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,。

　　其中，H（z）傳遞函數(shù)用來表示回聲通道的特性,。NLMS自適應(yīng)濾波器就是要盡快地調(diào)整自己的系數(shù),，使其沖擊響應(yīng)盡量逼近H（z）的沖擊響應(yīng)，這樣才能使誤差信號e（n）逼近0,。具體的實現(xiàn)過程如下,。

　　自適應(yīng)濾波器的輸出由式（1）給出：

　　其中：N是NLMS自適應(yīng)濾波器的階數(shù)。BT＝〔b0,，b1Λ,，bN－1〕是濾波器的系數(shù)矢量。-1）,，Λ,，y（n－N＋1）〕是濾波器n時刻的輸入信號矢量。

　　由于前面已經(jīng)假設(shè)為遠端說話模式,，故,，近端語音信號x（n）為0。誤差信號e（n）可由式（2）給出：

　　其中：μ為步長因子,，是一個常數(shù),，由試驗來確定，μ的選取至關(guān)重要,，為了確保收斂,，必須滿足0＜μ＜2。μ取值過大,，雖然可以加快自適應(yīng)濾波器的收斂速度,，但是誤差信號e（n）也會大，μ取值過小,，則使收斂速度變慢,。e（n）由式（2）計算。P（n）是n時刻輸入信號矢量yn的短時平均功率，,。

　　4　語音檢測器

　　語音檢測器在整個回聲消除系統(tǒng)中也占據(jù)非常重要的地位,，這是因為不同的語音模式自適應(yīng)濾波器所要求執(zhí)行的功能是不相同的，下面分別說明,。

　　4．1　遠端說話檢測器

　　當近端用戶不說話而只有遠端用戶說話的時候，就是遠端說話模式,。式（4）用于檢測遠端說話模式,。

　　代表遠端信號和近端信號的較短窗功率估計值。是閥值常量,，要由實驗來確定,，取得太大或者太小都會導(dǎo)致檢測錯誤。

　　如果檢測出為遠端說話模式,，那么,，應(yīng)該通過圖1中的NLMS控制器同時打開NLMS自適應(yīng)濾波器的濾波功能和系數(shù)更新功能。

　　4．2　雙端說話檢測器

　　當近端用戶和遠端用戶同時說話的時候,，就是雙端說話模式,。式（5）用于檢測雙端說話模式。

　　表誤差信號和近端信號的短窗功率估計值,。C是系數(shù)常量,，C＝10ERLE／10，一般ERLE取為8dB,。D是閥值常量,，要由實驗來確定，取得太大或者太小都會導(dǎo)致檢測錯誤,，影響濾波效果,。

　　如果檢測出為雙端說話模式，則要凍結(jié)FIR濾波器的系數(shù)更新功能,，只需要完成濾波功能,，即只要計算濾波器輸出r（n）的值。

　　4．3　近端說話檢測器

　　當只有近端用戶說話而遠端用戶不說話的時候,，就是近端說話模式,。式（6）用于檢測近端說話模式。

　　表近端信號短窗功率估計值和長窗功率估計值,。NES　MARGIN是閥值常量,，要由實驗來確定。

　　如果檢測出為近端說話模式,，那么,，應(yīng)該通過圖1中的NLMS控制器同時凍結(jié)NLMS自適應(yīng)濾波器的濾波功能和系數(shù)更新功能。

　　5　粗略時延估計器

　　由于遠端信號y（n）通過回聲通道要經(jīng)過編碼、打包和壓縮的處理,，會花費大量的時間,，這就必然會產(chǎn)生延時。而且這種延時還是在一定范圍內(nèi)隨機波動的,，這就增加了估計的難度,，要想準確地計算出延時的大小是不可能的，只能是一個粗略的估計值,，故稱為粗略時

　　延估計器,。可以按照式（7）和式（8）來估計延時值：

　　首先按照式（7）計算從近端傳到遠端的聲學信號和誤差信號的互相關(guān)函數(shù),，然后從中選出絕對值最大者,，作為延時的估計參數(shù)。

　　6　DSP芯片簡介及關(guān)鍵代碼介紹

　　本文選擇TI公司的DSPTMS320C5402為硬件平臺來實現(xiàn)回聲消除,，TMS320C54x是一款低功耗,、高性能的定點數(shù)字信號處理器，運行速度可達到100MIPS,。有兩個40位累加器A,、B，192K字可尋址空間（64K字的程序存儲器,、64K字數(shù)據(jù)存儲器及64K字I／O空間）,。采用8總線增強型哈佛結(jié)構(gòu)，多級流水線操作,，專用的硬件乘法器,，DSP的專用指令（如FIRS，LMS）,。

　　下面是用DSP實現(xiàn)回聲消除的NLMS算法的關(guān)鍵代碼：

　　編程的時候,，為了提高程序的運行效率，要充分利用DSP芯片的優(yōu)點,。要盡量使用指令周期少的尋址方式,，如直接尋址、雙操作數(shù)尋址,。在設(shè)計濾波器的數(shù)據(jù)和系數(shù)緩沖區(qū)的時候采用循環(huán)尋址,，這樣可以避免大批數(shù)據(jù)的搬移，節(jié)省指令周期,，如果開辟一個長度為L的緩沖區(qū),，必須保證其首址最低位至少有N個0，N是滿足2N＞R的最小整數(shù),。還要多采用如ST‖MPY等并行指令,，多采用DSP的專用指令,，如LMS、FIRS,。

　　7　結(jié)束語

　　回聲消除技術(shù)在IP電話中占有非常重要的地位,，本文介紹了用NLMS算法設(shè)計回聲消除器，還涉及到語音檢測和時延估計,，以及如何在DSP上實現(xiàn),。下面給出63階的NLMS自適應(yīng)濾波器的系數(shù)更新結(jié)果，為了方便起見,，把回聲通道H（z）等效成一個63階的FIR濾波器,，其沖擊響應(yīng)如圖3所示，并假設(shè)近端語音信號x（n）為0,，不考慮延時，一段時間后NLMS濾波器的沖擊響應(yīng)見圖4,。圖4所示是收斂后的NLMS自適應(yīng)濾波器系數(shù),。由圖4可以看出，NLMS自適應(yīng)濾波器的收斂效果較好,。

　　經(jīng)過測試,，本文所述的回聲消除器用于VoIP電話中，可以比較明顯地改善語音的質(zhì)量,。