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一．引言　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　在本文中，討論了無(wú)線通信領(lǐng)域中聲學(xué)回聲的特性，并給出了對(duì)其進(jìn)行恰當(dāng)控制的方法。我們分析了聲學(xué)回聲和電氣回聲（混合回聲）的性質(zhì)，解釋了為什么需要采用不同的技術(shù)來(lái)控制并消除每種信號(hào)衰落。在本文中，還對(duì)幾家回聲消除器產(chǎn)品廠家實(shí)際采用的實(shí)施方法進(jìn)行了評(píng)述，推導(dǎo)出了為什么某些回聲消除器完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，或缺乏恰當(dāng)解決方案所需關(guān)鍵組件的原因。在本文的結(jié)論中，介紹了在NMS通信公司的回聲消除器設(shè)計(jì)中采用的方法，并闡述了該方法所基于的理論基礎(chǔ)。
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二．電氣（混合）回聲

　　回聲消除器首先是在為長(zhǎng)途應(yīng)用而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)中引入的。長(zhǎng)途應(yīng)用中包含過量的傳播延遲，這種現(xiàn)象突顯出了將雙線連接轉(zhuǎn)換為四線系統(tǒng)的混合線路的不完整性。這種混合線路的不完整性被描述為"信號(hào)泄漏"或因阻抗失配而導(dǎo)致的信號(hào)反射，稱為網(wǎng)絡(luò)電氣回聲（也稱為混合回聲）。在圖1中，描述了這種現(xiàn)象。

　　符合ITU G.168（2000）標(biāo)準(zhǔn)的回聲消除器能夠消除電氣（混合）回聲。這類設(shè)備在其運(yùn)行當(dāng)中采用了"兩段式"方法。在第1階段，使用線性卷積處理消除了大部分回聲。在第2階段，采用了非線性處理器（NLP）以消除殘存的回聲，這一部分相對(duì)較小。對(duì)殘存回聲信號(hào)的辨識(shí)是一件很簡(jiǎn)單的任務(wù)，這是因?yàn)樗墓β孰娖矫黠@低于原始的語(yǔ)音信號(hào)。

　　2.1 電氣（混合）回聲基本上是線性的

　　線性意味著，可以構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型（基于最小二乘法）來(lái)描述特定的回聲信號(hào)。首先對(duì)描述回聲信號(hào)的數(shù)學(xué)表示取反，然后將其加到實(shí)際返回的回聲信號(hào)上。結(jié)果為兩個(gè)完全相反（幾乎）信號(hào)之和，從而將回聲消除。由于技術(shù)方面的限制，數(shù)學(xué)模型存在缺陷。這種不完整性根植于源信號(hào)的來(lái)回轉(zhuǎn)換或"A"法則格式，而不是數(shù)學(xué)模型。使用非線性處理器（NLP），可以將源自這種不完整性的殘余回聲消除掉，NLP能像開關(guān)一樣有效地工作，形成一個(gè)單向連接，阻斷任何信號(hào)（包括殘余的回聲信號(hào)）正向通過該連接，如圖2所示。

　　2.2 電氣（混合）回聲是穩(wěn)定的

　　穩(wěn)定意味著，與語(yǔ)音信號(hào)相關(guān)的脈沖響應(yīng)是不變的，在一個(gè)特定呼叫的全過程中，在回聲消除器內(nèi)創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型只會(huì)出現(xiàn)很微小的漂移。這種行為要求回聲消除器存在一種自我訓(xùn)練機(jī)制，能根據(jù)特定的頻率作出響應(yīng)。訓(xùn)練是一項(xiàng)耗時(shí)的進(jìn)程，對(duì)于每一個(gè)呼叫，短可以少于100毫秒，長(zhǎng)會(huì)超過1秒。訓(xùn)練時(shí)間通常稱為呼叫啟動(dòng)過程中的會(huì)聚時(shí)間。

　　源自接收器（耳機(jī)）的聲波，通過位于聲音路徑上的固體物體反射進(jìn)入手機(jī)的麥克風(fēng)（話筒）中，或揚(yáng)聲器電話中，這就形成了聲學(xué)回聲。請(qǐng)參見圖3。

