摘  要： 在對語音通話中回聲產生的機理進行分析的基礎上, 研究了回聲消除的原理。介紹了FM2010芯片的主要技術特點，并通過設計電路，結合QQ軟件進行實驗，運用FM2010芯片實現了回聲的消除。實驗結果證明了設計的實用性。
關鍵詞： FM2010；回聲產生機理；回聲消除

    目前，QQ視頻、語音通信已經成為既省錢又方便的交流方式，但是，利用因特網傳輸語音數據雖然提高了資源的利用率，同時也存在一些弊端，比如語音質量差。造成這種問題的因素有很多，其中最主要的是網絡問題和回聲問題。在正常的通話過程中通常伴有回聲，由于回聲的存在，使得對方聽音不清晰，影響通話質量[1]。
    參考文獻[2]介紹了一種歸一化快速塊最小均方算法(NFBLMS)，相比LMS算法,它不僅可以有效減小運算復雜度,同時也能改善收斂速度。參考文獻[3]運用了一種新的回聲控制系統，該系統結合了非線性諧波處理的線性回聲消除，獲得了很好的回聲消除效果及收斂效果。參考文獻[4]提出了一種全極IIR回聲消除器，該回聲消除器可以應用傳統的LMS算法，并得到很好的效果。
1 回聲產生的原理及主要的消除方法
1.1 回聲產生的基本原理
    回聲一般可分成電路回聲和聲學回聲。電路回聲主要由提供商的線路質量所致，而聲學回聲則是由用戶端設備的質量所致。
1.1.1 電路回聲
    在傳統電話系統中，存在著一種所謂的“電路回聲”。該回聲產生的主要原因是在系統中存在2-4線的轉換。完成2-4轉換的混合器因阻抗匹配，造成“泄漏”，從而導致“電路回聲”。
1.1.2 聲學回聲
    因特網語音傳輸中的第二種回聲源是“聲學回聲”。聲學回聲是指揚聲器播放出來的聲音被麥克風拾取后發回遠端，這就使得遠端談話者能聽到自己的聲音。聲學回聲又分為直接回聲和間接回聲。
    直接回聲是指揚聲器播放出來的聲音未經任何反射直接進入麥克風。這種回聲延遲最短，它與遠端說話者的語音能量，揚聲器與話筒之間的距離、角度、揚聲器的播放音量以及話筒的拾取靈敏度等因素相關。
    間接回聲是指揚聲器播放的聲音經不同的路徑一次或多次反射后進入麥克風所產生的回聲集合。
    由于電路回聲主要由供應商的線路質量所致，其消除也通常由供應商解決，故本文主要解決聲學回聲的消除方式。
1.2 回聲消除方法
    回聲消除的原理：假設需要消除房間 A所能聽到的回聲，把房間A 發送回路的聲音送入采樣器進行采樣，采樣后這個樣值被送到回聲抑制模型電路進行回聲抑制模型建立，再把這個回聲抑制的模型送入接收回聲的回聲比較器進行比較，最終達到抑制回聲的目的。
    常用的回聲消除方法有以下幾種：
    (1)本端回聲消除器(以CISCO系統內置回聲消除器為代表)：回聲消除電路內置在本端通信終端設備上，為本地會場消除遠端回聲影響。
    (2)異端回聲消除器(以ClearOne的回聲消除器為代表)：本地的回聲消除電路是用來消除對端的回聲。
    (3)分布式回聲消除：分布式回聲消除是美國Clear-
One公司獨有的專利技術，有別于單路回聲消除，它在XAP系列產品的每一路麥克輸入都內置了回聲消除器，可以更有效、更徹底地消除回聲。
2 FM2010簡介及回聲消除裝置設計
    FM2010是Fortemedia公司推出的一款小引腳低功耗的回音消除器和噪音抑制器。
2.1 FM2010特性及回聲消除原理
    FM2010 是集合CODECs、ROM、RAM以及串口的基于DSP技術的芯片。利用創新的SAM(小型陣列麥克風)技術與波束形成能力，其功率消耗僅為25 mW。圓錐形波束形成特性可以在保持用以提高清晰度的聲音質量和增加聲音的可辨識度的同時對噪音進行壓制。FM2010的回音消除可達60 dB，非平穩噪音抑制可達20 dB，平穩噪音抑制為18 dB。每個模擬通道都是8 kHz的采樣率和84 dB的信噪比。為了進一步減少能耗，FM2010使用特定的硬件加速器來降低MIPS的需求以達到25 mW的損耗，并附帶了硬件加速器的聲音處理器[5]。
    FM2010使用的是自適應回聲抵消原理, 聲學回聲抵消器的實質就是用一個自適應橫向濾波器對未知的回聲授通道進行系統辨識，模擬回聲路徑，再通過自適應濾波算法的調整，使其時域沖激響應與實際回聲路徑相逼近，從而得到回聲預測信號，再將預測信號從麥克風接收到的語音信號中減去，即可實現回聲抵消。其原理即為分布式回聲消除方式。具體來說就是FM2010芯片的MIC IN是麥克風進入的信號, 即用戶的聲音輸人信號, 其中包含由本機揚聲器漏進去的部分主話端的語音信號。Line IN接入的是主話端的語音信號, 即由本機揚聲器輸出的信號直接接入FM2010的Line IN輸入端。在FM2010內部會經過DSP芯片的運算處理對兩者進行比較，消除MIC IN信號中與Line IN端相同的信號（即回聲音頻信號），使用自適應回聲抵消原理達到消除回聲的目的[6]。
2.2 硬件電路及PCB板設計
    圖1為宏觀硬件架構圖(原理圖)。如圖所示，FM2010配有E2PROM。E2PROM的主要作用是存儲初始化信息，保存并傳遞回音消除的參數。圖中FM2010芯片為回聲消除的主要工作芯片(芯片未接腳為懸空)，并配以相應的電源電路，以及麥克風的接口電路，從而整體完成消除回聲的功能。

