基于VoIP自適應(yīng)回音抵消方案的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

1、陳德軍，左偉武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，武漢（430070）E-mail：摘 要：IP電話有眾多的優(yōu)勢(shì)，但在回音抵消算法上有待進(jìn)一步的提高。本文考察了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的研究情況，在已有的回音抵消算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)回音抵消器的方案，改進(jìn)了其中的雙端語音檢測(cè)算法，并給出了測(cè)試的結(jié)果。關(guān)鍵詞：VoIP，自適應(yīng)，回音抵消，雙端語音檢測(cè)中圖法分類號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1. 引 言20世紀(jì)60年代后，以自適應(yīng)理論為先導(dǎo)DSP技術(shù)為基礎(chǔ)的回聲抵消器的廣泛應(yīng)用，使人們有可能以較低廉的成本享受到真正的全雙工無回聲的通訊服務(wù)。國外對(duì)回聲抵消算法的研究己經(jīng)有40多年的歷史。美國Bell實(shí)驗(yàn)室的S

2、on-dhiM于1967年首先提出了自適應(yīng)回聲抵消技術(shù)。之后,回聲抵消技術(shù)得到了較快的發(fā)展；目前己經(jīng)提出多種自適應(yīng)回聲抵消方法，如基于歸一化最小均方誤差（NLMS）算法和基于子帶歸一化最小均方誤差(SNLMS)算法等。近年來,國內(nèi)的清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、華南理工大學(xué)、大連理工大學(xué)等學(xué)校開展了這方面的研究，并且已有若干成果接近世界先進(jìn)水平1。但在VoIP技術(shù)上，回音抵消算法還是不那么令人滿意。本文在傳統(tǒng)的回聲抵消算法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)算法中的雙端通話檢測(cè)算法，使回聲困擾的問題得到了很好的解決，具體實(shí)現(xiàn)方法將在后面的章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的研究、分析。2. 系統(tǒng)介紹2. 1 系統(tǒng)總體架構(gòu)功能完備的回音抵消器不

3、僅應(yīng)具備最基本的線路回音抵消功能，還應(yīng)具有聽覺回音的抵消、噪聲補(bǔ)償、噪聲抑制以及產(chǎn)生舒適噪聲等話音質(zhì)量增強(qiáng)功能2。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，本人研究了本算法的實(shí)現(xiàn)過程，其軟件流程圖如下圖1所示。2. 2 系統(tǒng)分析回音抵消算法軟件流程圖的具體分析如下3：（1）系統(tǒng)開始運(yùn)行回聲抵消算法時(shí)，首先需要將回聲濾波抵消器復(fù)位，復(fù)位所作的工作包括清除緩沖區(qū)、設(shè)置幀的結(jié)束地址、設(shè)置回波抵消的存儲(chǔ)文件路徑等。這樣避免了上一次濾波對(duì)本次濾波的影響。1本課題得到中國博士后科學(xué)基金會(huì)第三十七批中國博士后科學(xué)基金（2005037192）資助。- 1 -（2）在復(fù)位濾波器以后，系統(tǒng)需要獲取回聲濾波延遲時(shí)間，以便在雙向通話檢

4、測(cè)改進(jìn)算使用。這個(gè)延遲時(shí)間是這樣產(chǎn)生的：部分遠(yuǎn)端信號(hào)直接穿過混合線圈后成為回聲，這樣兩者之間就不存在延遲。然而在本算法中，由于數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的輸出和數(shù)字音頻信號(hào)的輸入都是周期進(jìn)行的，在數(shù)字音頻輸出和數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間需要一個(gè)輸出緩沖區(qū)暫存等待數(shù)模轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，而在模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字音頻輸入之間需要一個(gè)輸入緩沖區(qū)暫存模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，這樣就造成了一個(gè)延時(shí)，所以本算法中要計(jì)算這個(gè)延遲時(shí)間。（3）當(dāng)輸入為本地采集的音頻數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)的幅度判斷沖激信號(hào)的返回時(shí)間，這個(gè)返回時(shí)間就是延遲時(shí)間，根據(jù)這個(gè)延遲時(shí)間參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)當(dāng)前幀本地采樣音頻的遠(yuǎn)端音頻信號(hào)，并且把和本幀回聲抵消有關(guān)的遠(yuǎn)端音頻信號(hào)從環(huán)形緩沖區(qū)中拷

