（信号与信息处理专业论文）wlan上voip中的自适应回声抵消技术研究.pdf

东南大学博士学位论文 摘要 随着v o w 技术的不断发展和w l a n 的日益成熟，v o l p 技术和w l a n 技术 的融合是通信技术发展的必然趋势，可以预计w l a n 上v o i p 技术将是下一代通 信领域中的关键技术之一。与传统电话相比，v o l p 的致命的弱点就是语音质量 较差。影响v o l p 语音质量的因素是多方面的，关键因素之一是回声的影响。因 此，要提高v o i p 的语音质量，就必须在v o w 通信系统中进行消除回声的处理。 目前通信系统中大多采用自适应回声抵消技术来实现回声消除。通信双方同 时讲话( 双端对讲) 情况下的回声抵消是自适应回声抵消技术的主要难题之一。 传统的自适应回声抵消技术都是通过在双端对讲情况下冻结滤波器系数调整的 方法来解决这一问题。具体地说，就是通过信号检测技术确定通信双方的讲话状 态，一旦检测到双端对讲，就禁止或放慢自适应滤波器系数的调整更新。这种基 于双端对讲检测的自适应回声抵消技术会导致两个问题：一是由于自适应滤波器 系数在双端对讲期间不调整，一旦回声路径在双端对讲期间发生变化，自适应滤 波器就不能跟踪回声路径的变化，导致回声抵消效果下降；二是高性能的双端对 讲检测算法大都比较复杂，双端对讲检测运算的延时性，有可能使自适应滤波器 的系数被错误地冻结在已偏离最优解的滤波器系数上。 本文围绕“公共无线局域网络安全体系及其应用研究( 国家8 6 3 计划n o 2 0 0 2 a a l 4 3 0 1 0 ) ”和“高速无线互联网关键技术的研究( 教育部优秀青年教师基 金) ”项目，针对w l a n 上v o i p 中的回声抵消技术进行了深入研究。主要在对 w l a n 上v o i p 语音通信系统进行回声分析和对自适应回声抵消技术系统研究 的基础上，提出了无需双端对讲检测自适应回声抵消系统的概念和框架。这突破 了传统自适应回声抵消技术必须进行双端对讲检测的限制，也从根本上消除了自 适应滤波器系数被错误地冻结在已偏离最优解滤波器系数上的风险。 本文的主要贡献包括以下几个方面： 在研究w l a n 上v o i p 语音通信技术的基础上，完成了w l a n 上v o l p 语音通信系统中的回声分析，重点探讨了其中的潜在回声源和主要网 络元素对回声的影响，并给出了w l a n 上v o l p 语音通信系统中的回 声消除策略。这是高性能自适应回声抵消系统设计的前提。 结合语音信号的短时相关性特点，提出了一种稳健的语音信号传输路 摘要 径建模方法。其主要思想是在用引入的平稳随机信号来建模语音传输 路径的基础上，利用自适应预测滤波器来消除输入语音信号和噪声语 音信号对语音传输路径建模的影响，并用预畸滤波器修正由预测滤波 导致的附加信号成分的失真。由于这种语音传输路径建模方法是利用 引入的平稳随机信号来建模语音传输路径，因此，即使输入语音信号 与噪声信号是强相关的，也不会导致建模性能的下降，从而具有更好 的稳健性。仿真表明，即使在参考输入语音信号和噪声语音信号强相 关情况下，稳健的语音传输路径建模技术仍能达到3 0 d b 以上的建模 精度。 首次提出了无双端对讲检测回声抵消系统的概念和框架，突破了传统 自适应回声抵消技术必须进行双端对讲检测的限制。同时，结合声学 吲声抵消系统和电学回声抵消系统的特点，设计了实用的无双端对讲 检测声学回声抵消系统和无双端对讲检测电学回声抵消系统。仿真测 试表明，在i t u t g1 6 8 标准中的测试条件1 下，实用无双端对讲检 测电学回声抵消系统在非双端对讲情况下能达到高于4 5 d b 的建模精 度，在双端对讲情况下也能达到3 0 d b 左右的建模精度。 在研究m l c 建模技术的基础上，提出了一种对周期噪声不敏感的 m m l c 建模技术。它在利用自适应预测滤波器预测和消除期望信号中 的周期干扰信号的同时，利用补偿滤波器修正由预测滤波引起的附加 信号成分失真，从而克服了传统最大长度序列相关建模技术对周期信 号干扰过于敏感的不足。仿真表明：在本地信号和远端信导均为余弦 周期信号时，m m l c 建模技术能达到接近4 0 d b 的建模精度，而m l c 和i l m c 建模方法均不收敛。此外，基于m m l c 建模技术，设计了 一种稳健的无双端对讲检测回声抵消系统。该系统不但只需要很小的 运算能力，而且具有较好的回声抵消效果。 提出了多声道无双端对讲检测自适应回声抵消系统。这种通过在不同 声道中引入互不相关的附加信号来分别建模不同回声路径的方法，较 好地解决了多通道自适应回声抵消系统的非唯一解问题。仿真测试表 明，多声道无双端对讲检测自适应回声抵消系统能达到单声道无双端 对讲检测白适应回声抵消系统相同水平的建模精度。 