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(diǎn)以及語音編解碼耗時較大導(dǎo)致的,，總延時長達(dá)100ms。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),，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(yán)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(jì)器,。其中,，語音檢測器又分為三個部分：近端說話檢測器、遠(yuǎn)端說話檢測器和雙端說話檢測器,。

　　圖1中,，A、B端代表遠(yuǎn)端用戶,，C,、D端代表近端用戶，y（n）代表時刻n來自遠(yuǎn)端的語音采樣值,。y（n）經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)近端用戶的揚(yáng)聲器端,，由于從揚(yáng)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(jìn)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(yuǎn)端用戶的揚(yáng)聲器傳輸,。如果不采取回聲消除措施,，只要遠(yuǎn)端信號y（n）通過互聯(lián)網(wǎng)傳回遠(yuǎn)端揚(yáng)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(yuǎn)端用戶分辨出來，結(jié)果就使得遠(yuǎn)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(jìn)行自適應(yīng)濾波,。當(dāng)遠(yuǎn)端信號y（n）到達(dá)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(dāng)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(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，必須檢測語音模式是近端說話模式,、遠(yuǎn)端說話模式,、還是雙端說話模式，因?yàn)椴煌恼f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(jìn)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(yuǎn)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(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(dú)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(shí)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(yuǎn)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(yàn)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(jì)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?yàn)椴煌恼Z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(yuǎn)端說話檢測器

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

　　代表遠(yuǎn)端信號和近端信號的較短窗功率估計(jì)值,。是閥值常量,，要由實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(dāng)近端用戶和遠(yuǎn)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)算濾波器輸出r（n）的值,。

　　4．3　近端說話檢測器

　　當(dāng)只有近端用戶說話而遠(yuǎn)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(jì)值和長窗功率估計(jì)值,。NES　MARGIN是閥值常量，要由實(shí)驗(yàn)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(jì)器

　　由于遠(yuǎn)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(fèi)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(jī)波動的，這就增加了估計(jì)的難度,，要想準(zhǔn)確地計(jì)算出延時的大小是不可能的,，只能是一個粗略的估計(jì)值，故稱為粗略時

　　延估計(jì)器,?？梢园凑帐剑?）和式（8）來估計(jì)延時值：

　　首先按照式（7）計(jì)算從近端傳到遠(yuǎn)端的聲學(xué)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(jì)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(shí)現(xiàn)回聲消除，TMS320C54x是一款低功耗,、高性能的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器,，運(yùn)行速度可達(dá)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?jǐn)?shù)據(jù)存儲器及64K字I／O空間）,。采用8總線增強(qiáng)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(shí)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(yùn)行效率,，要充分利用DSP芯片的優(yōu)點(diǎn),。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(jì)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(jì)回聲消除器,，還涉及到語音檢測和時延估計(jì)，以及如何在DSP上實(shí)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,。