免提车载套件的设计考虑

市场对更高质量车载免提语音系统的需求正不断增长。许多政府已经通过或正在考虑立法，以禁止在驾驶过程中使用手持式移动电话。此外，汽车制造商也在响应消费者对更高性能的车载通信与音响系统的需求。然而，移动车辆却为移动语音通信技术造就了一个不利的环境。特别是，回声和非常嘈杂的路面与汽车噪声相耦合，降低了通话的声音质量。为了提升免提车载套件的性能，设计者必须找到一种解决方案能够消除回声、降低背景噪声和通过全双工操作增强对讲性能。

免提通信需求

早期的免提车载套件解决方案只在有限的市场获得了应用。主要原因是目前市场上许多免提车载套件采用的都是最初为扬声器电话开发的技术，无法支持高质量的语音通信。这些免提车载套件的语音质量会比蜂窝语音电话还要糟得多。一般来说，在这类免提车载套件设计中，对低成本的需求胜过对性能的需求。例如，低端的车载套件将只支持半双工操作，这意味着某个时刻只能有一个人说话。不过，这种状况正在改变。随着全世界政府立法的实施，驾驶员若想在移动车辆中通信，将必须安装免提车载套件。这样，消费者将需要更佳性能的免提通信技术。

尽管蓝牙耳机在免提通信市场掀起了一些风浪，但免提车载套件可以提供一些更重要的性能和更好的安全性。高性能车载免提套件将提供比蓝牙耳机方案更好的语音质量。就安全性和易用性而言，免提车载套件用户几乎不需要做什么动作就可以接听电话。相比之下，使用蓝牙耳机则需要寻找耳机并将其放在正确位置，才能接听电话。

声学回声源

在车内，有两个声学回声源——扬声器和话筒之间的直接声学耦合，引起语音信号在车厢里回响。声学回声主要来自直接声耦合，这在话筒直接从扬声器拾取语音信号时产生。这种情况在车内环境中通常会变得更大，这是因为免提车载套件的音量要设得较高，以克服来自发动机和路面的噪声。

声学回声的第二个来源是间接耦合或车厢反射。音频信号在车厢里的各个表面上反射。回声的强度取决于车内使用材料的类型。越坚硬的表面反射越多的音频，而越柔软的表面则吸收越多的回声。例如，汽车座椅将吸收较多回声，而车窗则反射较多回声。进一步复杂化的是，由车内反射造成的回声还会被延迟。回声延迟量将随车厢的尺寸和使用的材料而异。图1显示了直接声学耦合和车厢反射回声。

噪声源

无论是由车辆产生还是由环境产生的噪声，对于免提车载套件来说，要成功消除它们都是很大的挑战。需要特别注意的是，这些噪声的大小在不停地变化。车内最重要的噪声源包括：

发动机噪声汽车运行时产生的发动机噪声可以恶化通信系统的语音质量性能。当汽车加速时发动机噪声达到其峰值水平，在跑车快速加速期间这一点更为显著。



图1：直接耦合和车厢回响是车内声学回声的两大来源

路面噪声轮胎和路面之间的磨擦产生噪声。噪声的强度取决于轮胎胎面、路面材料以及季节。例如，夏季轮胎比冬季轮胎安静，沥青路面比混凝土路面安静。

风噪声空气流过汽车并撞击突出部位，例如后视镜或车顶货架，或者行驶时开窗而产生风噪声。风噪声因不同车辆而不同。例如，圆滑外形的跑车比SUV的风噪声要小。风噪声还受汽车制造商安装的隔音材料多少的限制。高端豪华汽车比较低成本的小型汽车具有更好的隔音性能。另外，开窗行驶还会在车身内外之间造成较大的压差。

可以使用噪声抑制算法降低风噪声、路面噪声和发动机噪声对通信系统声音质量的影响。对于具有高声压的风噪声，例如当车速超过100公里/小时且车窗打开时，模拟前端电路将会饱和，从而造成语音信号削波。信号削波还将同时降低回声对消(AEC)和总噪声抑制电路的总体性能。



图2：使免提车载通信系统设计面临挑战的噪声源

解决此问题有两个选择：第一个选择是针对最坏情况设计输入电路，并将话筒增益设置为输入信号永远不会被削波的水平。不过这将引起模数转换器的动态范围缩小，信噪比恶化，从而使AEC的总体性能恶化。AEC性能的恶化在嘈杂环境中是可以接受的，因为残余回声被背景噪声淹没了。但在安静环境下，残余声学回声显得较为显著，使得恶化的性能无法接受。例如，如果音频路径上是车内噪声和比其高30dB的信号，设计者可以将输入增益衰减30dB以抵消噪声。但是，当汽车停车和噪声源消失时，SNR将比实际需要高出30dB。过高的SNR将降低声学回声对消的性能。

设置为高增益的另一个问题，是通话期间话音电平的变化。通常说话时，我们会根据噪声状况调节我们的话音高低。而在车厢里，如果针对最坏情况噪声状况进行设计，虽然当车内噪声较大时可以获得良好性能，但在噪声较小时性能却下降。

理想的解决方案是根据环境动态地改变话筒增益。如果系统采用一个简单的模拟增益控制器，来检测并控制话筒增益，将等同于控制回声路径上的变化，并将迫使AEC重新收敛。

汽车噪声通常为低频。许多免提车载套件使用高通滤波器来滤除汽车噪声。高通滤波器可以滤除大部分噪声，但会影响语音质量。为达到高性能，必须将算法设计成能够区分语音和噪声信号，并将噪声从总信号中滤除。良好的噪声抑制算法应该在滤除噪声和保持语音信号完整性之间达到平衡。

为达到所需的性能，系统设计者必须对话筒输入信号(Sin)采用自动增益控制(AGC)。该AGC避免了信号削波，同时保持了由用户确定的总增益设置。对话筒输入采用模拟自动控制增益(由数字信号处理器控制)并采用对陡峭回声路径变化进行补偿的算法(通常会导致重新收敛)将避免信号被削波。

该方法可以使ADC在各种环境条件下具有最大动态范围。可让通话者以正常声音说话，而不管车内的噪声状况如何。