关n n - 无线局域网，v o i p ，自适应回声抵消，自适应预测滤波，最大长度序列 相关，多声道回声抵消 i i 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fv j i p ( v o i c eo v e ri p ) a n dw l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r 蚰t e c h n o l o g y , t h ei n t e g r a t i o no fw l a nw i t hv j i ph a sb e c o m et h e m a i n s t r e a mf o rt h ef u t u r eo fc o m m u n i c a t i o n i ti sa n t i c i p a t e dt h a tv o i po v e rw l a n w i l lb eo n eo ft h em o s t c r i t i c a l t e c h n o l o g i e se m p l o y e d i nn e x t g e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt e l e p h o n e ，t h ef a t a ld i s a d v a n t a g e o fv o i pi si t sw o r s es p e e c hq u a l i t y t h ei n f l u e n c ef a c t o r sa r ev a r i o u sa n do n eo ft h e m o s t i m p o r t a n ti st h ee c h o s o ，i no r d e rt oe b h a n c e t h es p e e c hq u a l i t yo fv o w , e c h o c a n c e l l a t i o np l a y sac r i t i c a lr o l ei nt h ev o i p s y s t e m s a t p r e s e n t ，e c h oc a n c e l l a t i o ni sm o s t l yi m p l e m e n t e db ya d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o n t e c h n i q u e s h o w e v e r ，d o u b l et a l k ，i nw h i c h t h en e a r e n da n dt h ef a r - e n ds p e a k e r st a l k s i m u l t a n e o u s kc a u s e sas e r i o u sp r o b l e mi nt h ea d a p t i v ee s t i m a t i o no ft h ea d a p t i v e e c h oc a n c e l l a t i o nf i l t e rt o e f f i c i e n t s t ot a c k l et h i s p r o b l e m a l m o s t a l lc u r r e n t a d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o nt e c h n i q u e s f i r s td e t e c tt h ep r e s e n c eo fd o u b l et a l ka n dt h e l l t a k e a p p r o p r i a t e a c t i o n ss u c ha s d i s a b l i n g t h e a d a p t i v ea l g o r i t h md u r i n g t h e d o u b l e t a l k p e r i o d b u t t h e s e t e c h n i q u e s r e s u l ti nt w op r o b l e m s ：s i n c et h e c o e f f i c i e n t so ft h ef i l t e ra r en o tu p d a t e dd u r i n gt h ed o u b l e - t a l k ，o n c ee c h op a t h c h a n g e sd u r i n gt h i sp e r i o d ，i ti si m p o s s i b l ef o rt h ea d a p t i v ef i l t e rt ot r a c et h ec h a n g e o fe c h op a t ha n dr e d u c e st h ee c h oc a n c e l l a t i o ne r i e c t ；2 、m o s to ft h e s ed e t e c t o r sa r e t o oc o m p l e xi no r d e rt oa c h i e v es a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e