[学习]ICC通话系统

内容来源于论文《Signal Processing for in-car communication systems》

【场景描述】车舱中前后排通话，前排mic采前排说话，后排spk播给后排；后排spk采后排，前排spk播放给前排。

【核心问题】因为ICC是一个闭环电声效果循环系统，为了保证稳定，主要是解决声学反馈，如啸叫(howling)。

【系统算法】波束形成, 回声消除，降噪等。

【前端系统区别】免提电话或语音识别前处理系统对比，激励信号和失真部分是高度相关的，导致自适应算法收敛相关的问题。并且，ICC系统有非常严格的处理延迟需求。

1.问题描述

 如图1，前排mic至少拾取后排spk一部分声音，如果该部分声不足够小则持续振荡发生——即啸叫。啸叫边界依赖ICC的输出增益。故ICC系统的所有增益要小心调节，否则易啸叫。 为了提高边界的稳定，引入如波束形成、反馈/回声消除、自适应陷波、自适应增益控制、均衡器、非线性处理等方法。

分析：这是一个Front--->Rear的收发系统。上述的系统 前排麦克风拾取到扬声器发出的声音，若这部分声音不足够小会造成持续振荡出现，产生啸叫

2. 基础 

 (2.1) 没有ICC的通话

 从图2可知，分析了人头和声源指向的性能。考虑了1400Hz~2000Hz和125~250Hz两个频段。可以发现1400Hz~2000Hz受人头和声源位置的角度影响。若是说话人/听音人面对面交流vs.前后交流，声压级相差10多个dB。

 从图3可知，车内的噪声频段相对关系和噪声随速度的变化大小。车内的噪声低频远大于高频，噪声随速度增加，增加到150km/h，噪声增大了30dB。但由于隆巴德效应，增益不需要增大到30dB。

隆巴德效应：指的是生物在噪声环境中通过提高发声强度、调整基频等方法补偿噪声干扰的干扰。

(2.2) 有ICC的通话

假设ICC系统输入y(n)和输出x(n)，传递函数为：

(2.2.1)闭环系统的频率响应

 

 该系统的麦克风采集到扬声器播出的传递函数为：

 

 

为了获得一个稳定的系统，开环增益应该小于1。则这个系统的上边界为：

故为了减少mic拾取到扬声器发出的声，则引入一个反馈消除支路，如下图6所示。

 

这个系统的频率响应为：

 

结合公式(5)，则麦克风到扬声器的传递函数为：

 

 由此可见，ICC系统的最大增益受限于：扬声器到麦克风真实路径和估计路径的差异。最有的情况，真实和估计路径完全相同。由于人头的移动等原因，多数自适应算法将收敛到维纳解。

**消除啸叫，核心是两个要点：

1.增益（衰减）：每次spk-mic的循环能量是衰减的，即开环增益的绝对值小于1；

2.相位（相反）：相位是180°的奇数倍，形成负反馈。

总的来说，若|开环增益|＞1且满足相位是360°的整数倍，则系统振荡。

根据巴克豪森准则：A是前向开环增益，β是反馈系数

1.幅度条件：|Aβ| = 1

2.相位条件∠Aβ=±180°

总的来说，若系统在某个频率上持续振荡，要破坏啸叫则需要破坏幅度和相位条件。若|Aβ| ＜ 1，则振荡会不断衰减.

(2.2.2) 说话人到听声人的传输路径

要点：视觉和听觉匹配，即说话人在前，后排扬声器布置在最后面，声从后面进入听声人耳朵，要点是控制延迟，基于哈斯效应，时延要控制在10~20ms之内(经验值)。

(2.2.3)从说话人到说话人

要点是：后排扬声器播放前排麦克风拾取的前排说话声，但播放出来的声若被前排感知，导致听觉系统的自掩蔽效应，则堆前排体验很差（不可接受）。因此，整体延迟不要超过10ms。

布置总结：

1.扬声器要靠近听音人，远离说话人

2.引入扬声器阵列，使得声音指向听音人而避免指向说话人

(3)ICC系统的信号处理

 

 (3.1)基本架构

总的来说，

1.波束形成：由于前排说话人位置相对固定，使用固定的波束形成

2.回声消除：消除立体声系统影响，若不消除，如音乐会引入混响感，如消除后排麦克风拾取的后排到前排的声信号。

3.反馈抑制：消除反馈，避免啸叫

4.反馈抑制：自适应陷波，快速压住啸叫频率。

5.自适应增益：控制增益

(3.2)预处理

由之前内容分析可知，背景噪声主要集中在低频部分，且低频的指向特性不如中高频。因此，使用低阶的巴特沃斯高通滤波器(@3dB 截止频率300Hz)； 另外，可检查A/D是否发生截断。

(3.3)波束形成（固定波束形成）

一个阵列中的每个mic进行时延补偿进行对齐，使得，每个mic来自目标方向的声波对齐后，加强相干信号，而其他干扰和噪声相对减弱。

(3.4)回声消除

主要是两部分

1.立体声部分

2.后排乘客的增强信号经过前排扬声器播放后被前mic拾取（即消除前排扬声器的影响）

(3.4.1)立体声部分的回声消除

假设左/右通道信号xL/xR，他们到麦克风的传递响应为hL/hR，则自适应滤波器要计算估计传递路径。若左右相关程度高，则导致回声估计不准，即回声估计不正交，不独立，难获得准确估计结果，因此需要对立体声信号做细微的处理：

1.非线性处理，破坏相关性

2.微调处理，一个通道对另一个通道引入一个周期变化的delay

3.加入随机噪声

(3.4.1)ICC输出部分的回声消除

一种方法，引入Loss Control即开关控制，双工控制

(3.5) 反馈消除(待补充)

(3.6) 反馈抑制(待补充)

引入自适应陷波滤波器，如NLM算法等

(3.7) AGC (待补充)

(3.8) 均衡器

Biquad实现峰值滤波器

(3.9)噪声消除(NN算法)

消除背景等各种噪声。

如上，为ICC系统的基本架构。