用TMS320C54x DSKplus Board构建声回波对消器

　　随着信息技术，特别是通信技术的不断发展，各种满足不同需求的通讯方式不断出现，如可视电话，视频会议等。然而这些语音通信系统都不同程度地有回波的存在，这致使系统的通讯质量及可靠性有所下降，甚至严重时会使通讯崩溃。声回波是指在语音通信中，远端的语音信号通过近端扬声器-房间-近端麦克风路径，又随着近端说话者的声音一同通过通信线路传播到了远端。然而，远端听话者是不愿听到自己声音回波的。

　　尤其，当具有免提功能的各种通讯终端在进行通讯时，声回波的存在更加明显，在这种情况下，对于抵消声回波带来的不利影响就变得更加迫切和急需了。声回波对消器就是为此应运而生，用来抵消回波的，它是模拟近端扬声器-房间-近端麦克风路径的冲击响应，从而抵消声回波的。因此本文就是基于此类声回波对消器而展开的讨论。目前，公认有效的回改朝换声抑制方法是采用自适应回声对消。在回波对消的研究过程中，必须有效模拟出讲话者所在空间的声回授通道特性。本文重点介绍利用TI公司开发的廉价的DSKplus套件，采用白噪声激励和谱估计的方法进行房间声回授系统的离线辨识，并取得了良好的实验结果。

　　1 DSKplus Board介绍

　　TI公司为方便用户对DSP系统的开发而提供的开发工具。DSK开发套件和评估板是TI公司的第三方提供的一种简单的系统评估平台，DSK和EVM（评估板）除了提供基本的硬件平台外，还提供完整的代码生成工具和调试工具。用户可以使用DSK或EVM完成需要设计系统的硬件性能、软件算法的评估，为确定系统的软/硬件方案提供可靠的依据。

　　DSKplus Board是TI公司研制的一种廉价的、为初学者使用的DSP应用开发板，本开发板中DSP芯片采用TMS320C542.TMS320C542是一种改进哈佛结构、运算速度可达40MIPS的定点DSP.它具有一个程序存储器总线，三个数据存储器总线，17×17位乘法器，一个供非流水线MAC（乘法/加法）使用的专用加法器，一个比较、选择、存储单元（Viterbi加速器）。其片内集成有10K字节的DRAM,2K字节的引导ROM.其外围设备包括有：与主机进行通信的主机接口HPI（Host Port Interface），与其他设备进行通信的时分复用串口和缓冲型串口等等。

　　DSKplus Board的模拟通道采用TLC320AC01C芯片，它可同时完成音频频带内辨率为14位的模-数、数-模转换，并集成了带通输入滤波器和输出低通滤波器以及Sinx/x补偿器。其的优点在于它有一个串行通信口，DSP可通过对此串行口以软件编程方式控制其滤波器的频带宽度、截止频率以及采样频率等，并可调整输入输出增益。TLC320AC01C的采样频率可达43.2K,模拟输入增益可达12dB,输出衰减可达12d B.

　　DSKplus Board与机通信是利用DSP的HPI进行的。在DSP片内有一容量为2K字节的内存区，地址从1000h到17FFh,这片内存区既可以被DPS访问，也可以被主机访问。在DSKplus Board中，DSP的HPI通过一片GAL22V10与计算机的并口相连，GAL22V10完成计算机并口信号与HPI信号之间的匹配。这样，主机就可通过读写并口的数据端口、状态端口、控制端口来访问DSP的共享内存区，为主机与DSP之间的数据交换提供了很大方便。

　　2 系统原理

　　测试系统原理见图1.把虚框部分看作系统h（n），系统的输入和输出分别为x（n）和y（n），那么有：

　　等式两边同乘x（n-1），并求期望，得：

　　式中，Rxx（n）为x（n）的自相关函数，Rxy（n）为x（n）与y（n）的互相关函数。对于白噪声输入激励，x（n）的自相关函数为δ_函数，即：

　　Rzz（n）= δ（n）     （3）

　　代入式（2），则有：

　　h（l）=Rxy（l）    （3）

　　因而，当x（n）为白噪声时，只需估计出x（n）、y（n）的互相关函数，即可求出声回授通道的冲激响应。图1中，A/D、D/A以及与主机通信部分均由DSKplus Board完成。