i ti sp o s s i b l et o m a k et h ee o e f f i c i e n t so ft h ef i l t e rd i v e r g ef r o mt h eo p t i m u md u et ot h et i m er e q u i r e d b vt h ed e t e c t o rt od e t e c td o u b l e t a l k c o m b i n i n gas t u d vo ft h es e c u r i t vi n f r a s t r u c t u r eo fp u b l i cw i r e 】e s sl o c a a r e a n e t w o r ka n di t s a p p l i c a t i o n s ( f u n d e db yn a t i o n a l8 6 3h i g h t e c hf u n d ) w i t has t u d yo n k e yt e c h n i q u e si nh i g h - s p e e dw i r e l e s si n t e r c o u n e c t i o nn e t w o r k ( f u n d e db yo u t s t a n d i n g t e a c h e r ss u p p o r tp r o g r a mo fe d u c a t i o nm i n i s t r y ) ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e s i n d e p t he c h o c a n c e l l a t i o nt e c h n i q u e sf o rv o i po v e rw l a n b a s e do nt h ee c h oa n a l y s i si nt h ev o i p o v e rw l a ns p e e c hc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a n dt h e s t u d y o f a d a p t i v e e c h o c a n c e l l a t i o n t e c h n i q u e s ，t h e d i s s e r t a t i o n p r o p o s e s a ne c h oc a n c e l l a t i o ns c h e m e w i t h o u tt h en e e df o rd o u b l et a l kd e t e c t i o n t h i sn o to n l yb r e a k st h r o u g ht h el i m i t st o i m p l e m e n td o u b l e t a l kd e t e c t o r si nt r a d i t i o n a la d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e m s b u t a l s oa v o i d sf u n d a m e n t a l l yt h er i s kt h a tt h ec o e m c i e n t so ft h ef i l t e ra r em i s t a k e n l y f r o z e nf a rf r o n lt h eo p t i m u m m a i nc o n n l i b u t i o n so f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e i l i 垒! ! 堕 b a s e do nt h es t u d yo fv o i po v e rw l a n ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h e e c h of e a t u r e so fv o i p o v e rw l a n ，l o c a t e st h ep o t e n t i a le c h os o u r c ea n d d e s c r i b e st h ee f f e c t so fv a r i o u sn e t w o r kd e m e n t so i le c h o t h e ni tp u t s f o r w a r dae c h oc a n c e l l a t i o ns t r a t e g y t h i si st h ep r e m i s et od e s i g nah i g h p e r f o r m a n c ea d a p t i v e e c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e