基于VoIP自适应回音抵消方案的设计与改进

1、陈德军，左伟武汉理工大学信息工程学院，武汉（430070）E-mail：摘 要：IP电话有众多的优势，但在回音抵消算法上有待进一步的提高。本文考察了国内外相关领域内的研究情况，在已有的回音抵消算法的基础上，设计了自适应回音抵消器的方案，改进了其中的双端语音检测算法，并给出了测试的结果。关键词：VoIP，自适应，回音抵消，双端语音检测中图法分类号：TP273+.5 文献标识码：A1. 引 言20世纪60年代后，以自适应理论为先导DSP技术为基础的回声抵消器的广泛应用，使人们有可能以较低廉的成本享受到真正的全双工无回声的通讯服务。国外对回声抵消算法的研究己经有40多年的历史。美国Bell实验室的S

2、on-dhiM于1967年首先提出了自适应回声抵消技术。之后,回声抵消技术得到了较快的发展；目前己经提出多种自适应回声抵消方法，如基于归一化最小均方误差（NLMS）算法和基于子带归一化最小均方误差(SNLMS)算法等。近年来,国内的清华大学、北京邮电大学、华南理工大学、大连理工大学等学校开展了这方面的研究，并且已有若干成果接近世界先进水平1。但在VoIP技术上，回音抵消算法还是不那么令人满意。本文在传统的回声抵消算法的基础上，改进算法中的双端通话检测算法，使回声困扰的问题得到了很好的解决，具体实现方法将在后面的章节进行详细的研究、分析。2. 系统介绍2. 1 系统总体架构功能完备的回音抵消器不

3、仅应具备最基本的线路回音抵消功能，还应具有听觉回音的抵消、噪声补偿、噪声抑制以及产生舒适噪声等话音质量增强功能2。根据实际系统的实现方法，本人研究了本算法的实现过程，其软件流程图如下图1所示。2. 2 系统分析回音抵消算法软件流程图的具体分析如下3：（1）系统开始运行回声抵消算法时，首先需要将回声滤波抵消器复位，复位所作的工作包括清除缓冲区、设置帧的结束地址、设置回波抵消的存储文件路径等。这样避免了上一次滤波对本次滤波的影响。1本课题得到中国博士后科学基金会第三十七批中国博士后科学基金（2005037192）资助。- 1 -（2）在复位滤波器以后，系统需要获取回声滤波延迟时间，以便在双向通话检

4、测改进算使用。这个延迟时间是这样产生的：部分远端信号直接穿过混合线圈后成为回声，这样两者之间就不存在延迟。然而在本算法中，由于数字音频数据的输出和数字音频信号的输入都是周期进行的，在数字音频输出和数模转换器之间需要一个输出缓冲区暂存等待数模转换的数据，而在模数转换器和数字音频输入之间需要一个输入缓冲区暂存模数转换后的数据，这样就造成了一个延时，所以本算法中要计算这个延迟时间。（3）当输入为本地采集的音频数据时，根据每个采样点的幅度判断冲激信号的返回时间，这个返回时间就是延迟时间，根据这个延迟时间参数计算对应当前帧本地采样音频的远端音频信号，并且把和本帧回声抵消有关的远端音频信号从环形缓冲区中拷

5、贝到片内缓冲区中。（4）进行了上述算法运算之后，系统对拷贝到片内缓冲区中的数据进行回声消除算法NLMS处理。这个算法能够使本地采集的音频数据中的回声大大降低。（5）音频数据经过NLMS算法处理之后，先要进行计算功率估计，然后计算出步长。当计算出来的功率小于50dB时，需要冻结滤波器系数，即停止滤波器的运行；否则计算出功率估计的倒数保存到存储器中。这个过程就叫做步长计算。（6）在存在近端语音时，将会严重干扰滤波器系数的更新，使滤波器系数立刻变的毫无意义，这造成的后果将会是非常严重的，如果这样的话用户就会听到很明显的回声了。因此，必须经过双向通话检测算法进行处理。该算法采用改进的双向通话检测算法，

6、这在前面的章节中已经做了深入研究。经过双向通话检测算法后，回音将会被很大大减少，正常情况下人耳就听不到从对方传过来回声了，达到了正常通话的标准。- 2 -3. 1 回音抵消算法的研究与改进基于 GEIGEL 的双端语音检测算法DTD（Double Talk Detector）计算量小，判决方式简单，误判率较高4。本文研究了这样一种线路回声抵消器，采用一种基于块的算法，改进了以往线路回声抵消器中双端语音检测算法，可以大大改善回音的困扰。该算法的思想如下：语音信号经过一系列的处理之后，再对其进行Geigel近端语音检测算法处理，接着进行双向通话检测算法的运算，根据在该算法中我们定义的一个变量计算出

