Pg电子游戏：通信系统中的回声抵消算法研究_第二章通信系统的回声抵消_14_23
说线cm 时语音的声压级大约是 70dB[12]， 而在一个开放办公室里噪 声的声压级大约是 60dB。这样的声压级可以保证传声器接收的语音的可懂度[13]，但当 说话移到距离电话更远的地方，可懂度就会下降。 图 2.5 是一个带回声抑制器、线路和声学回声抵消器的免持电话的简图。线路回声 抵消器进一步衰减二/四线转换电路产生的回声， 一方面可以使免持电话这个闭环系统得 增益小于一， 不致形成正反馈， 从而增加系统啸叫裕度。 只要线路回声抵消器已经收敛， 它就会保持收敛后的状态，因为在通话时线路回声不会发生大的变化。 对付啸叫和回声，避免使用回声抑制器（由于它近似于半双工，影响通话质量） ， 而尽可能的使用回声抵消这种比较理想的解决方案。 但是在一些实际免持电话系统中还 必须使用回声抑制器，这样在电话刚刚开始时，还没有机会让近端和远端语音去训练滤 波器，它的存在可以保证电话不发生啸叫。在免持电话之间通信中，声学回声通路发生 变化而声学回声抵消器还没有机会重新收敛， 这时回声抑制器的存在可以阻止闭环系统
随着电话远端通讯的出现回声问题也就出现了。在陆地上的线路，回声抑制器被广 泛应用于回声控制[10]。回声抑制器可看为是一消除语音回声的声控开关，它允许听的一 方可以插话。回声抑制器的原理图见图 2.2。图 2.2 只图示了一端的结构，另一端相同。 假设远端 A 端的人在说话，回声抑制器通过比较传输通道 L1 和 L2 中信号的幅度来判 断通道 L2 中的信号是 B 端的人插入话的声音还是 A 端的回声， 如果判断出是前者开关 闭合，相反如果判断出是后者开关断开，由此防止了回声。但当两端同时说线
中北大学学位论文 过线 传送到 B，并把从说话者 B 通过线 传来的信号送给 A。混合器 B 必须 防止通过 L1 来的信号又通过 L2 传回 A。 同样混合器 A 也必须防止通过 L2 来的信号又 通过 L1 传回 B。 这里可以把混合器看作一个电桥，能起到上边作用，即能提供和两线电路阻抗匹配 的阻抗。但这是不可能实现的，因为一个混合器可能会和任何一路两线电路连接，而不 同两线电路的特性不同，如长度，线的种类，电话的种类等等。因此混合器不可能提供 完全能和不同两线电路阻抗匹配的阻抗，所以回声是不可能完全抑制的。一个折衷的方 法就是用统一的大致阻抗。 2.1.1 回声抑制器
中北大学学位论文 的啸叫。 近来发展起来的子带技术能降低长冲激响应的声学回声抵消计算复杂度，它是通过 分带处理，同时降低子带采样率来降低计算量的；同时能给许多不同的环境提供快速的 收敛速度，因为子带信号的谱比全带信号的频谱更接近一致。频域算法也能提高收敛速 度降低计算复杂度，更快的收敛速度是由于不同频谱成分的步长可以独立估计，而利用 频域里的乘法代替时域里的卷积降低了计算复杂度。
与线路回声抵消相比声学回声抵消更难处理， 因为声学回声系统的冲激响应的有效
中北大学学位论文 作用持续时间很长（一般 50－300ms） ，而且会随时快速变化。在声学回声抵消中假设 回声系统缓慢变化已不能成立。可看出声学回声抵消需要比线路回声抵消更多的计算 量，因为：1、所要建模的冲激响应的长度；2、需要更快的收敛算法。而目前的算法只 部分满足要求，因为他们都是建立在 LMS 算法的基础上的，而 LMS 算法恰恰对长冲激 响应和输入信号是语音信号的效果不好。 免持电话在近几年越来越流行，它的两个主要优点是可以进行免持操作和电话会 议。汽车上免持电话可以使汽车司机方便地通过蜂窝电话进行通话的同时可以双手开 车。许多国家已经或者很快就要在法律上规定在汽车上只能使用免持电话。 