m ar o b u s t s p e e c h t r a n s f e r p a t hm o d e l i n g m e t h o di s p r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fs p e e c hs i g n a l s i tm o d e l ss p e e c h t r a n s f e rp a t h b ya d d i n gar a n d o ms i g n a l b yu s i n g a n a d a p t i v ep r e d i c t i o nf i l t e r , i t r e l t l o v e st h ei n p u ts p e e c hs i g n a l sa n dn o i s e st h a ta f f e c tt h em o d e l i n g s p e e c ht r a n s f e rp a t h a tl a s ti t m o d i f i e st h ed i s t o r t i o no ft h ea d d i t i o n a l s i g n a lc a u s e db y t h ea d a p t i v ep r e d i c t i o nf i l t e rb yu s i n ga p r e d i s t o r tf i l t e r d u et ot h eu s eo ft h ei n t r o d u c e dr a n d o ms i g n a l ，t h i st e c h n i q u ed o e sn o t l e a dt o p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o na n dt h u s h a v eb e t t e rr o b u s t n e s se v e n w h e nt h e i n p u ts i g n a l h a s s t r o n g c o r r e l a t i o nw i t ht h en o i s e s i g n a l s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a t ，t h e m o d e l i n gp r e c i s i o n c a ns t i l la t t a i n h i g h e r t h a n3 0 d bu n d e rt h a tc o n d i t i o n b a s e do nt h es t u d yo fa d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o nt e c h n i q u e s a ne c h o c a n c e l l a t i o ns c h e m ew i t h o u tt h en e e df o rd o u b l et a l kd e t e c t i o ni s p r e s e n t e d e l i m i n a t i o no f t h en e e dt oi m p l e m e n td o u b l et a l kd e t e c t o r si s a d v a n t a g e o u si n t h a tt h e m a n u f a c t u r i n gc o s t s o fv o i c e c o m m u n i c a t i o n p r o d u c t sc a nb el o w e r e da n dt h er i s ko fp o s s i b l ed e t e c t i o nf a i l u r e w h i c h c a u s e sd e g r a d a t i o ni nt h ea u d i op e r f o r m a n c eo ft h e s ep r o d u c t s ，e a l 2b e a v o i d e d f u r t h e r m o r e ，ap r a c t i c a la c o u s t i ce c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e ma n d a ne l e c t r i c a le c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e mw i t h o u tt h en e e df o rd o u b l et a l k d e t e c t i o na r ed e s i g n e du n d e rt h ei t u tg1 6 8s t a n d a r dt e s tc o