　　3.1 無(wú)線通信中感覺到聲學(xué)回聲的原因

　　在無(wú)線和有線應(yīng)用中都會(huì)出現(xiàn)聲學(xué)回聲。暴露在回聲狀況下的大多數(shù)有線配置均配備了電氣回聲消除器，因此，有線應(yīng)用中的聲學(xué)回聲是通過標(biāo)準(zhǔn)的回波消除算法和相關(guān)的NLP技術(shù)來(lái)控制的。直到最近才在數(shù)字無(wú)線應(yīng)用中采用了回聲消除器來(lái)消除在PSTN（公共交換電話網(wǎng)絡(luò)）端生成的回聲（即電氣回聲）。在數(shù)字無(wú)線情形下，PSTN用戶不會(huì)經(jīng)歷聲學(xué)回聲或電氣回聲。該假設(shè)基于如下根本原因：
　　（1）無(wú)線電話標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)備制造商在聲學(xué)回聲路徑上設(shè)計(jì)足夠大的衰減；
　　（2）在數(shù)字無(wú)線環(huán)境中不存在PSTN網(wǎng)絡(luò)中的"二－四線"混合，因此，數(shù)字
　　　　　無(wú)線設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生電氣（混合）回聲。
　　不幸的是，很多無(wú)線電話廠商未能遵從正式標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：在數(shù)字移動(dòng)電話接收器（耳機(jī)）和麥克風(fēng)（話筒）之間應(yīng)具有恰當(dāng)?shù)母綦x措施。作為其結(jié)果，聲學(xué)回聲成為了無(wú)線服務(wù)提供商需關(guān)心的一項(xiàng)事宜。此外，因語(yǔ)音壓縮技術(shù)以及語(yǔ)音壓縮算法的非線性而引入的較長(zhǎng)的處理延遲時(shí)間（往返延遲大于200毫秒），使得在數(shù)字無(wú)線應(yīng)用中，聲學(xué)回聲問題更加明顯。

　　3.2 數(shù)字無(wú)線應(yīng)用中的聲學(xué)回聲是非線性的

　　在無(wú)線電話話筒處進(jìn)入的聲學(xué)回聲隨后將被送至聲碼器（語(yǔ)音編碼器），聲碼器將按照處理有效語(yǔ)音信號(hào)的相同方式處理聲學(xué)回聲信號(hào)。也就是說，聲學(xué)回聲信號(hào)將被語(yǔ)音壓縮技術(shù)處理，該技術(shù)改變了信號(hào)的特征，與此同時(shí)，還在源信號(hào)和聲學(xué)回聲的處理結(jié)果之間創(chuàng)建了一種非線性關(guān)聯(lián)。

　　非線性意味著，在數(shù)字無(wú)線環(huán)境中實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型（基于最小二乘法估算，就像在線性電氣回聲消除中所采用的那樣），將其作為消除或減少聲學(xué)回聲的手段完全不適合。這是一種錯(cuò)誤的方法，它會(huì)引入額外的、不希望出現(xiàn)的副作用（以信號(hào)失真，回聲增加，和噪音形式出現(xiàn)）。這就是在處理聲學(xué)回聲時(shí)需要面對(duì)的情形。因此，試圖使用采用了標(biāo)準(zhǔn)線性卷積算法的回聲消除器來(lái)控制無(wú)線聲學(xué)回聲既昂貴且效率低下^①。

　　3.3 數(shù)字無(wú)線應(yīng)用中的聲學(xué)回聲是不穩(wěn)定的

　　由于聲學(xué)回聲是聲波自固態(tài)物體反彈而導(dǎo)致的結(jié)果，改變這些固態(tài)物體與無(wú)線電話耳機(jī)的相對(duì)位置會(huì)改變聲學(xué)回聲的特性。例如，頭部或手部的移動(dòng)，邊走邊講話，以及在會(huì)話過程中公共場(chǎng)所內(nèi)人員或物體的移動(dòng)，都會(huì)產(chǎn)生不同的，不穩(wěn)定的聲學(xué)回聲效應(yīng)。

　　不穩(wěn)定性意味著，與語(yǔ)音信號(hào)相關(guān)的脈沖響應(yīng)（即回聲）從本質(zhì)上講是一種"移動(dòng)的對(duì)象"。因此，在呼叫全過程中，標(biāo)準(zhǔn)電氣回聲消除器中采用的數(shù)學(xué)模型會(huì)不斷改變回聲的特征。因而，針對(duì)特定頻率響應(yīng)的訓(xùn)練技術(shù)即無(wú)效率且毫無(wú)用處。此外，訓(xùn)練是一項(xiàng)耗時(shí)的進(jìn)程，對(duì)于每一次呼叫，其時(shí)間從少于100毫秒到超過1秒。在這種情況下，截止回聲消除器完成訓(xùn)練時(shí)（即收斂時(shí)），它可能還停留在某一信號(hào)上，無(wú)法對(duì)當(dāng)前的聲學(xué)回聲作出響應(yīng)。其結(jié)果是，該方法可能會(huì)弊大于利（即，引入討厭的信號(hào)失真，降低語(yǔ)音質(zhì)量，帶來(lái)噪音等）。

