Carplay車載系統(tǒng)傳輸?shù)碾娐曅盘柗舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，針對該系統(tǒng)語音質(zhì)量測試技術(shù)的研究，有著非常重要的意義。

通過對Carplay車載語音通話系統(tǒng)的測試結(jié)構(gòu)和參數(shù)分析，為Carplay系統(tǒng)調(diào)試與測試提供一些參考。

[1] ITU-T P.1100 Communications involving vehicles Narrow-band hands-free communication in motor vehicles[S].

[2] ITU-T P.1110 Communications involving vehicles Wide-band hands -free communication in motor vehicles[S].

[3] 李廣壘.基于ARM的智能語音車載終端技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界,2019(01):188.

[4] 林嘉濤,陳飛龍,張璘,許英朝.基于Android平臺的車載藍(lán)牙電話免提系統(tǒng)的研究[J].電子測量技術(shù),2018,41(10):7-12.

[5] 隋毅.基于駕駛模擬實驗的手機(jī)通話對駕駛安全的影響研究[D].北京交通大學(xué),2013.

Testing and Research of Carplay In-Vehicle Communication System

Zhang Ruiwen, Li Jia

( Shenzhen Academy of Metrology & Quality Inspection, Guangdong Shenzhen 518055 )

The quality of in-vehicle communication is directly related to user driving safety. At the same time, Carplay's R&D and testing capabilities affect the competitiveness of the automotive industry. To compensate for the lack of Carplay testing capability in the domestic automotive industry, this paper gives the measurement framework and testing process based on the composition of the Carplay voice communication system. Through the continuous debugging and testing of the voice system, the interaction between the parameters is discussed, which provides a reference for the Carplay performance adjust -ment.

Carplay system; in-vehicle communication; speech quality; acoustic property

U461.91

A

1671-7988(2019)08-96-04

U461.91

A

1671-7988(2019)08-96-04

張瑞紋，工程師，碩士研究生，就職于深圳市計量質(zhì)量檢測研究院。從事語音通訊，電聲檢測研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.031