n d i t i o n t h em o d e l i n gp r e c i s i o no ft h ep r o p o s e dt e c h n i q u ec a na t t a i n4 5 d bw i t h o u t d o u b l et a l ka n d3 0 d bw i t hd o u b l et a l k b a s e do nt h em a x i m a ll e n g t hs e q u e n c ec o r r e l a t i o n ( m l c ) t e c h n i q u e ，t h e d i s s e r t a t i o np r o p o s e sam m l c m o d e l i n gt e c h n i q u et h a ti s i n s e n s i t i v et o 1 0 wf r e q u e n c yp e r i o d i cn o i s e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nl o c a l s i g n a l a n dr e m o t e s i g n a l a r eb o t hc o s i n e p e r i o d i c a ls i g n a l ，m m l c m o d e l i n gp r e c i s i o nc a na t t a i n4 0 d bw h i l em l ca n di l m cm e t h o dw i l l d i v e r g e b yu s i n gt h i s m m l c t e c h n i q u e a ne c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e m w i t h o u tt h en e e df o rd o u b l et a l kd e t e c t i o ni sp r o p o s e dt h e p r o p o s e de c h o c a n c e l l a t i o ns y s t e mn o to n l yh a sal o w c o m p l e x i t y ，b u ta l s oh a sb e t t e r e c h oc a n c e l l a t i o ne 能c t am u l t i - c h a n n e la d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e mw i t h o u tt h en e e df o r i v 东南大学博士学位论文 d o u b l et a l kd e t e c t i o ni sp r o p o s e ds o m eu n c o r r e l a t e da d d i t i o n a l s i g n a l s a r eu s e dt om o d e ld i f i 、e r e n te c h op a t h sr e s p e c t i v e l y t h i so v e r c o m e st h e n o n u n i q u ep r o b l e m o ft h et r a d i t i o n a l m u l t i c h a n n e l a d a p t i v e e c h o c a n c e l l a t i o ns y s t e m s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mc a l la t t a i n t h es a m em o d e l i n g p r e c i s i o na ss i n g l e - c h a n n e la d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o n s y s t e m k e y w o r d s ：w l a n ，v o i p , a d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o n ，a d a p t i v ep r e d i c t i o nf i l t e r m a x i m a l l e n g t hs e q u e n c ec o r r e l a t i o n ，m u l t i c h a n n e le c h oc a n c e l l a t i o n v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：趟彗 日期：递塑：妒， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 郅o 年导师签名：鲰日期：加，彰9 型墅童丝堡垒塑l 一 第一章绪论 随着信息技术的飞速发展，人们对网络通信的需求不断提高，希望不论在何 时、何地，与任何人都能够进行包括数据、话音、图像等任何内容的通信。