2.3 軟件程序的設計
    圖2所示為軟件架構示意圖。FM2010回音消除的軟件開發需要的幾個步驟為：

    (1)給回音消除芯片上電，并對芯片及E2PROM進行初始化；
    (2)等待初始化完成；
    (3)接收通話信息并進行存儲；
    (4)將通話信息寫入回音消除芯片內并進行處理。
    需要指出的是，對FM2010進行初始化時，要按其規格說明書定義的上電時序進行，否則可能會導致在錄音時會有時斷時續的情況發生。即在初始化FM2010時，PWD high的狀態必須要在RESET high狀態之前設定，兩者之間相差5ms。在此，給出對FM2010的初始化程序：
  
3 回聲消除測試及效果
    在實驗中，本文使用了當前十分流行通用的語言聊天軟件——騰訊QQ進行語音視頻通信，在保證網絡狀態的前提下，本文通過電腦與本文中設計的電路板相連，如圖3所示（圖中FM2010代表本文中設計的電路板整體電路，并非僅是芯片本身）。測試時，在進行通話過程中同時播放音樂，通過測試，可分別在開啟本設計電路板和未開啟本設計電路板的條件下，得到處理前和處理后的實驗效果。在未啟用本電路板時，如果通話過程中有背景音的存在，會導致通話效果受到明顯的影響，而啟用本電路板之后，通話過程中背景音已被消除，通話效果得到明顯改善。

    在對背景音的抑制試驗之后，本文又對回聲的抑制進行了試驗。在試驗時，選擇在雨天進行（因為雨天時網絡狀況不穩定，易產生回聲），通過QQ聊天工具進行試驗（在試驗時使耳機和話筒距離較近，這樣可以進一步驗證本設計的性能）后得到處理前和處理后的效果。
    通過試驗可以清楚地看到，經過本設計處理后的通話效果得到明顯的提高，大部分的回音被明顯地抑制，有效地剔除了回聲對通話的影響，即本設計對回聲的抑制有明顯作用。
    本文在分析視頻語音通話中回聲產生的基礎之上，具體研究了回聲消除的原理，并介紹了幾種常用的回聲消除方法。其后根據FM2010芯片的特點，設計了回聲消除的軟硬件方法。通過在QQ視頻語音交流中的應用，驗證了其對回聲的有效消除。此外，本設計已應用于南京某軍區養老院，并取得了良好效果。
參考文獻
[1] 肖尚輝，黃邦菊.一種簡化的自適應回聲抵消算法及其應用分析[J].通信技術，2009，43(2)：133-135.
[2] 開躍春，金濤，賈宏志.IP會議電話回聲消除器的設計及仿真[J].計算機仿真，2010，27(1)：322-325.
[3] YASUKAWA H，FURUKAWA I，ISHIYAMA Y.Acoustic echo control for high quality audio teleconferencing[J]. IEEE，1989(2).
[4] Chen W Y.An all pole IIR echo canceller.IEEE.1990.3.
[5] Fortemedia Corporation. FM 2010 Preliminary Datasheet.vl[M]，2006.
[6] 鄭宇，王波.基于FM2010和WINCE平臺的回音消除驅動設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2008，8(4)：37-40.