5、貝到片內(nèi)緩沖區(qū)中。（4）進(jìn)行了上述算法運(yùn)算之后，系統(tǒng)對(duì)拷貝到片內(nèi)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回聲消除算法NLMS處理。這個(gè)算法能夠使本地采集的音頻數(shù)據(jù)中的回聲大大降低。（5）音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過NLMS算法處理之后，先要進(jìn)行計(jì)算功率估計(jì)，然后計(jì)算出步長(zhǎng)。當(dāng)計(jì)算出來的功率小于50dB時(shí)，需要凍結(jié)濾波器系數(shù)，即停止濾波器的運(yùn)行；否則計(jì)算出功率估計(jì)的倒數(shù)保存到存儲(chǔ)器中。這個(gè)過程就叫做步長(zhǎng)計(jì)算。（6）在存在近端語音時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重干擾濾波器系數(shù)的更新，使濾波器系數(shù)立刻變的毫無意義，這造成的后果將會(huì)是非常嚴(yán)重的，如果這樣的話用戶就會(huì)聽到很明顯的回聲了。因此，必須經(jīng)過雙向通話檢測(cè)算法進(jìn)行處理。該算法采用改進(jìn)的雙向通話檢測(cè)算法，

6、這在前面的章節(jié)中已經(jīng)做了深入研究。經(jīng)過雙向通話檢測(cè)算法后，回音將會(huì)被很大大減少，正常情況下人耳就聽不到從對(duì)方傳過來回聲了，達(dá)到了正常通話的標(biāo)準(zhǔn)。- 2 -3. 1 回音抵消算法的研究與改進(jìn)基于 GEIGEL 的雙端語音檢測(cè)算法DTD（Double Talk Detector）計(jì)算量小，判決方式簡(jiǎn)單，誤判率較高4。本文研究了這樣一種線路回聲抵消器，采用一種基于塊的算法，改進(jìn)了以往線路回聲抵消器中雙端語音檢測(cè)算法，可以大大改善回音的困擾。該算法的思想如下：語音信號(hào)經(jīng)過一系列的處理之后，再對(duì)其進(jìn)行Geigel近端語音檢測(cè)算法處理，接著進(jìn)行雙向通話檢測(cè)算法的運(yùn)算，根據(jù)在該算法中我們定義的一個(gè)變量計(jì)算出

7、來的值，來判斷是否需要更新濾波器系數(shù)，經(jīng)過這樣的優(yōu)化處理之后，從而能夠進(jìn)一步很好的濾除回聲。具體來說，在該算法中有個(gè)非常重要的參數(shù)X，我們根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況為其設(shè)定閾值Xp，當(dāng)這個(gè)參數(shù)X大于設(shè)定的閾值Xp時(shí)，凍結(jié)濾波器系數(shù)；當(dāng)X小于設(shè)定的閾值Xp時(shí)，恢復(fù)濾波器系統(tǒng)，并更新該系數(shù)。其中X是遠(yuǎn)端音頻功率、預(yù)測(cè)誤差功率和預(yù)測(cè)回聲信號(hào)的功率經(jīng)過一定的運(yùn)算得到的值，且每隔若干個(gè)采樣周期（一般是一幀）計(jì)算一次，Xp是對(duì)語音信號(hào)去除噪音的一個(gè)臨界點(diǎn)。也就是當(dāng)X大于設(shè)定的閾值Xp時(shí)，不對(duì)傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行濾波；當(dāng)X小于設(shè)定的閾值Xp時(shí)，才啟用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波?，F(xiàn)在這個(gè)參數(shù)X，我們稱其為濾波器平衡因子。對(duì)其做

8、如下的定義：濾波器平衡因子X=pyPy2+Pp2Pe2 (3-1)其中Py、Pe和Pp 分別是每一幀的遠(yuǎn)端音頻功率，預(yù)測(cè)誤差功率和預(yù)測(cè)回聲信號(hào)的功率。為修正因子，需要根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行調(diào)整，一般取1左右。濾波器因子X值每隔若干個(gè)采樣周期（一幀）計(jì)算一次。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，取在0.931.1之間時(shí)，所得到的效果比較好，本項(xiàng)目開發(fā)中取1。在既沒有近端語音也沒有遠(yuǎn)端語音時(shí)，濾波器平衡因子X值在1附近波動(dòng)。當(dāng)存在近端語音時(shí)，由于近端語音導(dǎo)致預(yù)測(cè)誤差功率Pe增加，濾波器平衡因子X會(huì)快速上升到很大的數(shù)值；只有在只存在遠(yuǎn)端語音時(shí)，由于濾波器系數(shù)的收斂使預(yù)測(cè)誤差迅速減小，濾波器平衡因子X值會(huì)減小并且趨于