这使 得以多媒体通信为主体的信息网络已成为世界关注的热点。i n t e m e t 的巨大成功， 使得i p ( i n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 霞 络成为未来信息网络的支柱产业之一。以i p 为核心的 分组化和以移动通信为核心的w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 已成为下一 代通信发展的主流方向。 1 1 论文的研究背景 通信技术综合化、数字化、智能化和个人化的飞速发展，以及计算机网络技 术的日益成熟，在单一网络平台上实现语音、数掘、图像等多种业务的融合已经 成为通信行业发展的目标和必然趋势。从目前情况看，v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 技 术是综合业务的最好方案。如此同时，随着信息技术的飞速发展，人们对网络通 信的需求不断提高，希望不论在何时、何地，与任何人都能够进行包括数据、话 音、图像等任何内容的通信。对高速、多种业务、具有灵活移动性的通信需求的 提高和i n t e r n e t 的高速发展，进步推动了w l a n 的飞速发展。伴随着v o l p 技 术的不断发展、w l a n 的目益成熟和人们对移动通信能力需求的不断提高，v o i p 技术和w l a n 技术的融合是通信技术发展的必然趋势，可以预计w l a n 上v o l p 技术将是下代通信世界中的关键技术之一。尽管未来v o l p 技术超出了“v o l p 就是在i p 网络上传输语音业务【1 4 j 的传统概念，成为一个正在演进的多媒体服 务平台，但不可否认，w l a n 上v o l p 语音业务仍是未来w l a nt - v o i p 综合业 务的先导。 服务质量保证是影响w l a n 上v o l p 发展的一个重要技术难题。由于v o i p 语音通信业务是在i p 网络上传输实时语音信号，而1 p 网络本身并非为实时业务 而设计，因此i p 网络给v o l p 语音通信业务带来的主要问题就是服务质量问题。 其中抖动、失序、延时和回声是影响通信质量的几个主要因素【1 。 抖动和失序是由于不同数据包到达的时间间隔和到达的先后顺序不同而造 成的。消除抖动和失序的常用方法是在接收端设置足够长的缓冲器，以接收最晚 筇一覃绪论 到达的包，并以正确的顺序回放。不过，这种通过引入缓冲区消除抖动和失序的 方法，同时也引入了额外的延时。 延r 寸是v o l p 业务呼叫的决定性囡素。尽管延时不会严重影响语音的可理解 性，但会影响谈话的连续性，大的延时甚至会使交互谈话无法正常进行【4 j 。为了 实现通话双方正常的对话，延时必须控制在较短的范围内。过长的延时，不仅使 交互通信变得困难甚至无法进行，而且会使回声问题更为突出。v o l p 呼叫的延 时主要包括算法延时、处理延时和网络延时等。其中，算法延时是由语音编解码 器处理语音采样帧、对语音编解码造成的。算法延时与编解码器的类型有关，对 于i t u tg7 2 3 1 1 5 1 编码器，算法延时一般不超过7 0 m s 。处理延时是由对语音 数据帧进行封装、解包以及为消除抖动和失序采用缓冲区造成的。网络延时包括 网络接点设备延时、传输延时和协议延时等。传输延时是指在一个具有一定传输 速率的链路上发送一定量数据所需的时间；节点延时是指路由器对数据包排队和 处理而引入的延时；协议延时是指因网络访问( 如以太网的c s m a c d ，w l a n 的 c s m a c a ) 而引入的延时。网络延时在v o l p 延时中占很大的比重。减小v o i p 网 络延时的常用方法有：设置i p 优先级、启动网络接点设备的队列管理、进行 r t p ( r e a lt i m ep r o t o c 0 1 ) i 6 1 头) - k 缩以及实现r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 1 7 ) 协议等。 回声是影响v o l p 通信质量的又一主要因素。v o l p 语音通信系统的回声i u 以 分为两类：一类是声学回声，它是由于声音从话音终端的扬声器反馈到拾音传声 器丽引起的；另”一类是电学回声，它是由- - 四线转换电路引起的( 因为阻抗不匹 配造成的信号泄漏) 【8 】。电话网络中，由于用户与电话交换中心问通信距离较近， 传输损耗小，为了降低电话交换中心与电话用户之间的连线成本，从交换中心到 用户问的本地环路通常采用二线制，也就是说发送信号和接收信号通过同一条二 线电路来传输；而电话交换中心间远距离通信的传输损耗大，通常要采用中继功 率放大，因此采用发送和接收分开的四线制( 数字连接都是虚拟四线连接) 。二 线到四线的转换是在当地交换中心通过二四线转换电路实现的。如果二四线转 换电路中的匹配阻抗与电话终端的阻抗不匹配，二四线转换电路的输入信号就 会部分的泄漏到输出信号中。