IP语音网关回声消除器的研究及DSP实现
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论. .…………………………………………………………………………1
§1.1 论文研究的背景...............................................................................................1
§1.1.1 IP 语音网关简介........................................................................................1
§1.1.2 回声消除器的研究现状............................................................................2
§1.2 IP 语音网关中的回声类型...............................................................................3
§1.2.1 声学回声....................................................................................................3
§1.2.2 电学回声....................................................................................................4
§1.3 本论文研究的内容安排...................................................................................5
第二章 回声消除原理及合成源信号的生成..............................................................6
§2.1 回声消除技术简介...........................................................................................6
§2.1.1 声学回声消除............................................................................................6
§2.1.2 电学回声消除............................................................................................7
§2.2 基于 G.168 标准的合成源信号的生成............................................................9
§2.2.1 单向通话合成源信号................................................................................9
§2.2.2 双向通话合成源信号..............................................................................10
§2.3 本章小结.........................................................................................................11
第三章 回声消除器的自适应算法研究....................................................................11
§3.1 自适应滤波器简介.........................................................................................12
§3.2 自适应 FIR 滤波器结构.................................................................................12
§3.3 最小均方算法.................................................................................................14
§3.3.1 最小均方算法的主要性能......................................................................15
§3.3.2 最小均方算法的仿真结果......................................................................16
§3.4 最小均方算法的改进.....................................................................................16
§3.4.1 归一化最小均方算法(NLMS)................................................................17
§3.4.2 延迟最小均方算法..................................................................................17
§3.4.3 有符号最小均方算法..............................................................................18
§3.4.4 几种改进的 LMS 算法的仿真结果........................................................18
§3.5 块最小均方算法(BLMS)................................................................................18
§3.6 递归最小二乘算法(RLS)...............................................................................20
§3.7 各种算法的优缺点.........................................................................................21
§3.8 本课题所采用的回声消除算法.....................................................................22
§3.8.1 归一化快速块最小均方算法(NFBLMS)...............................................22
§3.8.2 NFBLMS 算法的主要性能.....................................................................23
§3.8.3 NFBLMS 算法的块长度的选择.............................................................25
§3.8.4 回声消除算法的主要性能指标及仿真分析..........................................25
§3.9 本章小结.........................................................................................................27
第四章 基于 G.168 标准的回声消除器的性能测试.................................................28
§4.1 回声消除器的测试原理.................................................................................28
i
§4.2 G.168 标准规定的一系列性能测试..............................................................29
§4.2.1 收敛和稳态残留回声电平测试..............................................................29
§4.2.2 双向通话时的性能测试..........................................................................31
§4.2.3 泄漏率测试..............................................................................................32
§4.2.4 不限定的返回损耗收敛测试..................................................................32
§4.3 回声路径的模拟.............................................................................................33
§4.4 非线性处理(NLP)...........................................................................................34
§4.5 基于 SIMULINK 的回声消除器的系统仿真模型........................................35
§4.6 回声消除器的性能测试.................................................................................35
§4.6.1 收敛性和稳态残留回声测试结果..........................................................36
§4.6.2 回声消除器的测试结果小结..................................................................38
§4.7 本章小结.........................................................................................................39
第五章 回声消除器的 DSP 实现...............................................................................40
