VoIP通信中的回声消除方法研究

1、2010年第04期，第43卷 通 信 技 术 Vol.43，No.04,2010总第220期 Communications Technology No.220,TotallyVoIP通信中的回声消除方法研究吴君钦， 李民生（江西理工大学 信息工程学院，江西 赣州341000）【摘 要】介绍了语音通信声学回声产生模型和自适应AEC回声消除算法原理，分析了AEC应用于VoIP语音通信中存在的问题，设计了一种基于短时能量的非线性回声消除方法，在NGN 网络的VoIP通信中，使用该方法实现了极高的回声抑制比。测试结果表明该方法的消回声效果、算法稳定性和实现复杂度等指标明显优于自适应AEC算法，适合于嵌

2、入式VoIP通信终端设备的开发。【关键词】回声消除；短时能量；下一代网络；语音通信【中图分类号】TN911.72 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2010)04-0014-03Acoustic Echo Cancellation in VoIP CommunicationWU Jun-qin， LI Min-sheng(Faculty of Information Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou Jiangxi 341000, China)【Abstract】The mode

3、l of echo in voice communication is presented, the principle of acoustic echo cancelling(AEC) described, and the problem in applying AEC to VoIP communication discussed in detail. A new method of non-linear echo cancelling based on short-time energy is proposed, which could achieve very high ratio o

4、f echo canceling in VoIP communication of NGN network. The experiment results show that the proposed algorithm is significantly better than the self-adaptive AEC algorithm in echo cancellation; algorithm stability and implementation complexity, and quite applicable to the development of embedded VOI

5、P communication devices.【Key words】acoustic echo cancellation; short-time energy; NGN; voice communication0 引言下一代网络NGN是可以提供包括语音、数据和多媒体等各种业务在内的综合开放的网络构架，随着NGN核心软交换技术的成熟，基于软交换的新的综合多业务应用越来越广泛,基于VoIP（Voice over IP）语音通信技术的视频会议和电话会议是NGN网络中的一项最基本的新业务，VoIP将成为企业通信的主要方式1-2，在这种业务中的语音通信一般都要提供广播或免提功能，然而要实现完美的双向免

6、提广播功能，保证服务质量Qos，必须解决好回声问题。为了提高NGN网络中VoIP系统的通信质量，声回声抵消方法和技术的研究、改进及其实现具有十分重要的现实意义。板和天花板等反射，这些反射波和直达波都会被近端用户咪头拾取，成为近端信号回馈给远端，形成回声，图1是语音通信系统声学回声产生机理示意图。图1 声学回声产生机理在下一代NGN网络中，语音是通过IP网以包交换方式传送的，其端到端延时与以电路交换为基础的程控交换网相比要大得多，回声更为严重地影响VoIP的通话质量和系统稳定性。1 NGN网络中回声的产生机理在使用广播或免提双向通话的系统中，从远方传送来的信号（即远端信号）通过扬声器播放出来，声

7、波被墙壁、地收稿日期：2009-03-24。基金项目：江西省自然科学基金（项目编号:2008GZS0030）。作者简介：吴君钦（1966-），男，硕士，副教授，主要研究方向为嵌入式系统、宽带通信；李民生（1982-），男，硕士，讲师，主要研究方向为嵌入式系统、NGN网络。2 回声抵消的基本方法2.1 AEC回声消除基本原理贝尔实验室提出了一种自适应回声抵消AEC滤波方了法3，基于离散时间的AEC原理如下页图2所示。14 AEC算法要求y(n)序列、x(n)序列保持严格同步，即有固定的小于预测窗的延迟时间，否则预测无法收敛。然而VoIP技术为了保持收发端码流速率的同步，一般要使用较大的收发缓冲，

8、缓冲长度远大于预测窗，所以严格同步难于 实现。由于上述原因，所以在NGN网络的VoIP语音通信系统中，简单地采用AEC算法得不到任何实际消回音效果。图2 AEC自适应回声抵消原理若当前时间为n，回声系统的响应为hn(k) (k=0,1,M)，输入信号x(n)包含近端用户说话声音和回声：x(n)=s(n)+ hn(k)y(n-k)，其中y(n)为扬声器输出信号，是对k求和。AEC 的目的就是根据x(n)与y(n)因为hn(k)是未知和时变的，之间的相关性，预测回声系统的模型hn(k)，利用它估计回声大小 hn(k) y(n-k)，并不断地修改滤波器的系数，使估计值逼近真实的回声，然后，将回声估计

9、值从输入信号中减去，得到抵消了回声的s(n)近端用户话音：s(n)=x(n)-hn(k). y(n-k)。若近端用户静默s(n)=0，s(n)就是预测滤波器的预测误差：e(n) = x(n)-hn(k) y(n-k)，所以AEC的核心是一个自适应滤波器。 2.2自适应抵消算法自适应AEC算法有：最小均方误差法（LMS）、变步长最小均方误差法（NLMS）、最小二乘法(LS)、递归最小二乘法(RLS)等多种方法4，目前最受欢迎的算法是 LMS和NLMS算法，其FIR滤波器系数估计公式分别是：hn+1(k)=hn(k)+2ue(n) y(n-k)/(Pn+ hn+1(k)=hn(k)+2ue(n)y

