基于CX20707 SPoC在安防楼宇对讲中的回声消除设计

刘坛春

（RTI科技中国有限公司 福建 厦门 361009）

在安防楼宇对讲[1]中，语音通话质量一直是困扰设计工程师的一个难题，主要是回声消除的设计。

1 相关技术和研究现状

楼宇对讲里的回声消除技术，目前采用的方法主要有两种：

1）采用运算放大器将喇叭音频输出信号反相后叠加在麦克风输入信号里面，进行简单的抵消，但弊端是无法解决多路径延迟的问题，而且只能半双工通话；

2）利用微处理器 MCU（Micro Controller Unit）的资源运行回声抵消算法来进行回声消除，但是回声抵消算法参差不齐，影响回声消除的质量，另外抵消多路径回声的算法一般比较复杂，需要占用MCU大量的资源，进而影响系统其它进程运行，降低整个系统的效率。

笔者采用某公司的新一代CX20707专用回声消除芯片用于回声消除，在文中给出了相应的设计，并在实际项目中应用，取得了良好的效果。

2 回声来源

2.1 声学回声（Acoustic Echo）

声学回声是指扬声器播放出来的声音被麦克风拾取后发回远端，这就使得远端谈话者能听到自己的声音。声学回声又分为直接回声和间接回声：

1）直接回声是指扬声器播放出来的声音未经任何反射直接进入麦克风。这种回声延迟最短，它与远端说话者的语音能量，扬声器与话筒之间的距离、角度、扬声器的播放音量以及话筒的拾取灵敏度等因素相关。

2）间接回声是指扬声器播放的声音经不同的路径一次或多次反射后进入麦克风所产生的回声集合。因为周围物体的变动，例如人的走动等，都会改变回声的返回路径，所以这种回声的特点是多路径、时变的。

2.2 线路回声（Line Echo）

在楼宇对讲中，为了减少传输的线路对数，经常进行四线转换为二线进行远距离传输[2]。这2-4线转换的电路，由于电路存在不完全匹配的问题，会有一部分的信号被反射回来，形成了回声，这是线路回声。

3 CX20707 SPoC在安防楼宇对讲中的回声消除设计

3.1 CX20707 SPoC介绍

CX20707是美国科胜讯Conexant为嵌入式音频和语音应用推出的系列音频芯片Speakers-on-a-Chip（SPoC）之一。高度集成的 CX20707 SPoC内置了集成的音频/语音数字信号处理器（DSP）、多位编解码器（Codec）、I2S 数字音频接口，I2C/SPI、UART通讯口，高精度的24 bit的数字模拟转换器（DAC）和 24 bit模拟数字转换器（ADC），多个数字、模拟输入/输出接口及灵活的路由控制，集成32欧无需电容耳机驱动以及功率可达2.5 W class-D音频功放[3]。芯片接口框图如图1所示。

图1 CX20707接口框图Fig.1 CX20707 interface diagram

CX20707内部的DSP采用Conexant自有专利技术的语音处理算法和音频传输技术[4]，自适应的滤波器算法，显著改善了音频和语音质量。关键音频技术如下：

1）子带声学回声压缩和消除；

2）远端（Far end）带内语音降噪和近端（Near end）带外语音降噪；

3）子带线路回声消除；

4）动态响度调节；

5）Mic自动增益控制；

6）数字均衡器（Digital Equalizer）；

7）动态压缩范围（Dynamic Range Compression）。

3.2 CX20707 SPoC在模拟楼宇对讲中的回声消除设计

在模拟楼宇对讲系统里，线路上面传输的语音信号是模拟的语音信号，CX20707 SPoC可以用于本地麦克风输入语音信号的声学回声消除，以及2/4线转换不完全匹配引起的线路回声消除。系统应用框图如图2所示。

系统设计上，CX20707支持麦克风的直接输入，并集成2.5W class-D音频功放，可直接驱动喇叭，MCU可通过I2C总线配置和管理CX20707。CX20707支持模拟信号输入和可以驱动600 Ω负载的线路输出，经过2/4线路转换电路，用双绞线就可以和远端的对讲设备互联通话，外围电路简单。

3.2.1 在模拟楼宇对讲中的CX20707线路输入信号路由

通过I2C可以把CX20707线路输入信号路由[5]配置如图3所示。

图2 CX20707在模拟楼宇对讲系统中的应用框图Fig.2 CX20707 application in analog building intercom system diagram