具体地丽，对用户来讲就是讲话者的声音信号在二 四线转换电路处从发送信道泄漏到接收信道，从而导致讲话者又听到自己的声 音。 人类的听觉特性决定人类不能感知延时很小的回声，也就是说延时很小的回 声不会影响通信质量；而当延时超过5 0 m s 时，回声就会导致通信质量的下降。 由于v o l p 网络中的延时很大，即使不大的回声也会导致通信质量的大幅度下降， 因此，在v o l p 语音通信系统的设计过程中必须考虑回声消除问题。本文固绕公 东南大学博士学位论文 共无线局域网络安全体系及其应用研究( 国家8 6 3 计划项目n o 2 0 0 2 a a l 4 3 0 1 0 ) 和高速无线互联网关键技术的研究( 教育部优秀中青年教师基金项目) 项目，重 点研究了w l a n 上v o l p 语音通信系统中的回声抵消问题。 i t u tg 】6 5 9 细i t u ，tg1 6 8 1 1 0 是电话系统的回声消除标准。但这些标准并 没有规定具体算法，只给出了相应的性能指标。目前大多采用自适应回声抵消技 术来消除回声。而双端对讲情况下的回声抵消是自适应回声抵消技术的主要难题 之一。由于双端对讲时的远端语音信号是回声路径自适应建模的干扰信号，它将 使自适应算法的收敛速度降低甚至导致不收敛。因此，传统的自适应回声抵消技 术都是通过在双端对讲情况下冻结或放慢滤波器系数调整的方法来解决这一问 题的。具体地说，就是通过信号检测技术确定通信双方的讲话状态，一旦检测到 通信双方同时讲话，就禁止自适应滤波器系数的调整更新。这种基于双端对讲检 测的自适应回声抵消技术会导致两个问题：一是由于自适应滤波器系数在双端对 讲期间不调整，一旦回声路径在双端对讲期间发生变化，使得自适应滤波器不能 跟踪回声路径的变化，导致回声抵消效果下降：二是高性能的双端对讲检测算法 大都比较复杂，双端对讲检测运算的延时性，有可能使自适应滤波器的系数被错 误地冻结在已偏离最优解的滤波器系数上。本文在对w l a n 上v o i p 语音通信 系统进行回声分析和对自适应回声抵消技术系统研究的基础上，提出了一种无需 双端对讲检测的自适应回声抵消系统。这突破了传统自适应回声抵消技术必须进 行双端对讲检测的限制，也从根本上消除了自适应滤波器系数被错误地冻结在已 偏离最优解滤波器系数上的风险。 1 2 本文的研究工作和主要贡献 本文的研究工作和贡献主要包括以下几个方面： 第二章在研究w l a n 上v o i p 语音通信技术的基础上，完成了w l a n 上 v o l p 语音通信系统中的回声分析。重点探讨了其中的潜在回声源和主要嘲络元 素对回声的影响，并给出了w l a n 上v o l p 语音通信系统中的回声消除策略。这 是高性能自适应回声抵消系统设计的前提。 第三章系统研究了自适应回声抵消技术的各种关键技术，在阐述自适应回声 抵消技术的原理、常用的自适应算法以及传统的双端对讲检测技术和非线性处理 技术的同时，还研究了频域回声抵消技术和子带回声抵消技术。这是本文厉续工 作的基础。 第四章结合语音通信信号的特点，提出了一种稳健的语音信号传输路径建模 方法，并分析了该算法的稳定性。稳健语音传输路径建模方法在引a j i i 练信号建 第一章绪论 模语音传输路径的基础上，结合语音信号的特点，利用小延时自适应预测滤波器 来消除建模语音传输路径过程中的语音信号干扰，并用预畸滤波器修正由预测滤 波导致的训练信号成分失真。由于这种语音传输路径建模方法是利用引入的平稳 随机信号来建模语音传输路径的，因此，即使输入语音信号与噪声信号是相关的， 也不会导致建模性能的下降，从而具有更好的稳健性。 第五章首次提出了无双端对讲检测回声抵消系统的概念和框架，突破了传统 自适应回声抵消技术必须进行双端对讲检测的限制。同时，结合声学回声抵消系 统和电学回声抵消系统的特点，分别设计了实用的无双端对讲检测的声学回声抵 消系统和电学回声抵消系统。仿真测试验证了这两种实用回声抵消系统在不同工 作模式下均具有良好的工作性能。 第六章在研究最大长度序列相关建模技术的基础上，提出一种改进的最大长 度序列相关建模技术，有效克, q e t 传统最大长度序列相关建模技术对周期信号干 扰敏感的不足。此外，基于m m l c 建模技术，设计了一种稳健的无双端对讲回 声抵消系统。该系统不但只需要很小的运算能力，而且具有较好的回声抵消效泉。 第七章提出了多声道无双端对讲检测自适应回声抵消系统。这种通过在不同 声道信号中引入互不相关的附加信号来分别建模不同回声路径的方法，较好地解 决了多通道自适应回声抵消系统的非唯一解问题。 第八章对本文的工作进行了总结，讨论了进一步研究的方向。 东南大学博士学位论文 2 1 引言 第二章w l a n 上v o i p 中的回声分析 随着v o l p 技术的不断发展和w l a n 的日益成熟，v o l p 技术和w l a n 技术 的融合已成为通信技术发展的必然趋势，可以预计w l a n 上v o l p 技术将是下一 代通信领域中的关键技术之一。与传统电话相比，v o i p 的致命弱点就是语音质 量较差。影响因特网语音质量的因素是多方面的，关键因素之一是回声的影响。 