10、(n-k)，d)，其中u是收敛步长因子（0<u<2），Pn是 y(n)的短时平均功率：Pn =y(n-k) y(n-k)，d是大于0的任意小量，短时窗的大小设为M个采样点。以上两种算法的基本思路就是用估值误差按不同权重去修正滤波器各阶系数。LMS、NLMS算法具有收敛速度快、计算复杂度低、估值误差小等优点。 2.3 VoIP通信中AEC方法存在的问题AEC方法应用在传统的语音通信电路系统中有较为满意的效果，在NGN网络的VoIP语音通信系统中，直接使用AEC算法存在下列问题： VoIP的长延时要求回声有大分贝的衰减，然而语音信号是随机信号，其频谱是时变的，回声系统也是时变的，在时变

11、系统中要做到高精度估计和抵消极为困难； 在信噪比大于60 dB的理想信道中仿真自适应算法，LMS和NLMS具有很好的收敛特性，回声可以有大比例的衰减。实际通信信道中，绝大多数近端场所（如会场）都有较大环境背景声音，回声比背景声电平只大020 dB，在这样的系统中，LMS和NLMS算法几乎无法收敛； 在实际通信系统中，近端咪头有受话音出现时，必须关闭AEC预测，使hn+1(k)保持不变，这就需要准确判断近端话音的开始和结束时刻，在回音、背景声音和受话音混合在一起时，很难预测的准确起止时间；3 非线性回声消除技术原理与软件实现为了解决电话会议系统、视频会议系统中的回音消除问题，本文设计了一种基于短

12、时能量的非线性回声抵消方案，其基本原理见图3，图3中DTD部件为通信双方同时受话检测器，简称双音检测器，功能是检测到本地受话声大于远端声音时，控制接通话音发送回路，否则非线性衰减x(n)后再发送，D为30 m语音延迟器。图3 基于短时能量预测的非线性回声消除原理 非线性回声抵消的基本原理和实现方法为： 计算本地播放信号y(n)和录音信号x(n)的短时能 为了简化计算，用绝对值和取代平方和，量5值yy(n)和xx(n)，计算方法由式(1)、式(2)给出，短时窗大小M取640，10 kHz采样频率时，约64 ms，xx(n)=(1/M)|x(n-i)| , i=0,1,M， （1） yy(n)=(

13、1/M)|y(n-i)| , i=0,1,M； （2） 设定回波损耗值（小于1的衰减倍数），每个采样点比较一次短时能量，若xx(n)< yy(n)）, 表明近端只有回声信号输入，重置消回音定时器DTD_cnt = 3600，其他情况DTD_cnt自动减1； 远端有较强的受话信号输入，立即启动非线性回声消除算法，远端受话音节消失后，仍然持续段时间，保证消除远端受话尾部音节的回音，直到定时计数器DTD_cnt减小到0，才无衰减地发送近端信号； 在双方无受话声音时，为了能无障碍传送环境背景声音，远端信号yy(n)<-35 dB时（0 dB对应最大音量）, 关闭回声抵消算法，无衰减传送近端

14、信号； 因为使用了短时能量算法，检测到远端受话与实际发音音节有开始有一定延时，为了远端发音音节的头部回音不被近端传送，必须在信号传送前插入一个约30 ms的延迟器D。在VoIP通信中，使用下列C语言软件关键算法，实现了非线性回声消除，获得了可靠的大幅度的回声衰减。15/-常量和函数定义说明- #define M 640 /短时窗大小 #define ATTEN1 (1/4) /回波损耗12 dB #define PCM35dB 600 /衰减35 dB约为600 #define ATTEN2 (1/32) /非线性衰减30 dB short DLY30(short x);/30 ms语音延迟线

15、 /-变量定义short x2M,y2M; /处理前语音信号 short z2M; /处理后语音信号 int xx2M,yy2M; /短时能量信号 int n=0; /离散时间 int DTD_cnt = 0; /消回音延时计数器 ./-双音检测-if(yyn>PCM35 dB)&&(xxn<(yynATTEN1) DTD_cnt = 6M ; else if(DTD_cnt>0) DTD_cnt - ; /-非线性回波抵消-if( DTD_cnt>0 ) zn=DLY30(xn)*ATTEN2; else zn=DLY30(xn);t/s图6 消回音后

16、近端信号、非线性开关波形 t/s图5 近端录音信号、短时能量波形5 结语论文介绍了语音通信声学回声产生模型和自适应AEC回声消除算法原理，分析了AEC应用于VoIP通信中存在的问题，设计了一种基于短时能量的非线性回声消除方法，并给出了关键算法C语言代码。在NGN网络条件下，进行了VoIP回声消除实验，分析测试数据得出了下列结论：非线性回声抵消方法的回声抑制比大于30 dB，算法稳定性和复杂度指标明显优于AEC算法，消回音处理只增加了约64 ms延时，算法对CPU处理能力要求极低，适合应用于嵌入式VoIP终端设备开发。参考文献1 陈建亚，余浩.软交换与下一代网络M.北京：北京邮电大学出版社，20

17、03:10-50.2 楮丽莉.NGN综合网管系统研究J.通信技术,2009,42(01):202-204.3 Duttweiler D L. Proportionate Normalized Least Mean SquareAdaptation in Echo Cancellers J.IEEE Trans. on Acoustics, Speech and Signal Processing,2000,8(05):508-518. 4 高鹰，谢胜利一种变步长LMS自适应滤波算法及分析J.电子学报,2001,29(08):1094-1097.4 实验结果分析图4和图5分别是VoIP通信中近端播出和录入信号波形及其短时能量波形，水平刻度单位是秒，图5中信号幅度较小的是回音信号，图6是经过消回音处理后的近端声音信号波形及非线性处理开关波形，高电