图3 模拟线路输入信号路由框图Fig.3 Analog line in signal routing diagram

主要模块介绍如下：

1） LEC （Line Echo Cancellation）

线路回声消除，可以设置线路回声消除启始、过程增益，全双工对讲增益，远端高低音门槛值。

2） Inb NR （Inbound Noise Reduction）

带内噪声抑制，将远端过来的音频带内固定噪声抑制。当Line in用于播放固定频率的铃声时，需要将Inb NR功能关闭，否则会被误判为固定频率的噪声而被滤除。

3）Equalizer

均衡器，可以分别调节12个子频带，每个子频带都可以分别设置不同的滤波器类型，如低阻、高阻、带通、低通、高通滤波器，每个子频带独立增益控制，中心频率点或者截止频率点设置，滤波器Q值设置。由于实际楼宇对讲产品模具里麦克风和喇叭腔体设计各异，如果出现有些频率点频响特性不符合设计要求时，可以用该均衡器进行很好地修正。

3.2.2 在模拟楼宇对讲中的CX20707麦克风输入信号路由

通过I2C可以把CX20707麦克风输入信号路由[5]配置如下，如图4所示。

图4 麦克风输入信号路由框图Fig.4 Microphone input signal routing diagram

主要模块介绍如下：

1） AEC （Acoustic Echo Canceller）声学回声消除，可控制AEC调整的速度，设置回声的高、低门槛值，调整回声在线路上面的延迟时间。

2）BF（Beam Forming）波束成形，该算法可以使麦克风阵列的噪声抑制能力提高，增强语音效果。

3）NR（Noise Reduction）降噪，该算法可以很好的降低噪声，提高语音质量。

4）EQ（Equalizer）均衡器，可以分别调节12个子频带，每个子频带可独立控制增益。

5） AGC （Automatic Gain Control）自动增益控制，该功能可以让麦克风的输入信号稳定在一定的输入水平。参数可以设置AGC启动门槛值，递增、递减的步进值，调整的速率，最大门限值防止信号饱和失真。

3.3 CX20707 SPoC在数字楼宇对讲中的回声消除设计

在数字楼宇对讲系统里，语音信号最后都需要MCU打包成为以太网数据包通过网络传输。CX20707 SPoC可以用于本地麦克风输入语音信号的声学回声消除。

系统设计上，CX20707支持麦克风的直接输入，并集成了2.5 W class-D音频功放，可以直接驱动喇叭，内部集成了CODEC，可以直接用I2S（Inter-IC Sound）数字音频接口和MCU进行音频通信，外围电路简单。MCU通过I2C总线配置和管理CX20707，通过媒体独立接口MII（Media Independent Interface）和以太网的物理层收发器PHY（Port Physical Layer）互联，PHY通过变压器 （Transformer）电气隔离后和交换器（Switch）互联，不同的对讲设备最后都通过以太网交换器互相对接。系统应用框图如图5所示。

通过I2C将CX20707的内部音频输入信号路由配置如图6所示，数字音频输出信号路由配置如图7所示。音频流处理与模拟楼宇对讲中相似，在此不再赘述。

图5 CX20707在数字楼宇对讲系统中的应用框图Fig.5 CX20707 application in digital building intercom system diagram

图6 数字音频输入信号路由框图Fig.6 I2S input signal routing diagram

图7 数字音频输出信号路由框图Fig.7 I2S output signal routing diagram

3.4 系统通话传输特性测试

测试系统的通话传输特性[6]，系统可以双向全双工通话，语音清晰，无振鸣现象，主要技术指标测试值如下：应答通道和主呼通道的频率响应都在400～3 400 Hz范围内的典型曲线及其允差范围内；当激励声压为0 dBPa时，应答通道和主呼通道非线性失真都小于7%；应答通道信噪比不小于30 dB，主呼通道信噪比不小于35 dB；室内机手柄端的侧音掩蔽评定值不小于5 dB。

4 结束语

实践中基于CX20707 SPoC作为回声消除芯片研发的的模拟楼宇对讲、数字楼宇对讲门口机及室内分机等产品，其声学回声和线路回声都得到比较好的抑制，系统通话传输特性测试各项技术指标均满足公安部GA/T 72-2005楼寓对讲系统技术标准的测试要求，值得在楼宇对讲系统中应用和推广。

[1]勒秀凤.安防行业现状、未来和可持续发展[J].中国安防产品信息，2001（6）：1-2.

LE Xiu-feng.Security industry status，the future and the sustainabledevelopment[J].ChinaSecurityProductInformation，2001（6）:1-2.

[2]马鸿雁，李惠昇.智能住宅小区[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]Conexant.DSH-202387C.CX20707 speakers-on-a-chip with on-chip voice/audio DSP，integrated I2S codec， and mono class-D amplifier data sheet[S].New York:Conexant Systems，Inc，2010.

[4]ITU-T.G.167/P.340 Transmission characteristics of hands-free telephones[S].Geneva:International telecommunication union，2004.

[5]Conexant.APN-6.CX20707 Toolbox User Mannual Rev.1.2[S].New York:Conexant Systems， Inc，2010.

[6]全国安全防范报警系统标准化技术委员会.GA/T72-2005.楼寓对讲系统及电控防盗门通用技术条件[S].北京：中华人民共和国公安部，2005.