免提通话功能已经成为大多数桌面电话以及免提车载套件的一项标准功能。免提电话的通信质量取决于所使用的技术，以及塑料外壳的设计。本文将讨论一些免提通信系统中采用的技术以及面临的设计挑战，重点讨论塑料外壳设计对免提电话性能的重要影响。

半双工和全双工通话模式

    根据实现免提功能所采用的不同技术，免提通信电话的话音质量和性能会出现很大差别。最简单且仍然是最普遍采用的方法是半双工算法，即在同一通话时间只允许一方讲话，而将另一方切断。在半双工方式中，只有音量最大的一方能够被对方听到。

    半双工方式需要不断根据音量大小来改变送话方，因此这种方式会导致通话中断。尽管半双工算法性能欠佳，但它能够允许采用质量较低的塑料外壳设计。由于在任何特定时间，通话都只能在单个方向上进行，该算法可以掩盖塑料外壳带来的缺点，例如失真、过强的回声和塑料外壳振动引起的噪声。

    对于免提电话生产商来说，一个重要的性能目标是让话音通信更自然。要实现这一目标的唯一途径就是采用全双工算法。全双工算法不仅可以消除回声，还支持通话双方同时说话。虽然全双工算法提供了一种无需切断任何一方说话的更自然的通话方式，但对于回声路径上的衰减却更为敏感。全双工算法的性能取决于回声信号的线性度。音频路径中存在的非线性信号会降低话音质量。

    大部分免提电话生产商面临的最大挑战是如何将目前的半双工设计转换为更高级的全双工工作模式。在考虑免提电话总体性能时，生产商经常会忽略塑料外壳设计的影响。塑料外壳设计的回声损耗和非线性特征(或失真)是影响声学回声消除功能的两个主要因素。

回声路径中的增益问题

    回声信号是指麦克风从扬声器捕获的被反射的音频信号。反射信号包括麦克风与扬声器之间直接声学耦合而产生的回声(即麦克风直接从扬声器捕获的音频信号)，以及由房间内的各种表面反射而产生的回声。免提电话设计工程师的目标就是要尽量减小回声，而通过塑料外壳设计可以部分实现这一目标。但即使精心设计塑料外壳，也不可能完全消除回声，因此需要借助声学回声消除器(AEC)。为获得最佳通话性能，需利用AEC来尽量减小回声信号。

    图1显示了AEC周围不同的增益分布情况。扬声器和麦克风增益衰减器(gain pad)会影响整个回声路径。扬声器和麦克风放大增益都是必需的，但必须设置在适当的水平，才能获得较好的回声消除效果。为优化性能，所选择的AEC必须能够在不丧失冻结自适应功能(可连续跟踪回声路径中的信号变化)或无需利用开关衰减性能(不会退回到半双工模式)的情况下，最大限度地消除声学回声。

图1： 采用了声学回声消除器的免提通信系统的组成元件。

    目前提供的许多商用器件能够在不影响通话性能的情况下消除0dB或6dB的回声(如图1中从Rout至Sin这一段)。设计工程师需要保证回声信号电平(Sin端)比扬声器音频信号(Rin端)的高出值，不会超过该器件的回声(0dB或6dB)。扬声器驱动增益、麦克风增益以及声学耦合共同决定了回声的大小。为达到最佳免提通话效果，必须在扬声器音量大小和麦克风灵敏度之间找到一个平衡点，同时还要维持最大为0dB至6dB的声学回声路径增益。

    扬声器增益和麦克风增益都影响到扬声器的音量，并且需要仔细调整才能保证麦克风信号足够满足声学回声消除功能的要求。具体来说，这些增益应当设置为系统允许的最小值，而所有其它增益则应当在回声路径以外处理。最大音量应当根据Rout的最大信号(非平均值)来设定，而麦克风增益应当采用最大输入信号(非平均值)来设定。如果这些设置值不能提供足够大的扬声器音量或麦克风灵敏度，那么应当通过网络上的增益来补偿回声路径增益。例如，如果音频回声需要降低6dB来满足AEC的要求，那么可以将麦克风增益降低6dB并将网络发送端增益提高6dB(使总体增益为0dB)。

    值得注意的是，在一次呼叫进行期间，回声路径中的扬声器驱动增益和麦克风增益不能动态改变。否则将导致AEC察觉到回声路径的突变并触发一次重聚合过程，从而产生远端通话者能听到明显回声。任何扬声器的动态音量控制必须在网络接收端增益模块中完成。

