數據網絡中的回聲消除技術

2019-11-03 09:03:14

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供稿：網友

Octasic公司

　　互聯網在全球的普及導致了創新和應用的爆炸性發展。這個趨勢還將繼續（主要由消費需求推動），因此電信運營商注定要在數據通信占主導的現代網絡基礎設施中支持話音業務。

　　盡管數據通信現在已經超過了話音業務，服務提供商的主要收入仍然來自傳統的話音業務。為了保護這個收入來源，電信運營商必須保持當前話音業務的質量，并且創建支持各種新型數據業務的網絡。下一代網絡需要在這些新型業務到來時，能夠利用這些業務的優點。

　　話音業務在無線、有線、電路交換以及分組交換網絡中，均至關重要，而話音質量作為一個保持因素，是一項基本要求。

　　什么是回聲？

　　回聲是由于聲波反射導致的聲音重復。在電信網絡中，如果說話人聽到自己講話的延遲后的聲音，則存在回聲問題。

　　呼叫者是否聽到回聲，依賴于電路中網絡延遲的程度和回聲幅度（音量）。端到端延遲（也稱為"等待時間"）是最重要的因素，它是從呼叫的一端產生聲音到聲音被另一端接收所經歷的時間。往返延遲是回聲反射所花費的時間，它大約是端到端延遲的兩倍。

　　如果往返延遲超過10毫秒(ms)，則人耳就會注意到回聲的存在，因而導致話音質量下降。

　　回聲源

　　在電信網絡中存在兩種類型的回聲：電氣回聲和聲學回聲。

　　電氣回聲

　　電氣回聲是由于模擬本地環中的阻抗不匹配造成的。舉例來說，如果使用了混合規格的電線，或者存在未使用的分接頭和負載線圈（用于延長信號傳輸距離的裝置），則會產生電氣回聲。在公共交換電話網(PSTN)中，電氣回聲主要是由于轉換器造成的。

　　轉換器將2線本地環分接成兩對獨立的線。一對用于發送路徑，另一對用于接收路徑。轉換器傳遞了大部分信號。但是，2線環路與4線設備之間的差別導致了接收信號的一小部分"泄漏"到發送路徑上。由于遠端在接收信號的同時又返回了一部分信號，因此說話者聽到自己說話的回聲。

　　電氣回聲在本地呼叫上不成為問題，這是因為相對較短的路徑不會產生嚴重的時間延遲。

　　在今天的數字網絡中，2線分接成4線的位置通常也是模/數轉換的位置。無論轉換器或者模/數轉換是在同一臺設備還是兩臺不同設備中進行，2線－4線轉換造成阻抗不匹配，因而導致回聲。

　　聲學回聲

　　聲學回聲也稱為"多徑回聲"，它是由電話機揚聲器與話筒之間的聲學耦合問題導致的。在無線電話和有線電話，或者在揚聲器電話的免提設備中都會出現這種回聲。這些問題是由低質量的電話聽筒、周圍環境中的回聲（例如在汽車、旅館或工廠中）或者電話聽筒串話造成的。

　　回聲傳播時間

　　如前面所討論的，當話音電路的往返延遲大于20ms時，就會產生回聲問題。在PSTN中，大部分延遲是由傳輸媒介的傳播時間導致的，傳輸媒介也就是長途中繼線中的傳輸設備和傳輸器件。這個延遲被稱為"網絡延遲"或"傳播延遲"。

　　傳輸系統的速度是決定是否能感覺到回聲的重要因素。這就是在本地PSTN呼叫中通常聽不到回聲的原因，盡管實際上本地呼叫確實存在由于轉換器和其他因素導致的電氣回聲。

　　在分組網絡話音的情況下，還有其他幾種重要延遲（除了網絡延遲之外）來源，包括：處理延遲（例如分組、壓縮/解壓等）、交換/路由選擇延遲以及緩存延遲。由于存在這些附加的延遲來源，在電路交換網絡中可能聽不到的回聲在等效的分組網絡中會引人注意。因此，電路交換網絡與分組網絡之間的連接需要進行高質量的回聲消除。

　　什么是回聲消除？

　　回聲消除器是一種在來自遠端的信號在本地端設備發出回聲后檢測并消除其回聲的裝置。

　　在電路交換長途網絡中，回聲消除器位于與長途網絡連接的大城市中心局。這些回聲消除器消除由長途網絡延遲造成的明顯的電氣回聲。

　　當話音呼叫延遲超過可接受的界限（例如在一個長途呼叫中），電信運營商將在呼叫的兩端提供兩個回聲消除器。每個消除器保護遠端，防止其接收到在本地端產生并且通過網絡返回的任何回聲。

　　回聲消除器"指向"回聲源（轉換器）的方向，并且遠離從該回聲消除器的工作中受益的一端。

　　回聲消除器包含三個主要功能組件：

　　· 自適應濾波器 (AF)

　　· 非線性處理器 (NLP)

