陣列式麥克風(fēng)在電視上的應(yīng)用

目前，陣列式麥克風(fēng)的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，在人的語音收音距離要求不是很遠(yuǎn)，而且空間不大，收音范圍較窄的情況下，陣列式麥克風(fēng)已經(jīng)被大量應(yīng)用，如筆記本電腦、車載藍(lán)牙設(shè)備等等。同樣，陣列式麥克風(fēng)也可以應(yīng)用在電視機(jī)上，使得用戶可以無拘無束地與遠(yuǎn)方的家人、朋友等進(jìn)行聊天交流(圖1)。



當(dāng)陣列式麥克風(fēng)在電視機(jī)上應(yīng)用時(shí)，需要更加遠(yuǎn)的收音距離，需要更加寬的收音范圍，而這些問題都可以比較容易解決，但是回聲的問題則變得更為突出。因?yàn)殡娨暀C(jī)是家庭的娛樂中心，所以電視機(jī)的揚(yáng)聲器音量輸出也許會(huì)比較大，而麥克風(fēng)大部分都是設(shè)計(jì)在電視機(jī)上，遠(yuǎn)端說話的聲音從揚(yáng)聲器出來，很容易被麥克風(fēng)重新拾取，再傳送到原說話者的那邊，嚴(yán)重一些的情況，還可能形成自激。

在電視聊天過程中，如果存在回聲，會(huì)導(dǎo)致說話的人感覺不舒服;而且語音疊加，導(dǎo)致語音不清晰，所以要盡量消除回聲。電視機(jī)的使用場(chǎng)合、環(huán)境各不相同，比如說揚(yáng)聲器的音量大小差異很大，空間的布置差異也很大等，這些都是與回聲直接相關(guān)的因素，而且這些因素都為不可控，不可預(yù)估的因素。為了解決在電視機(jī)上應(yīng)用陣列式麥克風(fēng)，可能會(huì)產(chǎn)生的回聲問題，需要在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器。自適應(yīng)濾波器的基本思想是估計(jì)回音路徑的特征參數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)模擬的回音路徑，得出模擬的回音信號(hào)。然后接收信號(hào)中減去這個(gè)自適應(yīng)濾波器模擬出來的回音信號(hào)，實(shí)現(xiàn)回音抵消。

自適應(yīng)濾波器的架構(gòu)如圖2。圖中所示的濾波器的輸入是x(n)={x(n),x(x-1),?x(n-N+1)}T，濾波器的權(quán)系數(shù)是h(n)={h1(n)，h2(n)，?hN (n)}T，d(n)為期望輸出信號(hào)，d^(n)為濾波器的實(shí)際輸出，也稱估計(jì)值。e(n)為誤差，e(n)=d(n)-d^(n)。由誤差經(jīng)過自適應(yīng)算法，來調(diào)整濾波系數(shù)，使得濾波實(shí)際輸出接近期望輸出的信號(hào)。

在實(shí)際的電視中的應(yīng)用原理框圖見圖3。圖中f(n)代表來自遠(yuǎn)方的語音信號(hào);r1(n)為f(n)從揚(yáng)聲器出來，經(jīng)過不同的回聲通道所產(chǎn)生的回聲集合，并被陣列式麥克風(fēng)收音;s(n)為本地用戶說話的語音信號(hào);r(n)為自適應(yīng)濾波器對(duì)f(n)進(jìn)行了預(yù)處理，估算f(n)信號(hào)所產(chǎn)生的回音，其動(dòng)態(tài)估算值為r(n)。那么通過計(jì)算，本地用戶所傳送出去的聲音信號(hào)應(yīng)該為u(n)=y(n)-r(n)=s(n)+r1(n)-r(n)。在理想的狀態(tài)下，如果自適應(yīng)濾波器所產(chǎn)生的回聲估算值r(n)等于實(shí)際的回聲集合r1(n)，即r1(n)-r(n)=0，那么回聲將被剛好完全消除。

由于用戶的使用環(huán)境差異非常大，單獨(dú)靠自適應(yīng)濾波器內(nèi)部的算法，動(dòng)態(tài)修改濾波器的權(quán)系數(shù)，很難使得輸出的r(n)=r1(n)。所以如果自適應(yīng)濾波器在DSP內(nèi)部動(dòng)態(tài)修正權(quán)系數(shù)的同時(shí)，把電視機(jī)使用的環(huán)境因素考慮進(jìn)去，充分分析回聲的通道的各種情況，結(jié)合“內(nèi)外”的因素，來動(dòng)態(tài)修正濾波器的權(quán)系數(shù)，這樣將會(huì)使得r(n)更加接近于實(shí)際的r1(n)，從而更地的消除回聲。帶有內(nèi)部校準(zhǔn)信號(hào)的系統(tǒng)框圖如圖4。

其中最主要是增加了一個(gè)內(nèi)部校準(zhǔn)單元，內(nèi)部存儲(chǔ)有一些特定的音頻測(cè)試信號(hào)Fn。人聲所包括的頻率主要從300~3400Hz之間，所以內(nèi)部的測(cè)試信號(hào)Fn從這個(gè)頻率區(qū)間進(jìn)行取樣即可，如Fn=300Hz、400Hz、500Hz等等，以此類推。其邏輯思路見圖5。

舉例說明：當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)在聊天過程中回聲較大，可以人為通過遙控器的按鍵或者鍵控板上的按鍵等方式來發(fā)出校準(zhǔn)指令。此時(shí)，內(nèi)部校準(zhǔn)單元會(huì)逐一發(fā)出相關(guān)的測(cè)試信號(hào)Fn，測(cè)試信號(hào)通過主信道，通過功放，從揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，聲音再通過不同的回聲通道，被陣列式麥克風(fēng)拾取，回送到內(nèi)部校準(zhǔn)單元。由于測(cè)試信號(hào)為固有的信號(hào)，內(nèi)部校準(zhǔn)單元可以準(zhǔn)確對(duì)比測(cè)試信號(hào)和回聲之間的差異，考慮與環(huán)境相關(guān)的回聲因素，產(chǎn)生新校正因子γ。

校正因子γ送到自適應(yīng)濾波器，讓自適應(yīng)濾波器修正濾波器的權(quán)系數(shù)，這個(gè)權(quán)系數(shù)可以說在一定程度上考慮了外部的環(huán)境對(duì)回聲的影響因素，所以自適應(yīng)濾波器所產(chǎn)生的r(n)將更加接近r1(n)，從而可以更好的消除回聲。

小結(jié)

可以預(yù)見，聊天功能將會(huì)成為未來電視機(jī)的主要功能之一，而在電視機(jī)中應(yīng)用陣列式麥克風(fēng)，可以擺脫對(duì)傳統(tǒng)形式麥克風(fēng)的依賴，給用戶帶來較好的體驗(yàn)感受;而加強(qiáng)對(duì)回聲的消除處理，是陣列式麥克風(fēng)得以在電視機(jī)上廣泛應(yīng)用的保證。?