扬声器和麦克风的选择和布局

    通过尽量增大扬声器和麦克风之间的声学隔离可进一步提高性能。图2显示的是一款针对桌面免提电话的扬声器/麦克风推荐布局。扬声器和麦克风应当放置在塑料外壳的不同侧。此外，麦克风与扬声器应当相互垂直。这样就能够把塑料外壳外的声学耦合量降到最低。同时，扬声器应当封装在一个独立的声腔内，以减小塑料外壳内的声学耦合效应。通过在扬声器腔和塑料外壳其余部分之间使用隔音板或其它固体隔离物，都可以实现这一目标。

图2：针对桌面免提电话的麦克风和扬声器布局。

    回声路径中的失真是导致声学回声消除效果不佳的主要原因之一。一旦回声信号恶化，AEC就无法对回声路径建模并消除回声。引起失真的因素很多，包括麦克风和扬声器失真、扬声器和麦克风的放大设计以及塑料外壳设计。

    为获得高质量的免提通话效果，扬声器的选择非常重要。扬声器的质量级别通常以最大音量时10%总谐波失真(THD)的失真率来表示。对于高质量的AEC来说，THD应当小于2%。通常情况下，2% THD出现在大约是最大功率一半的时候。如果系统设计需要采用功率为1W的扬声器驱动器，那么应当选择2W或更高功率的扬声器。

    对于大多数应用中使用的驻极体麦克风来说，一般没有什么大问题，因为在整个工作范围内其固有的线性度非常不错。由于全向麦克风通常线性度比单向麦克风更好，因此一般应选用全向麦克风。

扬声器驱动器和麦克风放大器的设计

    与选择扬声器和麦克风一样，在设计扬声器驱动器和麦克风放大器时也必须仔细考虑。当麦克风或扬声器放大器电路出现饱和时，会导致整个系统的饱和，在噪音较大的环境(例如免提车载套件和工业应用)中，这是非常严重的问题。

    在车载免提通话套件中，导致麦克风饱和的最常见原因是风带来的噪声。在麦克风上放置海绵片可以阻挡直接气流，从而大大减少这种情况的发生。如果室内的声压对于麦克风来说太大(这种情况很少发生)，那么可以选择声压级别比额定声压更低的麦克风。

    麦克风放大器电路十分容易控制。如果麦克风没有达到饱和，但模拟数字转换器(ADC)的输入过载，那么必须减小放大器增益。值得注意的是，降低麦克风在噪声环境中的增益，也会降低其在较安静环境中的动态范围。通常，动态范围越大，音频质量就越高。由于在较安静的环境中，音频质量的好坏显而易见，因此音频质量的下降同样也很容易察觉到。

    麦克风放大器电路中的标准自动增益控制(AGC)电路不能用来对不同信号电平进行补偿。因为AGC位于回声路径中，每当AGC改变增益都会导致回声路径的突变，从而出现一段相当长的重会聚时间。如果可能的话，应采用能够改变模拟增益和更新AEC算法的高级AGC器件，从而能在各种噪声环境下都获得最大的动态范围。

    扬声器驱动器中的消波(clipping)作用也会严重影响AEC性能。在使用中这种状况十分明显，并且可由用户根据情况做出相应调整。而不太容易注意到的是驱动器达到消波时的非线性效应。设计工程师必须注意保证扬声器驱动器能够以小于2%的THD为扬声器提供所需功率。只有这样才能保证扬声器和驱动器都工作在线性范围内。如果扬声器的尺寸和功率是固定的，但又确实需要更大的音量，那么可以使用具有非线性回声控制功能的AEC来补偿扬声器中的非线性效应。

1.非线性回声控制

    扬声器设计中使用的塑料通常是根据美观和质地等因素来选择的，而较少考虑电气特性。因此，有时很难在保证AEC性能所需的适当THD水平(低于2%)下实现期望的音量。在这种情况下，采用支持非线性回声控制的AEC将更合适一些。非线性回声控制会检查线性回声消除器残留的回声，并与频域的参考信号进行比较，然后从回声信号中减去估算出的频率成份。由此可以看到，尽管双方同时通话时的性能有了很大改善，但总体性能仍然依赖于THD(THD越低，性能越高)。