9、0。3. 2 濾波器系數(shù)保存與恢復(fù)濾波器系數(shù)的保存與恢復(fù)是一個(gè)重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)5。在只存在遠(yuǎn)端語音時(shí)，由于濾波器系數(shù)收斂使預(yù)測(cè)誤差趨于減小，濾波器平衡因子X的值會(huì)逐漸減小并且趨于0。所以濾波器平衡因子X的值可以用來衡量濾波器系數(shù)和實(shí)際回聲路徑傳輸函數(shù)的接近程度。如果濾波器平衡因子X的值越小，濾波器系數(shù)會(huì)更加地接近于真實(shí)的回聲路徑。但如果當(dāng)濾波器平衡因子X的值小于閾值Xp時(shí)，系統(tǒng)將此時(shí)的濾波器系數(shù)保存到一個(gè)設(shè)定好了的緩沖區(qū)中；如果濾波器平衡因子X的值增加到最大閾值Xh，并且濾波器系數(shù)處于被凍結(jié)凍結(jié)的狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)從緩沖區(qū)中將備份的濾波器系數(shù)還原給濾波器系數(shù)。通過這樣的處理之后，一般情況下，可以使

10、濾波器系數(shù)始終保持得比較精確。- 3 -程序的流程圖如下圖2所示。下面對(duì)本段改進(jìn)的算法的實(shí)現(xiàn)做簡(jiǎn)要的敘述：（1）先根據(jù)前面章節(jié)中提到的核心算法的研究與改進(jìn)中所定義的計(jì)算公式，計(jì)算出濾波器平衡因子的值，這個(gè)值每幀都需要計(jì)算一次，這個(gè)計(jì)算的結(jié)果將直接影響到濾波器平衡因子的判斷，造成檢測(cè)結(jié)果的失敗，使算法不能很好的濾出回聲。（2）檢測(cè)出濾波器平衡因子X后，根據(jù)算法的核心思想，需要將這個(gè)平衡因子與最大閥值Xh比較，如果比這個(gè)閥值大，就說明LMS濾波器的系數(shù)可能發(fā)散了。這時(shí)需要檢測(cè)一下LMS濾波器的系數(shù)是否發(fā)散，如果這個(gè)系數(shù)發(fā)散了，需要從之前備份的LMS濾波器中恢復(fù)這個(gè)系數(shù)；如果這個(gè)系數(shù)沒有發(fā)散的話，需

11、要設(shè)置凍結(jié)凍結(jié)濾波器的幀數(shù)。（3）設(shè)置濾波器的凍結(jié)幀數(shù)以后，每次運(yùn)行此算法的時(shí)候，就檢測(cè)濾波器被凍結(jié)有沒有達(dá)到指定的幀數(shù)，如果沒有達(dá)到，則直接退出此算法的處理；如果濾波器已經(jīng)達(dá)到了凍結(jié)的幀數(shù)，此時(shí)濾波器平衡因子可能減少了很多，這個(gè)時(shí)候再判斷濾波器平衡因子有沒有減少到可以承受的值Xp，如果小于這個(gè)可承受的值，則備份LMS濾波器系數(shù)，以便恢復(fù)這個(gè)系數(shù)，使該算法始終能夠在比較理想的情況下工作。- 4 -5. 1 測(cè)試結(jié)果圖3 原始回音信號(hào) 圖4 延遲NLMS算法處理圖圖5 Geigel算法處理圖 圖6 雙向通話檢測(cè)算法處理圖5. 2 結(jié)果分析由上述結(jié)果看到，原始回音信號(hào)是個(gè)雜亂無章的信號(hào)，對(duì)通話會(huì)造

12、成很大的影響；經(jīng)過NLMS算法處理后，得到了一定的收斂效果，由途中可以收斂時(shí)間約為230ms；再將上述處理的結(jié)果經(jīng)過Geigel算法處理，并經(jīng)過提高其魯棒性的方法處理之后，收斂時(shí)間也減少了很多，從圖中可以看到時(shí)間約為167ms，但是仍然會(huì)對(duì)通話效果造成比較大的影響；最后，經(jīng)過本文提出的雙向通話檢測(cè)算法處理后，收斂時(shí)間大大減少，約為32ms，并且回聲信號(hào)的幅度有很大的減少，使通話效果得到極大的提高，完全滿足了實(shí)際系統(tǒng)的需求。- 5 -1 王宏志,丁寧. 自適應(yīng)聲回聲抵消器J. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006,Pp145-1452 陳永. 聲學(xué)回波抵消自適應(yīng)算法的研究D. 東南大學(xué)碩士

13、學(xué)位論文, 2006, Pp1-103 李耀明. 通信系統(tǒng)中的回聲抵消算法研究D. 中北大學(xué), 2005: Pp10-224 TMS320LC549 Fixed-point Digital Signal Processor Data ManualC, Texas Instruments. 20005 Technical Manual ZSP400 Digital Signal Processor ArchitectureC LSI Logic December 2001The design and Improvement of Adaptive SoundEcho-counteracted D

14、eviceChen De-jun，Zuo WeiSchool of Information And Engineering，WuHan University of Technology，Wu Han (430070)E-mail：AbstractAlthough the IP telephone has the multitudinous superiority, some technical need to be improved urgently. This article inspected in the domain correlated in domestic and foreign at this moment, in the foundation of existent echo counterba