IP電話回聲消除器的設(shè)計(jì)及其DSP實(shí)現(xiàn)

介紹了一種用于IP電話中的自適應(yīng)回聲消除器，采用歸一化最小二乘（NLMS）自適應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)，包括語(yǔ)音模式檢測(cè)器和粗略時(shí)延估計(jì)器。最后以TI公司的TMS320C5402 DSP芯片為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了該回聲消除器，還對(duì)關(guān)鍵代碼進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：回聲消除，自適應(yīng)濾波，NLMS，DSP

1　在VoIP中采用回聲消除技術(shù)的必要性
　　與傳統(tǒng)的PSTN網(wǎng)絡(luò)采用電路交換技術(shù)不同，IP電話采用的是分組交換技術(shù)，充分利用Internet來(lái)傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)，使得價(jià)格大大降低，從而取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是IP電話也存在一些弊端，比如語(yǔ)言質(zhì)量比較差，導(dǎo)致這一弊端的因素很多，其中主要的因素就是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和算法延時(shí)，這主要是由于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)以及語(yǔ)音編解碼耗時(shí)較大導(dǎo)致的，總延時(shí)長(zhǎng)達(dá)100ms。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果語(yǔ)音的延時(shí)超過(guò)了50ms，那么，人耳就可以鑒別出自己的回聲，顯然，IP電話系統(tǒng)的回聲是非常嚴(yán)重的，鑒于此，國(guó)際電聯(lián)（ITU）也相應(yīng)地制定了回聲消除的國(guó)際規(guī)范，如G．165，G．168。
2　回聲消除器的結(jié)構(gòu)框圖和基本原理
圖1所示是VoIP回聲消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　從圖1可以看出，整個(gè)回聲消除系統(tǒng)分成三個(gè)部分：NLMS自適應(yīng)濾波器、語(yǔ)音檢測(cè)器和粗略時(shí)延估計(jì)器。其中，語(yǔ)音檢測(cè)器又分為三個(gè)部分：近端說(shuō)話檢測(cè)器、遠(yuǎn)端說(shuō)話檢測(cè)器和雙端說(shuō)話檢測(cè)器。
　　圖1中，A、B端代表遠(yuǎn)端用戶(hù)，C、D端代表近端用戶(hù)，y（n）代表時(shí)刻n來(lái)自遠(yuǎn)端的語(yǔ)音采樣值。y（n）經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)近端用戶(hù)的揚(yáng)聲器端，由于從揚(yáng)聲器出來(lái)的聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)空氣形成的回聲通道H（z）又會(huì)被近端的話筒拾取，這部分回聲信號(hào)echo（n）會(huì)混同近端用戶(hù)的語(yǔ)音信號(hào)一起進(jìn)入近端的話筒，也就形成近端的聲學(xué)信號(hào)r（n），r（n）再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，向遠(yuǎn)端用戶(hù)的揚(yáng)聲器傳輸。如果不采取回聲消除措施，只要遠(yuǎn)端信號(hào)y（n）通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳回遠(yuǎn)端揚(yáng)聲器的時(shí)間超過(guò)50ms（這是經(jīng)常出現(xiàn)的情況），那么，這部分被近端拾取的回聲信號(hào)echo（n）會(huì)被遠(yuǎn)端用戶(hù)分辨出來(lái)，結(jié)果就使得遠(yuǎn)端用戶(hù)聽(tīng)到了自己的聲音，會(huì)大大降低通話的質(zhì)量，這是用戶(hù)所不能容忍的。所以，必須采取消除回聲的措施。
　　完成回聲消除的一個(gè)很重要的模塊就是自適應(yīng)濾波器，本文采用NLMS算法進(jìn)行自適應(yīng)濾波。當(dāng)遠(yuǎn)端信號(hào)y（n）到達(dá)近端之后，先把這個(gè)信號(hào)“復(fù)制”一份，放到存儲(chǔ)器中，結(jié)合誤差信號(hào)，利用NLMS算法不斷調(diào)整自適應(yīng)濾波器的系數(shù)，使得y（n）經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波器后的輸出盡量逼近回聲信號(hào)echo（n），這樣，當(dāng)近端的語(yǔ)音信號(hào)x（n）＝0的時(shí)候，從B端輸出的誤差信號(hào)e（n）也就接近0，從而達(dá)到了回聲消除的目的。
　　當(dāng)然，在NLMS自適應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波和系數(shù)更新之前，必須檢測(cè)語(yǔ)音模式是近端說(shuō)話模式、遠(yuǎn)端說(shuō)話模式、還是雙端說(shuō)話模式，因?yàn)椴煌恼f(shuō)話模式NLMS自適應(yīng)濾波器所執(zhí)行的功能是不完全相同的。另外，由于遠(yuǎn)端信號(hào)y（n）被自適應(yīng)濾波器“復(fù)制”到存儲(chǔ)器中的時(shí)刻t1和y（n）經(jīng)過(guò)回聲通道H（z），進(jìn)入近端話筒并作相應(yīng)的處理的時(shí)刻t2是不相同的，t2要大于t1，這主要是語(yǔ)音數(shù)據(jù)編碼、打包和壓縮造成的。為了使得濾波器處理的信號(hào)y（n）和傳回遠(yuǎn)端的信號(hào)r（n）保持對(duì)應(yīng)，即echo（n）和y（n）保持高度的相關(guān)性，那么被自適應(yīng)濾波器“復(fù)制”的y（n）信號(hào)，最好在存儲(chǔ)器中延時(shí)一段時(shí)間，這樣才能保證達(dá)到回聲消除取得比較好的效果。
3　NLMS自適應(yīng)濾波器原理
　　為了討論方便，這里先考慮遠(yuǎn)端說(shuō)話模式，即近端語(yǔ)音信號(hào)x（n）為0。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，把圖1中的NLMS自適應(yīng)濾波器部分單獨(dú)抽出來(lái)，簡(jiǎn)化成圖2。圖2所示是NLMS自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖。

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