如果让距离比较远的几个地方的许多人一起举行会议而不需要他们聚集在一起， 不 仅可以节省很多时间和旅行的费用，而且使工作效率大大的提高。而目前实现这一目标 的唯一途径就是电话会议。 电话会议中至少有一处是由几个人聚在一个房间里使用同样 扬声器和传声器，以保证每个出席的人都能和远处的人互动式交流。这时回声的影响可 能干扰语音信号的清晰度和可懂度，而且严重时可能啸叫，造成系统失效。电视电话会 议系统在考虑音频问题时，它和电话会议一样要考虑啸叫的可能性和回声的影响，因此 在设计的时候，尽量从声学的角度使它们最小化。如果系统中没有声学回声抵消处理， 那么传声器和扬声器的位置和增益都必须特别注意。 由于电视电话会议中视频编解码的 延迟较长，它还要求语音增加一些延迟以保证声音和图像同步。 声学回声控制的最终目标就是提供全双工的免持通讯， 并保证正常的语音通话不被 破坏。但声学环境比起线路环境来说要恶劣得多，比如说，回声的通路非常长，在 8kHz 采样率下辨识它的滤波器达到几百阶、上千阶；而且在通话的时候，回声的通路会迅速 发生变化，近端的噪声比较强。 由于声音在空气中传播的速度比较慢，声学回声的在时间上相当长，尤其是和线路 回声相比。墙壁、桌子、椅子和其它物体之间的多重反射也使它的响应变长。一个房间 中混响信号的能量是该房间大小和其中物质的函数，不同的物质有不同的反射特性。在 房间里，混响的平均声强呈指数衰减。对一个典型的办公室来说，它的混响时间大约是 200 到 300ms。要使声学回声衰减 30dB，就要使用一个 100 到 150ms 的回声抵消，在 8kHz 的采样率下自适应滤波器需要 1000 阶。 房间的冲击响应随时间变化并非呈现静态不变的，它随着环境温度、湿度、压力的
自适应算法有许多种，但目前最受欢迎的算法是 LMS（least mean square）算法， 它大约是在 1960 被引入作为自适应开关。LMS 算法是在 20 世纪 60 年代中期被应用于 回声抵消和自适应天线阵列。 从此以后此算法被广泛应用于自适应信号处理的许多领域 和其他领域（如干扰消除，均衡器和系统辨识） 。 LMS 算法的收敛速度依赖于输入信号的自相关矩阵的本征值分布，如果输入信号 是语音信号，它的自相关矩阵的本征值分布很大 LMS 算法的收敛速度就会有很大的波 动。抑制这种波动的一种方法就是白化语音信号（也就是使自相关矩阵的本征值都相等 和恒定） 。语音是不稳定的信号，它的频谱特性的变化比回声路径的变化快。因此除了 对应回声路径的自适应外， 白化语音还需要一个快速的自适应。 NLMS 就是其中的一 而 种算法。然而本征值的变化能很容易的估计，本征值的变化是对应信号幅度的变化的。 所既然本征值是与输入信号的能量成比例的。所以可以用梯度除以信号的能量。 回声抵消算法中除了 LMS 算法外还有 [14] ：步长和滤波器权值成比例的成比例 NLMS 算法（PLMS） ；基于两路回声通道的回声抵消；最小二乘法（LS） ；递归最小二 乘法（RLS） ；仿射投影法（APA） 。PLMS 是近来引入电话线路的。但其他算法都不能 实际用于回声抵消，虽然原理上能实现。其中两路回声通道的回声抵消不能实际运用的 原因是它其中的判断算法难以设计，且它增加了存储量。LS 和 RLS 算法不能实现是由 于他们增加了计算复杂度。 APA 算法的复杂度介于 LS 算法 RLS 算法和 LMS 算法 NLMS 算法之间，且更接近 LMS 算法和 NLMS 算法。现在又出现了快速递归最小二乘法和快
图 2.1 简单描述了混合器在典型的电话远端通讯中的布局和作用。每一部模拟电话 都通过两端通信的两线电路和总机连接。 本地的电话在总机简单的把两路两线电路直接 连接。当通讯距离超过 35 英里时就需要放大，因此就需要把不同方向的信号分离，这 就要用每条线传输一方向信号的四线电路通讯。这时就利用混合器（Hybrid）连接两线 电路和四线 所示，混合器（Hybrid）的作用是把来自说线