§5.1 DSP 概述.........................................................................................................40
§5.2 系统硬件设计.................................................................................................41
§5.2.1 语音信号模数/数模转换.........................................................................41
§5.2.2 DSP 和音频 AD/DA 的硬件设计............................................................44
§5.3 系统软件设计.................................................................................................44
§ 5.3.1 设计思路.................................................................................................44
§ 5.3.2 双端语音检测算法.................................................................................45
§ 5.3.3 回声消除器的软件实现流程图.............................................................45
§5.4 实验环境和测试结果.....................................................................................47
§5.5 本章小结.........................................................................................................48
第六章 结论与展望....................................................................................................49
§6.1 论文工作总结.................................................................................................49
§6.2 进一步的研究工作.........................................................................................49
参考文献.....................................................................................................................51
ii
iii
第一章 绪论
第一章 绪 论
§1.1 论文研究的背景
IP电话(Voice Over IP, VoIP)是指通过因特网实现实时传送语音信号的一种新
型的电信业务，并且已从传统的PC机与PC机连接方式发展到网关连接方式[1][2]。IP
电话的雏形可以追溯到1995年2月以色列VocalTec公司推出"IPhone1.0"，它是全
球第一款Internet语音传输软件。VoIP技术最初只是一种互联网上的增值应用，形
式也较为简单。随着互联网的普及，其在商业运营中的应用价值被人们发现，很
多新兴的电信运营商 将 VoIP 技术 引入到电信运营中，并在上个世纪的最后几年内
取得了爆炸式的增长。与传统公共交换电话网络（Public Switched Telephone
Network, PSTN）相比，VoIP最显而易见的优势就在于其低廉的价格。而带来这一
结果的原因在于VoIP的数据传送与传统的电话不同，它并不是通过专门的语音网
络，而是通过现在已经广泛覆盖世界的国际互联网。VoIP可以在IP网络上便宜的
传送语音、传真、视频、和数据等业务，如统一消息、虚拟电话、虚拟语音、传真
邮箱、查号业务、Internet呼叫中心、Internet呼叫管理、电视会议、电子商务、传真
存储转发和各种信息的存储转发等。但是IP电话也存在一些弊端, 比如语音质量
比较差，影响IP电话语音质量的因素是多方面的，包括回声的影响，网络的时延
和抖动，语音压缩编码等等。回声的影响主要指讲话者所听到的自己被延迟的话
音，这种回声由受话方的电学或声学回声引起。根据经验，如果语音的延时超过
了50ms，那么人耳就可以鉴别出自己的回声。由于IP电话系统中语音信号要经过
编码、压缩、打包等一系列处理，不仅造成了回声路径的延迟较大，而且延迟抖动
也较大，使得总延时长达100ms，这就造成IP电话系统的回声非常严重。因此要提
高IP电话的语音质量, 就必须在语音传输的过程中进行消除回声的处理，也就是说，
VoIP语音网关作为因特网的语音接入设备，必须具有回声消除功能。鉴于此，国
际电信联盟( ITU )也相应地制定了回声消除的国际规范, 如G.165、G.167和G.168等
§1.1.1 IP语音网关简介
一个典型的 VoIP 系统模型如图1-1 所示，VoIP 的核心与关键设备是IP 语音
网关。语音网关类似于普通的电脑交换机，目前语音网关都具备路由器和交换
机的功能，后者的作用是将网络资源输出给多台电脑，而前者则是用来连接电
话机用的，它可以将您家里或办公室里面的电话机、传真机与上网设备连接，
也就是将公用电话交换网 PSTN 与IP 网络连接起来，从而实现通过 Internet 网
络进行语音通话的功能。不需要专用的话机，一般的电话机、传真
图1-1 VoIP系统模型
机都可以连接上网关使用。网关在传统的电话交换网络和IP网之间架起一座桥梁
IP语音网关具有路由管理功能，它把各地区电话区号映射为相应的地区网关IP地
址。这些信息存放在一个数据库中，有关处理软件完成呼叫处理、数字语音打包、
1
语音网
关
语音网
关
电话
IP 网
络
PST
N
/
GSM
传真传真
电话
PST
N
/
GSM
IP 语音网关回声消除器的研究及 DSP 实现
路由管理等功能。在用户拨打IP电话时，IP语音网关根据电话区号数据库资料，确
定相应网关的IP地址，并将此IP地址加入IP数据包中，同时选择最佳路由，以减
少传输时延，IP数据包经因特网到达目的地IP语音网关。对于因特网未延伸到或暂
时未设立网关的地区，可设置路由，由最近的网关通过长途电话网转接，实现通
信业务。
§1.1.2 回声消除器的研究现状
上个世纪六十年代以前，由于客观条件和技术的限制，人们只能采用一种叫
回声抑制器的方法来实现回声消除。回声抑制器是一种非线性的回声消除，它通
过简单的比较器将接收到准备由扬声器播放的声音与当前话筒拾取的声音的电平
进行比较。如果前者高于某个阈值，那么就允许传至扬声器，而且话筒被关闭，
以阻止它拾取扬声器播放的声音而引起远端回声。如果后者电平高于某个阈值，
扬声器被禁止，以达到消除回声的目的。 由于回声抑制是一种非线性的回声控制
方法，会引起扬声器播放的不连续。影响回声消除的效果，随着高性能的回声消
除器的出现，回声抑制器已很少人使用了。
20世纪60年代,朗讯科技贝尔实验室首先提出回声消除器技术,由于回声消除器
技术的自适应滤波方法有望克服以往方法存在的缺陷，该技术提出后，得到广大
专家与厂家的推广与重视。60年代后期，美国通信卫星公司首先推出第一批模拟
回音消除系统，但该系统由于体积及制造成本等原因，没有得到商业推广。1979
年，贝尔实验室研制成功第一批数字回音消除器产品。数字回音消除器产品的诞
生，标志着回音控制技术进入了一个新纪元。
国际电信联盟(International Telecom Union, ITU)在20世纪90年代也相应地制定
了回声消除器的国际标准，如制定消除电路回声的G.165，消除音频终端回声的
G.167以及消除数字网络回声的G.168等相关的回声消除标准，由于通信产业发展
的日新月异，ITU又于2007年1月颁布了G.168修订版。进入90年代后期，通过因特
网拨打长途电话，即IP电话开始流行。IP 电话是将语音信号以数据包的格式在因
特网中与其它数据信息按TCP/IP 协议一起传输，并且从发话端到受话端延时较长，
而且是不确定的。这里的延时包括算法延迟、处理延迟、网络延迟等，算法延迟从
0.125ms-30ms不等，处理延迟约30ms，网络延迟高达70ms-100ms，总的延迟在
100ms以上，而人耳对于大于50ms的回声就能鉴别出来，因此IP电话系统的回声
影响相当严重，如何消除IP电话中的回声成为非常重要的问题。
在声学回声消除方面, 目前采用最多的是归一化最小均方(Normalized Least
Mean Square, NLMS)算法及对其改进的各种算法, 这是由于NLMS算法简洁、复杂
度低。但NLMS 算法的性能依赖于输入信号自相关矩阵的特征值扩展和附加噪声
信号的能量，即当输入信号是语音，背景噪声是有色噪声等相关性很强的信号时
算法的收敛速度会明显降低，从而严重影响回声消除的质量。由于上述原因，国
内也有对NLMS算法进行改进，如中国科学技术大学电子与信息科学系提出了基
于正交原理比例归一化最小均方(Orthogonality Principle- Proportionate normalized
LMS, OP-NLMS)算法，该算法不仅具有快速收敛性能，而且受双端发声和嘈杂背
景噪声影响极小。
§1.2 IP 语音网关中的回声类型
§1.2.1 声学回声
声学回声是指扬声器播放出来的声音被麦克风拾取后传到远端，使得远端用
户能够听到自己的回声。声学回声又分为直接回声和间接回声，直接回声是指播
2
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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论..…………………………………………………………………………1§1.1论文研究的背景...............................................................................................1§1.1.1IP语音网关简介........................................................................................1§1.1.2回声消除器的研究现状...........................
作者：陈辉
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时间：2024-11-19
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