阵列式麦克风在电视上的应用 - 阵列式麦克风在电视机上的应用

阵列式麦克风在电视上的应用

目前，阵列式麦克风的技术发展已经较为成熟，在人的语音收音距离要求不是很远，而且空间不大，收音范围较窄的情况下，阵列式麦克风已经被大量应用，如笔记本电脑、车载蓝牙设备等等。同样，阵列式麦克风也可以应用在电视机上，使得用户可以无拘无束地与远方的家人、朋友等进行聊天交流(图1)。



当阵列式麦克风在电视机上应用时，需要更加远的收音距离，需要更加宽的收音范围，而这些问题都可以比较容易解决，但是回声的问题则变得更为突出。因为电视机是家庭的娱乐中心，所以电视机的扬声器音量输出也许会比较大，而麦克风大部分都是设计在电视机上，远端说话的声音从扬声器出来，很容易被麦克风重新拾取，再传送到原说话者的那边，严重一些的情况，还可能形成自激。

在电视聊天过程中，如果存在回声，会导致说话的人感觉不舒服;而且语音叠加，导致语音不清晰，所以要尽量消除回声。电视机的使用场合、环境各不相同，比如说扬声器的音量大小差异很大，空间的布置差异也很大等，这些都是与回声直接相关的因素，而且这些因素都为不可控，不可预估的因素。为了解决在电视机上应用阵列式麦克风，可能会产生的回声问题，需要在系统内部设计自适应滤波器。自适应滤波器的基本思想是估计回音路径的特征参数，产生一个模拟的回音路径，得出模拟的回音信号。然后接收信号中减去这个自适应滤波器模拟出来的回音信号，实现回音抵消。

自适应滤波器的架构如图2。图中所示的滤波器的输入是x(n)={x(n),x(x-1),?x(n-N+1)}T，滤波器的权系数是h(n)={h1(n)，h2(n)，?hN (n)}T，d(n)为期望输出信号，d^(n)为滤波器的实际输出，也称估计值。e(n)为误差，e(n)=d(n)-d^(n)。由误差经过自适应算法，来调整滤波系数，使得滤波实际输出接近期望输出的信号。

在实际的电视中的应用原理框图见图3。图中f(n)代表来自远方的语音信号;r1(n)为f(n)从扬声器出来，经过不同的回声通道所产生的回声集合，并被阵列式麦克风收音;s(n)为本地用户说话的语音信号;r(n)为自适应滤波器对f(n)进行了预处理，估算f(n)信号所产生的回音，其动态估算值为r(n)。那么通过计算，本地用户所传送出去的声音信号应该为u(n)=y(n)-r(n)=s(n)+r1(n)-r(n)。在理想的状态下，如果自适应滤波器所产生的回声估算值r(n)等于实际的回声集合r1(n)，即r1(n)-r(n)=0，那么回声将被刚好完全消除。

由于用户的使用环境差异非常大，单独靠自适应滤波器内部的算法，动态修改滤波器的权系数，很难使得输出的r(n)=r1(n)。所以如果自适应滤波器在DSP内部动态修正权系数的同时，把电视机使用的环境因素考虑进去，充分分析回声的通道的各种情况，结合“内外”的因素，来动态修正滤波器的权系数，这样将会使得r(n)更加接近于实际的r1(n)，从而更地的消除回声。带有内部校准信号的系统框图如图4。

其中最主要是增加了一个内部校准单元，内部存储有一些特定的音频测试信号Fn。人声所包括的频率主要从300~3400Hz之间，所以内部的测试信号Fn从这个频率区间进行取样即可，如Fn=300Hz、400Hz、500Hz等等，以此类推。其逻辑思路见图5。

举例说明：当用户发现在聊天过程中回声较大，可以人为通过遥控器的按键或者键控板上的按键等方式来发出校准指令。此时，内部校准单元会逐一发出相关的测试信号Fn，测试信号通过主信道，通过功放，从扬声器发出声音，声音再通过不同的回声通道，被阵列式麦克风拾取，回送到内部校准单元。由于测试信号为固有的信号，内部校准单元可以准确对比测试信号和回声之间的差异，考虑与环境相关的回声因素，产生新校正因子γ。

校正因子γ送到自适应滤波器，让自适应滤波器修正滤波器的权系数，这个权系数可以说在一定程度上考虑了外部的环境对回声的影响因素，所以自适应滤波器所产生的r(n)将更加接近r1(n)，从而可以更好的消除回声。

小结

可以预见，聊天功能将会成为未来电视机的主要功能之一，而在电视机中应用阵列式麦克风，可以摆脱对传统形式麦克风的依赖，给用户带来较好的体验感受;而加强对回声的消除处理，是阵列式麦克风得以在电视机上广泛应用的保证。