陣列式麥克風在電視上的應用

目前，陣列式麥克風的技術發展已經較為成熟，在人的語音收音距離要求不是很遠，而且空間不大，收音范圍較窄的情況下，陣列式麥克風已經被大量應用，如筆記本電腦、車載藍牙設備等等。同樣，陣列式麥克風也可以應用在電視機上，使得用戶可以無拘無束地與遠方的家人、朋友等進行聊天交流(圖1)。



當陣列式麥克風在電視機上應用時，需要更加遠的收音距離，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。因為電視機是家庭的娛樂中心，所以電視機的揚聲器音量輸出也許會比較大，而麥克風大部分都是設計在電視機上，遠端說話的聲音從揚聲器出來，很容易被麥克風重新拾取，再傳送到原說話者的那邊，嚴重一些的情況，還可能形成自激。

在電視聊天過程中，如果存在回聲，會導致說話的人感覺不舒服;而且語音疊加，導致語音不清晰，所以要盡量消除回聲。電視機的使用場合、環境各不相同，比如說揚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的因素，而且這些因素都為不可控，不可預估的因素。為了解決在電視機上應用陣列式麥克風，可能會產生的回聲問題，需要在系統內部設計自適應濾波器。自適應濾波器的基本思想是估計回音路徑的特征參數，產生一個模擬的回音路徑，得出模擬的回音信號。然后接收信號中減去這個自適應濾波器模擬出來的回音信號，實現回音抵消。

自適應濾波器的架構如圖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，濾波器的權系數是h(n)={h1(n)，h2(n)，?hN (n)}T，d(n)為期望輸出信號，d^(n)為濾波器的實際輸出，也稱估計值。e(n)為誤差，e(n)=d(n)-d^(n)。由誤差經過自適應算法，來調整濾波系數，使得濾波實際輸出接近期望輸出的信號。

在實際的電視中的應用原理框圖見圖3。圖中f(n)代表來自遠方的語音信號;r1(n)為f(n)從揚聲器出來，經過不同的回聲通道所產生的回聲集合，并被陣列式麥克風收音;s(n)為本地用戶說話的語音信號;r(n)為自適應濾波器對f(n)進行了預處理，估算f(n)信號所產生的回音，其動態估算值為r(n)。那么通過計算，本地用戶所傳送出去的聲音信號應該為u(n)=y(n)-r(n)=s(n)+r1(n)-r(n)。在理想的狀態下，如果自適應濾波器所產生的回聲估算值r(n)等于實際的回聲集合r1(n)，即r1(n)-r(n)=0，那么回聲將被剛好完全消除。

由于用戶的使用環境差異非常大，單獨靠自適應濾波器內部的算法，動態修改濾波器的權系數，很難使得輸出的r(n)=r1(n)。所以如果自適應濾波器在DSP內部動態修正權系數的同時，把電視機使用的環境因素考慮進去，充分分析回聲的通道的各種情況，結合“內外”的因素，來動態修正濾波器的權系數，這樣將會使得r(n)更加接近于實際的r1(n)，從而更地的消除回聲。帶有內部校準信號的系統框圖如圖4。

其中最主要是增加了一個內部校準單元，內部存儲有一些特定的音頻測試信號Fn。人聲所包括的頻率主要從300~3400Hz之間，所以內部的測試信號Fn從這個頻率區間進行取樣即可，如Fn=300Hz、400Hz、500Hz等等，以此類推。其邏輯思路見圖5。

舉例說明：當用戶發現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出校準指令。此時，內部校準單元會逐一發出相關的測試信號Fn，測試信號通過主信道，通過功放，從揚聲器發出聲音，聲音再通過不同的回聲通道，被陣列式麥克風拾取，回送到內部校準單元。由于測試信號為固有的信號，內部校準單元可以準確對比測試信號和回聲之間的差異，考慮與環境相關的回聲因素，產生新校正因子γ。

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

小結

可以預見，聊天功能將會成為未來電視機的主要功能之一，而在電視機中應用陣列式麥克風，可以擺脫對傳統形式麥克風的依賴，給用戶帶來較好的體驗感受;而加強對回聲的消除處理，是陣列式麥克風得以在電視機上廣泛應用的保證。?