IP電話回聲消除器的設(shè)計及其DSP實現(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)濾波器實現(xiàn)，包括語音模式檢測器和粗略時延估計器。最后以TI公司的TMS320C5402 DSP芯片為平臺，實現(xiàn)了該回聲消除器，還對關(guān)鍵代碼進行了分析。
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來傳輸語音數(shù)據(jù)，使得價格大大降低，從而取得了長足的發(fā)展。但是IP電話也存在一些弊端，比如語言質(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)延時和算法延時，這主要是由于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸特點以及語音編解碼耗時較大導(dǎo)致的，總延時長達100ms。根據(jù)經(jīng)驗，如果語音的延時超過了50ms，那么，人耳就可以鑒別出自己的回聲，顯然，IP電話系統(tǒng)的回聲是非常嚴重的，鑒于此，國際電聯(lián)（ITU）也相應(yīng)地制定了回聲消除的國際規(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，整個回聲消除系統(tǒng)分成三個部分：NLMS自適應(yīng)濾波器、語音檢測器和粗略時延估計器。其中，語音檢測器又分為三個部分：近端說話檢測器、遠端說話檢測器和雙端說話檢測器。
　　圖1中，A、B端代表遠端用戶，C、D端代表近端用戶，y（n）代表時刻n來自遠端的語音采樣值。y（n）經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)到達近端用戶的揚聲器端，由于從揚聲器出來的聲音信號經(jīng)過空氣形成的回聲通道H（z）又會被近端的話筒拾取，這部分回聲信號echo（n）會混同近端用戶的語音信號一起進入近端的話筒，也就形成近端的聲學(xué)信號r（n），r（n）再通過互聯(lián)網(wǎng)，向遠端用戶的揚聲器傳輸。如果不采取回聲消除措施，只要遠端信號y（n）通過互聯(lián)網(wǎng)傳回遠端揚聲器的時間超過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echo（n）會被遠端用戶分辨出來，結(jié)果就使得遠端用戶聽到了自己的聲音，會大大降低通話的質(zhì)量，這是用戶所不能容忍的。所以，必須采取消除回聲的措施。
　　完成回聲消除的一個很重要的模塊就是自適應(yīng)濾波器，本文采用NLMS算法進行自適應(yīng)濾波。當遠端信號y（n）到達近端之后，先把這個信號“復(fù)制”一份，放到存儲器中，結(jié)合誤差信號，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)過自適應(yīng)濾波器后的輸出盡量逼近回聲信號echo（n），這樣，當近端的語音信號x（n）＝0的時候，從B端輸出的誤差信號e（n）也就接近0，從而達到了回聲消除的目的。
　　當然，在NLMS自適應(yīng)濾波器進行濾波和系數(shù)更新之前，必須檢測語音模式是近端說話模式、遠端說話模式、還是雙端說話模式，因為不同的說話模式NLMS自適應(yīng)濾波器所執(zhí)行的功能是不完全相同的。另外，由于遠端信號y（n）被自適應(yīng)濾波器“復(fù)制”到存儲器中的時刻t1和y（n）經(jīng)過回聲通道H（z），進入近端話筒并作相應(yīng)的處理的時刻t2是不相同的，t2要大于t1，這主要是語音數(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y（n）和傳回遠端的信號r（n）保持對應(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，最好在存儲器中延時一段時間，這樣才能保證達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，這里先考慮遠端說話模式，即近端語音信號x（n）為0。為了簡單起見，把圖1中的NLMS自適應(yīng)濾波器部分單獨抽出來，簡化成圖2。圖2所示是NLMS自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖。

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