　　· 音調檢測器

　　自適應濾波器由一個回聲估計器和一個減法器構成。回聲估計器監視接收路徑并動態構建一個針對回聲產生線路的數學模型。這個線路模型與接收路徑上的話音流進行卷積。這樣得到一個回聲的估計值，并被輸入給減法器。這就從發送路徑線路中減去了回聲的線性部分。當通過自適應濾波器建立一個線路估計時，回聲消除器就"收斂"于回聲。

　　圖2描述了電路交換網絡中一個典型的數字式回聲消除器。當來自遠端的話音通過其接收路徑（從Rin 到 Rout）時，回聲消除器監視該話音。它使用這些信息估計回聲，并從發送路徑（從Sin 到 Sout）中減去這個估計值。

　　回聲控制需要具備對回聲傳播時間（反射持續時間）的判斷能力以及處理不同回聲長度的能力。尾部的長度主要依賴于回聲消除器與回聲發生點（稱為"回聲點"）之間信號傳輸的端到端延遲，以及回聲傳播時間。剩余回聲是信號通過自適應濾波器后殘留的回聲。

　　非線性處理器計算剩余回聲，除去所有低于某個閾值的信號，并且用聽起來如同沒有回聲的原始背景噪聲的仿真背景噪聲替代這些信號。

　　回聲消除器還包含一個音調檢測器，它使得用戶設備可以使用特定音調關閉回聲消除器。舉例來說，在數據和傳真傳輸過程中必須關閉回聲消除功能。大家熟悉的在調制解調器開始連接時出現的高音調告訴回聲消除器在該通信流中停止工作。

　　回聲消除遇到的難題

　　設備必須解決下列難題才能進行穩固的回聲消除：避免發散、處理含混話音(double talk)、防止削波以及避免煩人的背景噪聲改變。

　　避免發散。發散是自適應濾波器的問題，如果在使用數學算法時沒有找到合適的線路模型解決方案，就會出現發散。

　　在特定的線路條件下，某些算法可能發散以至于破壞信號，甚至在線路中添加回聲。好的回聲消除器能夠在幾乎所有線路條件下避免發散。

　　處理雙方同時說話。典型的通話是雙向的。聆聽者通過說"是的，我明白了"、"啊，嗯，是嗎？"等向說話者表示同意或者不同意。在實際通話中，雙方經常會同時說話或者互相插話。這種情形就叫做"含混話音"。

　　處理含混話音使其聽起來很自然是一個技術難題。回聲消除器必須能夠完成下列操作：

　　· 區別含混話音和背景噪聲。精確的分辨需要高性能的回聲消除。

　　· 選擇不更新線路模型以避免發散。這要求使用最后一個線路模型（正好在含混話音開始前一刻）來近似含混話音期間的線路模型。

　　· 在含混話音檢測、處理和返回常規處理模式（即沒有含混話音）三者之間進行平滑過渡。過渡不平滑將導致話音斷斷續續。

　　防止削波。在一次電話通話過程中，如果話音的某部分被錯誤地抹掉（通常是單詞的第一個或最后一個音節），則發生了削波。削波是由于非線性處理器(NLP)不精確導致的。具體地說，是由于NLP沒有在正確的時間起始和停止。通常，NLP不能足夠快速地響應從本地端進入的話音。它用背景噪聲替代一部分話音，因而導致通話難以理解。當NLP用剩余回聲擾亂一個句子末尾的話音電平衰減時，也會產生相同的結果。

　　避免煩人的背景噪聲改變。必須適當處理背景噪聲，才能使電話通話聽起來自然。這意味著回聲消除器必須精確地工作并且迅速反應，以便構造出能準確匹配正在執行回聲消除一端環境的背景噪聲。當一個人在說話時，他聽到的是NLP生成的仿真背景噪聲。當他停止說話而另一個人說話時，則他聽到的是話音中"真實的"背景噪聲。二者之間的任何差別都會分散通話者的注意力。

　　Octasic的高級回聲處理器

　　Octasic OCT6100系列回聲消除器協處理器解決了上述所有技術難題。具體來說，該協處理器采用了一種獨特的確定性算法，該算法能以可靠和確定的方式提供極佳的質量。

　　另一方面，當前市場上的大多數回聲消除器采用同一個算法（使用時間超過了25年）。該算法是遞歸的，它將前一次計算的線路模型和當前信號輸入到一個連續更新的線路模型中。在這個方法中，估計器在每次迭代中使用輸入信號的互相關系來更新其線路模型。該過程是借助可變增益完成的，用新信號的互相關系替代舊線路模型的一部分。如果增益選擇錯誤，則回聲估計器/減法器可能無法消除所有回聲或者更糟--它可能在線路中加入煩人的聲音。在極端情況下，該算法還可能發散，嚴重破壞回聲消除器的功能并使得通話無法進行。

　　Octasic的OCT6100系列由于具有實現方法上的優勢（例如廉價的存儲器和更強大的處理能力），采用了一種基于"最小二乘"(LS)算法的專利方法。最小二乘算法不選擇增益，它對所有給定輸入信號集只使用一個解決方案，該解決方案將回聲能量減為最小。這個算法能確保更快速、更準確的收斂，因此成就了更穩固的回聲消除，包括改進的含混話音處理和背景噪聲處理。

　　
摘自《電子設計技術》

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