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VoIP技術(shù)之回聲消除技術(shù)

2004/09/24

　　“在PBX或局用交換機(jī)側(cè)，有少量電能未被充分轉(zhuǎn)換而且沿原路返回，形成回聲。如果打電話者離PBX或交換機(jī)不遠(yuǎn)，回聲返回很快，人耳聽不出來，這種情況下無關(guān)緊要。但是當(dāng)回聲返回時間超過10ms時，人耳就可聽到明顯的回聲了。為了防止回聲，一般需要回聲消除技術(shù)，在處理器中有特殊的軟件代碼監(jiān)聽回聲信號，并將它從聽話人的語音信號中消除。對于IP電話設(shè)備，回聲消除技術(shù)是十分重要的，因為一般IP網(wǎng)絡(luò)的時延很容易就達(dá)到40～50ms。 ”

一、 因特網(wǎng)語音通信中回聲的特點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)電話相比，因特網(wǎng)上進(jìn)行語音的實時傳輸，有其致命的弱點(diǎn)，那就是語音質(zhì)量較差，影響因特網(wǎng)語音質(zhì)量的因素是多方面的，最關(guān)鍵的因素之一是回聲的影響。因此，要提高因特網(wǎng)的語音質(zhì)量，就必須在因特網(wǎng)的語音傳輸過程中進(jìn)行消回聲的處理，也就是說，IP電話網(wǎng)關(guān)作為因特網(wǎng)的語音接入設(shè)備，幾須具有回聲的消除功能。由于因特網(wǎng)的語音傳輸是采用分組交換技術(shù)實現(xiàn)的一種全新的電信業(yè)務(wù)，傳送的語音信號要經(jīng)過編碼、壓縮、打包等一系列處理，這不僅造成回聲路徑的延遲較大，而且延遲抖動也較大。因此，在因特網(wǎng)的語音傳輸過程中，回聲問題顯得尤其突出，并具有如下特點(diǎn)。

　　1、 回聲源復(fù)雜

　　在傳統(tǒng)電話系統(tǒng)中，存在著一種所謂的"電路回?fù)?。該回聲產(chǎn)生的主要原回是在系統(tǒng)中存在2-4線的轉(zhuǎn)換。完成2-4轉(zhuǎn)換的混合器因阻抗匹配，造成"泄漏"，從而導(dǎo)致了"電路回聲"。從因特網(wǎng)IP電話網(wǎng)關(guān)的連接方式可以看出，IP電話網(wǎng)關(guān)一端連接PSTN，另一端連接因特網(wǎng)。

　　盡管電路回聲產(chǎn)生于PSTN中，但同樣會傳至于IP電話網(wǎng)關(guān)，是因特網(wǎng)語音傳輸中的回聲源之一，因特網(wǎng)語音傳輸中的第二種回聲源是所謂的"聲學(xué)回聲"。聲學(xué)回聲是指揚(yáng)聲器播放出來的聲音被麥克風(fēng)拾取后發(fā)回遠(yuǎn)端，這就使得遠(yuǎn)端談話者能聽到自己的聲音。聲學(xué)回聲又分為直接回聲和間接回聲。直接回聲是指揚(yáng)聲器播放出來的聲音未經(jīng)任何反射直接進(jìn)入麥克風(fēng)。這種回聲延遲最短，它與遠(yuǎn)端說話者的語音能量，揚(yáng)聲器與話筒之間的距離、角度、揚(yáng)聲器的播放音量以及話筒的拾取靈敏度等因素相關(guān)。間接回聲是指揚(yáng)聲器播放的聲音經(jīng)不同的路徑一次或多次反射后進(jìn)入麥克風(fēng)所產(chǎn)生的回聲集合。因為周圍物體的變動，例如人的走動等，都會改變回聲的返回路徑，因為這種回聲的特點(diǎn)是多路徑、時變的。另外，背景噪聲也是產(chǎn)生回聲的因素之一。

　　2、 回聲路徑的延遲大

　　在因特網(wǎng)中的語音傳輸中，延遲來源有三種：壓縮延遲、分組傳輸延遲和處理延遲。語音壓縮延遲是產(chǎn)生回聲的主要延遲，例如在G.723.1標(biāo)準(zhǔn)中，壓縮一幀（30ms）的最大延遲是37.5ms。分組傳輸延遲也是一個很重要的來源，測試表明，端到端的最大傳輸延遲可達(dá)250ms以上。處理延遲是指語音包的封裝時延及其緩沖時延等。

　　3、 回聲路徑的延遲抖動大

　　在因特網(wǎng)的語音傳輸過程中，由于回聲路徑、語音壓縮時延、分組傳輸路由等存在諸多不確定因素，而且波動范圍較大，一般在20~50ms之間。

二、 聲學(xué)回聲消除器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)算法

　　隨著消回聲技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前回聲消除研究的重點(diǎn)，已由"電路回聲"的消除，轉(zhuǎn)向了"聲學(xué)回聲"。

　　(1) 周圍環(huán)境的處理

　　分析聲學(xué)回聲的產(chǎn)生的機(jī)理，可以知道：聲學(xué)回聲最簡單的控制方法是改善揚(yáng)聲器的周圍環(huán)境，盡量減少揚(yáng)聲器播放聲音的反射。例如，可以在周圍的墻壁上附加一層吸音材料，或增加一層襯墊以增加散射，理想的周圍環(huán)境是其回響時間或RT-60（聲音衰減60dB所需要的時間）在300ms~600ms之間。因為這樣的環(huán)境一方面可以控制反射，又可以不會使講話者感到不適。改善環(huán)境可以有效地抑制間接聲學(xué)回聲，但對直接聲學(xué)回聲卻無能為力。

　 （2）回聲抑制器 回聲抑制器是使用較早的一種回聲控制方法�；芈曇种破魇且环N非線性的回聲消除。它通過簡單的比較器將接收到準(zhǔn)備由揚(yáng)聲器播放的聲音與當(dāng)前話筒拾取的聲音的電平進(jìn)行比較。如果前者高于某個閾值，那么就允許傳至揚(yáng)聲器，而且話筒被關(guān)閉，以阻止它拾取揚(yáng)聲器播放的聲音而引起遠(yuǎn)端回聲。如果話筒拾取的聲音電平高于某全閾值，揚(yáng)聲器被禁止，以達(dá)到消除回聲的目的。 由于回聲抑制是一種非線性的回聲控制方法，會引起揚(yáng)聲器播放的不連續(xù)。影響回聲消除的效果，隨著高性能的回聲消除器的出現(xiàn)，回聲抑制器已很少人使用了。

　 （3）聲學(xué)回聲消除器 聲學(xué)回聲消除的另一方法是使用聲學(xué)回聲消除器（AEC：Acoustic Echo Chancellor）,AEC是對揚(yáng)聲器信號與由它產(chǎn)生的多路徑回聲的相關(guān)性為基礎(chǔ)，建立遠(yuǎn)端信號的語音模型，利用它對回聲進(jìn)行估計，并不斷地修改濾波器的系數(shù)，使得估計值更加逼近真實的回聲。然后，將回聲估計值從話筒的輸入信號中減去，從而達(dá)到消除回聲的目的，AEC還將話筒的輸入與揚(yáng)聲器過去的值相比較，從而消除延長延遲的多次反射的聲學(xué)回聲。根椐存儲器存放的過去的揚(yáng)聲器的輸出值的多少，AEC可以消除各種延遲的回聲。

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