2.塑料外壳设计

    塑料外壳的设计可增强或减轻声学系统的失真。设计目标是尽量减轻塑料的振动以及麦克风从其它噪声源(例如机械开关)捕获的振动噪声。

3.麦克风位置

    为尽量减小振动耦合，麦克风应当置于没有空气间隙的橡胶圈内。麦克风不应与电路板(用电线与线路板连接)或塑料外壳直接接触。同时，麦克风不应置于塑料外壳的接缝处。

    同时还必须注意确保任何活动部件(如听筒、键盘、键钩)不会产生能够被麦克风捕获到的额外失真。通过采用软橡胶键盘或触摸屏软键可以实现这一点。

4.扬声器位置

    设计工程师不仅需要仔细考虑扬声器的位置，还要确保扬声器被正确地安装在塑料外壳内。此外，尽量减小塑料外壳内的振动非常重要。应使用能够吸收振动的材料(例如软硅胶或海绵胶)将扬声器固定在塑料外壳上。应当在塑料外壳和扬声器之间，以及扬声器安装垫和扬声器之间使用此类减振材料(见图3)。

图3：安装扬声器时，可在塑料外壳和扬声器之间，以及扬声器安装垫和扬声器之间使用减振材料。

    对于许多针对半双工算法设计的塑料外壳来说，只要在扬声器和外壳以及安装垫之间放一块低成本的橡胶垫就可以大大增强塑料的声学性能。

5.均衡器

    当必须使用现有设计不佳的塑料外壳时，可以通过在扬声器路径中使用均衡器来进行补偿。例如，图4显示了一个桌面电话的总谐波失真(THD)与频率关系图。结果数据表明，由于扬声器在低频时频率响应不好，因此造成低频频段失真严重。同时在频率约420Hz、820Hz及1400Hz处也存在谐振频率。这些失真点都使得回声消除器的总体性能下降。

图4：桌面免提电话的总谐波失真与频率关系图。

    为解决这一问题，可以使用一个均衡器来对信号进行预处理，在信号到达扬声器前将谐振效应降到最低。一个大小合适，带有定位谱线的均衡器能够对特定频率的信号进行衰减，并削弱谐振峰。这样可能会给扬声器带来少量失真。但这种失真在通话时通常察觉不到，并且这也是在采用原有塑料外壳设计和总体AEC性能之间进行的合理折衷。

6.AEC调整指南

    在调整AEC时，必须在扬声器音量和麦克风灵敏度之间进行适当的折衷。系统设计和塑料外壳设计越好，折衷时的灵活性就越大(反之亦然)。在开始AEC调整前，系统设计人员首先必须确定对于最终用户来说什么是最重要的：是扬声器音量还是麦克风灵敏度。一旦目标确定，就可以按照以下步骤调整AEC：

1) 设定麦克风灵敏度，并确保根据目标环境对设置进行调整。麦克风增益应当设置为能在输入信号不会被消波的情况下提供最大的动态范围。
2) 将用户增益设为0dB，并缓慢提高模拟扬声器驱动器的增益直到AEC无法完成回声消除。
3) 如果扬声器音量太低，则给麦克风放大器增加6dB衰减量，并在Sout路径中加入6dB增益作为补偿。请记住，必须调整NLP阈值来补偿这些增益设置。
4) 将扬声器增益提高6dB。如果扬声器音量仍然不足够大，那么重复步骤 3(仅将增益/衰减值改为9dB)。对于小于9dB的增益/衰减设置，都可以使用这一方法。
5) 一旦达到期望的扬声器音量，就可以通过调节Sout增益来调整麦克风灵敏度。
6) 如果除了峰值以外，AEC对于大多数信号都工作正常，那么可能是扬声器或扬声器驱动器引起了某些失真。这可以通过限制Rout电平来解决。一个16位编解码器的最大PCM值为7FFFh。将这一值减小至3FFFh，则送往扬声器的输出信号将不出现峰值，并且由扬声器和扬声器驱动器引起的失真也会减轻。

本文小结

    虽然语音处理算法决定了声学回声消除器的性能，但回声和失真两大因素对于AEC的最终性能也有很大影响。要使AEC工作正常，必须尽量减小这两个因素的影响。

    塑料外壳设计对于AEC的性能起到非常重要的作用。塑料外壳通过产生高级声学耦合来消除回声。通过仔细选择扬声器和麦克风的位置，并增加隔音板或采用隔离的扬声器腔，可以减小声学耦合。

    通过塑料外壳传导的振动也会引起失真。采用软垫来安装扬声器和麦克风可以减轻振动，同时还有可能改善针对半双工算法而设计的塑料外壳的声学性能。在扬声器/麦克风以及塑料外壳之间增加减振材料，设计工程师就可以采用全双工算法来设计。

    导致AEC性能下降的另一个原因是选择了不合适的扬声器和扬声器驱动器。扬声器/驱动器的谐波失真必须小于2%，才能确保获得良好的AEC性能。