中北大学学位论文 变化而变化，另外，移动的物体，比如人体、门、传声器和说话者之间位置等变化，都 会迅速改变该声学系统的冲击响应。 随着与声源之间的距离的增加，声压成比例降低。说线cm 时， 传声器信号增益 25dB 才能与说话人手持听筒时声音直接进入传声器的信号相当。在放 大近端说话人的声音的同时，房间的混响和背景噪音也同时被放大。
通信系统的回波抵消可分为两大类：其一为线路回波抵消问题，实际上回波抵消首 先是因为有线电话中的线路均衡问题而提出的。其二为声学回波抵消问题。
由于沿着传输介质有某些阻抗不匹配而造成了电路的回声， 这种回声被称之为线路 回声或者网络回声（Line Echo or Network Echo）。 如果两个手持听筒的电话之间通话，那么就只有一种类型的回声，即线路回声。如 果是公司内部电话，他们由双扭铜线相连接，这种产生的回声很小，即使有一些，由于 它的延迟很短，因此线路回声不会带来太大的问题。然而，如果是远程电话机之间的连 接，其两端之间的往返延迟不能被忽略，回声可以清晰地听出来。这种回声的重要来源 是一个二/四线转换电路的设备（Hybrid）[9]。
中北大学学位论文 一直闭合，就没有消除回声，A 端在听到 B 端的声音的同时也听到了自己的回声。 如果回声抑制器中的判断装置没有缺陷，则回声抑制器是一种令人满意的回声控制 装置。但这是不可能的。要比较的两路信号都是语音信号有相同的统计特性。主要的是 判断的唯一标准是信号的幅度，但有时回声的幅度也会很大，而有时语音信号的幅度也 会很小这时插入的语音信号就会受损伤。 2.1.2 线
中北大学学位论文 代替了回声抑制器中断开通路 L2 操作。而这个人为的回声信号 y(n)是 x(n)通过一个滤 波器产生的，这个滤波器的传递函数与 x(n)通过混合器产生 y(n)中回声的传递函数相匹 配[11]。 如前所提到的，产生回声的路径是变化的，因此滤波器就不能固定，它必须根据不 同的与混合器连接的回路作估计。 这个滤波器也可以认为是测量产生回声系统的传递函 数，由于此传递函数是不停变化的，滤波器就必须跟着不停的测量。而这跟着不停的测 量的过程就是自适应过程。
回声抑制器被广泛应用了 70 多年，这 70 多年中陆地的线路距离是几千英里，回声 的返回延时在 100 毫秒内。但随着 1965 年卫星通信的崛起，情况发生了变化。同步卫 星距地球表面大约 23000 英里，而利用卫星通信的电线 毫 秒。如此长的延时，回声抑制器已不能满足要求了。就要求找到一个针对如此长的延时 的新的回声消除方法。在许多方法中应用最广的是自适应回声抵消器。它独特的特性使 得它在回声抵消中具有其它方法不可比拟的优势。和其他方法相比，它对传输回声的通 道没有影响，因此它就不会损伤此通道里传输的语音。线路回声抵消器的原理图见图 2.3。同样图 2.3 也只图示了一端的结构，另一端相同。在图 2.3 中，返回信号 d(n)减去 A 端语音信号 x(n)生成的一个人为的回声信号 y(n)产生要传送到 A 端的信号 e(n)的操作
前面所描述的是由于二/四线转换电路的阻抗不匹配引起远程通信网络中的回声， 现 代远程通信中回声的另一个主要来源是免持电话的传声器和扬声器之间的声学耦合， 称 为声学回声（Acoustic Echo）。 免提电话和电话会议系统中的声学回声抵消与线路回声抵消不同， 这主要是产生回 声的机理不同，这里的扬声器－房间－传声器系统代替电话线路中的混合器（Hybrid） ， 如图 2.4。原用于线路回声抵消的回声抑制器在这已不能应用。