7、来的值，来判断是否需要更新滤波器系数，经过这样的优化处理之后，从而能够进一步很好的滤除回声。具体来说，在该算法中有个非常重要的参数X，我们根据实际调试情况为其设定阈值Xp，当这个参数X大于设定的阈值Xp时，冻结滤波器系数；当X小于设定的阈值Xp时，恢复滤波器系统，并更新该系数。其中X是远端音频功率、预测误差功率和预测回声信号的功率经过一定的运算得到的值，且每隔若干个采样周期（一般是一帧）计算一次，Xp是对语音信号去除噪音的一个临界点。也就是当X大于设定的阈值Xp时，不对传输过来的信号进行滤波；当X小于设定的阈值Xp时，才启用滤波器对信号进行滤波。现在这个参数X，我们称其为滤波器平衡因子。对其做

8、如下的定义：滤波器平衡因子X=pyPy2+Pp2Pe2 (3-1)其中Py、Pe和Pp 分别是每一帧的远端音频功率，预测误差功率和预测回声信号的功率。为修正因子，需要根据实际的情况进行调整，一般取1左右。滤波器因子X值每隔若干个采样周期（一帧）计算一次。根据实际项目开发的经验，取在0.931.1之间时，所得到的效果比较好，本项目开发中取1。在既没有近端语音也没有远端语音时，滤波器平衡因子X值在1附近波动。当存在近端语音时，由于近端语音导致预测误差功率Pe增加，滤波器平衡因子X会快速上升到很大的数值；只有在只存在远端语音时，由于滤波器系数的收敛使预测误差迅速减小，滤波器平衡因子X值会减小并且趋于

9、0。3. 2 滤波器系数保存与恢复滤波器系数的保存与恢复是一个重点，也是一个难点5。在只存在远端语音时，由于滤波器系数收敛使预测误差趋于减小，滤波器平衡因子X的值会逐渐减小并且趋于0。所以滤波器平衡因子X的值可以用来衡量滤波器系数和实际回声路径传输函数的接近程度。如果滤波器平衡因子X的值越小，滤波器系数会更加地接近于真实的回声路径。但如果当滤波器平衡因子X的值小于阈值Xp时，系统将此时的滤波器系数保存到一个设定好了的缓冲区中；如果滤波器平衡因子X的值增加到最大阈值Xh，并且滤波器系数处于被冻结冻结的状态时，系统从缓冲区中将备份的滤波器系数还原给滤波器系数。通过这样的处理之后，一般情况下，可以使

10、滤波器系数始终保持得比较精确。- 3 -程序的流程图如下图2所示。下面对本段改进的算法的实现做简要的叙述：（1）先根据前面章节中提到的核心算法的研究与改进中所定义的计算公式，计算出滤波器平衡因子的值，这个值每帧都需要计算一次，这个计算的结果将直接影响到滤波器平衡因子的判断，造成检测结果的失败，使算法不能很好的滤出回声。（2）检测出滤波器平衡因子X后，根据算法的核心思想，需要将这个平衡因子与最大阀值Xh比较，如果比这个阀值大，就说明LMS滤波器的系数可能发散了。这时需要检测一下LMS滤波器的系数是否发散，如果这个系数发散了，需要从之前备份的LMS滤波器中恢复这个系数；如果这个系数没有发散的话，需

11、要设置冻结冻结滤波器的帧数。（3）设置滤波器的冻结帧数以后，每次运行此算法的时候，就检测滤波器被冻结有没有达到指定的帧数，如果没有达到，则直接退出此算法的处理；如果滤波器已经达到了冻结的帧数，此时滤波器平衡因子可能减少了很多，这个时候再判断滤波器平衡因子有没有减少到可以承受的值Xp，如果小于这个可承受的值，则备份LMS滤波器系数，以便恢复这个系数，使该算法始终能够在比较理想的情况下工作。- 4 -5. 1 测试结果图3 原始回音信号 图4 延迟NLMS算法处理图图5 Geigel算法处理图 图6 双向通话检测算法处理图5. 2 结果分析由上述结果看到，原始回音信号是个杂乱无章的信号，对通话会造

12、成很大的影响；经过NLMS算法处理后，得到了一定的收敛效果，由途中可以收敛时间约为230ms；再将上述处理的结果经过Geigel算法处理，并经过提高其鲁棒性的方法处理之后，收敛时间也减少了很多，从图中可以看到时间约为167ms，但是仍然会对通话效果造成比较大的影响；最后，经过本文提出的双向通话检测算法处理后，收敛时间大大减少，约为32ms，并且回声信号的幅度有很大的减少，使通话效果得到极大的提高，完全满足了实际系统的需求。- 5 -1 王宏志,丁宁. 自适应声回声抵消器J. 长春工业大学学报(自然科学版), 2006,Pp145-1452 陈永. 声学回波抵消自适应算法的研究D. 东南大学硕士

13、学位论文, 2006, Pp1-103 李耀明. 通信系统中的回声抵消算法研究D. 中北大学, 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