由于v o l p 的语音传输是采用分组交换技术实现的一种全新的电信业务，传送的 语音信号要经过编码、压缩、打包等一系列处理。这不仅造成延迟抖动较大，而 且导致回声的延迟也较大。因此，w l a n 上v o l p 中的回声问题显得尤其突出。 要提高w l a n 上v o i p 的语音传输质量，就必须在其传输过程中进行消除回声的 处理。本章主要是对w l a n 上v o l p 语音通信系统进行回声分析。 2 2 回声分析基础 回声对通信质量的影响取决于两个因素f l 。”】：回声强度和回声延时。一方面， 只有接收到一定强度的回声才会导致通信质量的下降，强度很小和接收不到的回 声不会影响通信质量。另一方面，延时很小( 几毫秒) 的回声不会给人带来烦恼， 只有延时较大( 几十毫秒) 的回声才会导致通信质量的下降。若回声的延时达到 几百毫秒时，不仅会带来更大的通信干扰，甚至会导致通信不能正常进行。回声 导致通信质量的下降是这两个因素共同作用的结果。表21 给出了不同延时的回 声不构成通信干扰的平均强度衰减需求。 表2 1 表明，为了保证人们主观感觉意义上的通信质量刁i 下降，回声的延时 越大，需要越多的能量衰减。 另外，为了研究回声被完全消除后，延时对通信质量的影响，一些学者还专 门对不同延时导致的通信中断作了大量的测试1 1 2 - 1 4 1 。测试结果表明，延时为零时， 一次谈话中因对方插话导致的通信中断率大约为每分钟两次；而当延时增加为 6 0 0 m s 时，对方插话导致的通信中断率增加到每分钟4 次。不难看出，巨量的延 时增加并没有导致通信中断率的显著增加。 第二章w l a n 上v o p 中的回声分析 表2 1不同延时回声不构成通信干扰的平均强度衰减需求 延时( m s )平均强度衰减需求( d b ) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 4 1 1 1 1 7 7 2 2 7 2 7 2 3 0 9 综上所述，可以得出结论，为使回声不造成通信质量下降，随着回声延时的 增加，要求有更大的回声强度衰减；如果回声能够完全被消除，即使通信过程中 存在较k 的延时也是能够接受的。延时是通信系统的固有属性，它与通信方式和 系统实现有关。例如：远距离通信中的传输延时、卫星通信中的卫星转发传输延 时、还有v o i p 通信系统中由所选取的寻径算法和网络状况决定的路由器转发延 时，由所用的编解码算法和处理能力决定的v o i p 网关处理延时等，这都不是能 人为控制的。因此，人们只有通过消减回声能量的方法，来保证良好的通信质量。 最大限度地进行回声强度衰减，保证良好的通信质量正是研究回声抵消技术的动 机之所在。 2 3 回声源定位分析 一次完整的v o i p 通信中至少有两个参与者，而对每一个参与者来说，总存 在西个通信信道：发送信道和接收信道。简单地说，回声就是由发送信道中的信 号泄漏到接收信道而产生的。就回声的产生机理来说，回声可分为两类：电信号 从发送信道泄漏到接收信道的电学回声和声音信号从扬声器( 发送信道的终点) 泄漏到麦克风( 接收路径的起点) 的声学回声。 回声是由模拟器件的信号泄漏产生的，数字网络部分不存在回声源。尽管在 数字网络的物理层，数字比特流要转变成模拟信号来传输，这种表示数字信号的 模拟信号也可能会发生泄漏，进而引起信号失真，但只要这种信号泄漏导致的信 号失真不是大到使解码发生错误，就不会影响信号质量。一旦这种信号泄漏导致 的失真使解码发生错误，这时的信号失真就是数字噪声，而不是回声。因此，实 际在回声源定位分析时，无需考虑数字网络部分的潜在回声源，只考虑模拟电路 东南大学博士学位论文 的信号泄漏就足够了。 为了方便回声源定位的分析，图2 1 给出了w l a n 上v o i p 的几种可能通信 模式。 图2 1w l a n 上v o l p 的几种可能通信模式 电话1 和电话2 的通信过程为本地用户( 电话1 ) 的语音信号首先经本地用 户环路传到本地用户交换机( p b x ) ，然后用户交换机( p b x ) 通过本地语音网 关经i p 网络将信号传给与同i p 网络相连的w l a n 接入点，最后w l a n 接入点 将信号传给w l a n 移动终端( 电话2 ) ；电话l 和电话3 的通信过程为本地用户 ( 电话1 ) 的语音信号首先经本地用户环路传到用户交换机( p b x ) ，然后用户 交换机( p b x ) 通过本地语音网关经i p 网络将信号传给与同i p 网络相连的i p 电话( 电话3 ) ；电话2 和电话3 的通信过程为本地用户( 电话2 ) 的语音信号经 w l a n 接入点通过i p 网络将信号传给与同i p 网络相连的i p 电话( 电话3 ) 。其 中本地语音网关和远端语音网关之间是通过i p 网络连接的数字网络，用户与用 户交换机之间是通过二线模拟电路连接的。用户交换机与语音网关之间可以通过 旧线模拟发送一接收电路来连接，也可以通过i s d n ，b r 和t 1 e i 等数字网络 来连接。 下两首先讨论图2 2 所示的用户电话1 与用户电话2 通信时，用户电活1 的 潜在回声源。 图2 2w l a n 上v o l p 用户的回声