　　3 软件实现

　　整个系统软件包括两部分：DSKplus Board中DSP的运行程序和主机的数据发送、接收、分析处理程序。

　　数字信号处理（Digital Signal Processing,简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是值得称道的两大特色。

　　其功能包括：对模拟通道TLC320AC01C进行初始化，完成数据的发送和采集以及与主机之间的数据交换。TLC320AC01C被初始化为：8k/s采样速率，低通滤波器带宽为3.6kHz,输入增益为12dB,输出增益为0dB.数据的发送和采集采用中断方式，由于数据的发送和采集是同步的，所以只需用同一个中断服务程序。每当采集缓冲区（64字节）满后，就把HPI的控制寄存器HPIC的HINT位置"1",主机通过检测这一位的状态来接收和发送数据。

　　由于对数据的分析处理需要耗费大量的时间，所以主机程序分为两部分：数据发送、接收程序和后续处理程序。主机程序用C语言编写。为了能在1/8k秒内完成发送两次16位地址、16位数据和读取16位数据，数据速率为64Kbyte/s,加上主机从硬盘读取数据和把数据写入硬盘的时间开销，DPS运行在40MHz时，HPI口的数据传输速率可达8Mbyte/s主机并口的数据速率却达不到上述要求。所以发送数据时，应先把数据读入内存缓冲区，接收数据时，也应先把数据读入内存缓冲区，待数据接收完成后，再写入磁盘，这样才不会因来不及接收而丢失数据。程序流程见图2.

　　后续处理程序功能包括：伪随机序列的产生和冲激响应的分析计算。伪随机序更的产生采用克努特算法，即线性同余算法：

　　In+1=（J·In+1）modM    （5）

　　式中，M为序列的长周期，J由不等式

　　J·（M-1）<2的L次方   （6）

　　确定。J越大，序列才趋向于更随机，但J的值受机器字长L限制。由式（5）求得的随机序列In,归一化后，在（0,1）区间呈均匀分布，再对序列进行高斯化，并用"3σ原理"进行16位整数化。

　　由式（4）知，冲激响应的计算，即是对x（n）、y（n）的互相关函数进行估计。事实上，本文是用有限长数据样本来估计随机信号的互相关函数Rxy（k），即：

　　这里，R'xy（k）是Rxy（k）的有偏估计，因为：

　　这表明，当k接近N时，R'xy（k）的统计平均与Rxy（k）相差较大。在本文中，当房间冲激响应的有效长度远小于数据样本长度N时，这种偏差可以忽略。为了加快计算式（7），先对x（n），y（n）作FFT变换，X（n）的共轭与Y（n）相乘后，再作傅立叶反变换，即求得冲激响应h（n）。但以实际上h（n）是x（n）和y（n）的线性相关结果。所以，在进行N点FFT变换前，先把x（n）和y（n）的后N/2个点全置零，这样可避免循环相关带来的误差。为减小矩形数据窗带来的谱泄漏，程序中采用Hamming窗截取信号，即：

　　w（t）=0.54-0.46cos（2πt/T） （9）

　　为减小互相关函数的估计方差而引入的h（n）估计方差，在房间设施固定不变的情况下，用不同随机数种子的随机序列输入而求得的h（n）作平均运算，可有效减小h（n）的估计方差。

　　4 实验结果

　　典型的测量数据经过以上处理，得到如图所示的结果。图中，直达声是从场声器出来的声音经过直线路径直接到达麦克风的声音，混响声是从扬声器出来的声音经过房间的墙壁、室内物体等多次反射后到达麦克风的声音。在理论上，直达声的响应应该为零，混响以后的响应也应为零。但由于测量时不可避免地存在环境噪声以及算法本身存在的误差，图中这些响应有较小的起伏。可以估计，直达声从扬声器到麦克风之间大约有170个采样点，按8k/s采样纺计算，这段时间为：

　　td=170/8000=0.02125s

　　实际测量时，扬声器与麦克风相距7.5m,按空气中声波传输速率340m/s计算，这段时间应为0.02206s,由此看出，实际测量与理论基础相符。