　　總之，試圖使用采用了標(biāo)準(zhǔn)線性技術(shù)的回聲消除器來(lái)控制無(wú)線聲學(xué)回聲既昂貴且效率低下。

四．控制數(shù)字無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的聲學(xué)回聲

　　4.1 主要考慮因素

　　控制非線性、非穩(wěn)態(tài)聲學(xué)回聲的首選是采用非線性方法。然而，非線性方法--如在通常的回聲消除器中采用的傳統(tǒng)非線性處理器（NLP）--會(huì)帶來(lái)信號(hào)失真的副作用，形式為語(yǔ)音消波^②，并會(huì)因噪音脈動(dòng)^③干擾導(dǎo)致背景音頻發(fā)生變化。因此，對(duì)于有效的非線性方法來(lái)說，必須采取進(jìn)一步的措施，將這些副作用降低到最小程度，與此同時(shí)，它還應(yīng)能識(shí)別出聲學(xué)回聲信號(hào)并將其從語(yǔ)音信號(hào)（或任何其他有效信號(hào)）上分離，允許后者通過連接線路。

　　控制聲學(xué)回聲的另一個(gè)重要參數(shù)是定時(shí)。傳統(tǒng)的非線性處理器（NLP）采用了相對(duì)較短的回聲路徑時(shí)延，平均值介于10～64毫秒。通過回聲消除器中標(biāo)準(zhǔn)線性處理器的卷積操作，能夠簡(jiǎn)化電氣（混合）回聲消除器內(nèi)的NLP定時(shí)操作。在沒有卷積處理器，而且在時(shí)延的可能范圍內(nèi)存在明顯變化的情況下，有效的聲學(xué)回聲控制必須能夠在削弱返回信號(hào)前估算出聲學(xué)回聲路徑時(shí)延。因此，定時(shí)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致棘手的信號(hào)消波效應(yīng)，后者會(huì)降低語(yǔ)音質(zhì)量。

　　4.2 方法

　　在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中減少聲學(xué)回聲而不導(dǎo)致副作用的方法取決于：聲學(xué)回聲控制器辨別有效語(yǔ)音和聲學(xué)回聲信號(hào)特征的能力（即，能夠阻斷聲學(xué)回聲信號(hào)，并允許有效語(yǔ)音信號(hào)通過）。準(zhǔn)確的信號(hào)識(shí)別是正確操作的關(guān)鍵所在，不正確的信號(hào)分類（稱為錯(cuò)誤類型1，錯(cuò)誤類型2，和錯(cuò)誤類型3）會(huì)對(duì)通信質(zhì)量造成不利影響。

　　聲學(xué)回聲的一般頻譜特征類似于語(yǔ)音的頻譜特征。類似地，聲學(xué)回聲路徑中的非線性特征會(huì)引起回聲和原始語(yǔ)音音節(jié)之間的不一致。因此，有效語(yǔ)音和對(duì)應(yīng)的聲學(xué)回聲之間的電平差異（振幅差異）提供了相應(yīng)的信息，使用該類信息，可將聲學(xué)回聲從主流語(yǔ)音中分離出來(lái)。在圖4中，給出了識(shí)別某一信號(hào)是有效信號(hào)還是聲學(xué)回聲信號(hào)所采用的邏輯方法的概念視圖。

　　對(duì)于將聲學(xué)回聲信號(hào)從有效的語(yǔ)音信號(hào)中識(shí)別出來(lái)的邏輯方法來(lái)說，有兩種主要的相關(guān)事宜。下面，我們以問題的形式介紹了這兩種事宜：
　　1．為了將錯(cuò)誤判斷的概率降至最低程度，所應(yīng)采用的恰當(dāng)?shù)拈撝倒β孰娖绞鞘裁矗?br> 　　2．怎樣才能測(cè)量出語(yǔ)音和聲學(xué)回聲的功率電平，而不引入測(cè)量缺陷？^④
　　為了解決上述事宜，標(biāo)準(zhǔn)方法（業(yè)內(nèi)）是采用相對(duì)較低的功率電平閾值設(shè)置，以便將回聲從語(yǔ)音中分離出來(lái)，與此同時(shí)，忽略引入測(cè)量本身的失真信號(hào)（由背景噪音電平導(dǎo)致）。這是一種脆弱的方法，無(wú)法令人接受。該方法的主要缺點(diǎn)在于其較高的錯(cuò)誤率，其導(dǎo)因在于對(duì)信號(hào)的錯(cuò)誤分類（即，錯(cuò)誤地將聲學(xué)回聲信號(hào)解釋為語(yǔ)音信號(hào)，反之亦然）。下面，詳細(xì)介紹了支持該觀點(diǎn)的基本原理。

①	一家主要的回波消除器廠家采用了該方法，其方式是在單一線路上采用了全雙向回波消除器。（引"三－3.2"）
②	在不存在標(biāo)準(zhǔn)線性回聲的場(chǎng)合下使用NLP時(shí)，它會(huì)變?yōu)槠胀ǖ幕芈曇种破鳌Ｔ谙乱还?jié)，討論了與這類信號(hào)處理相關(guān)的性能事宜。（引"四-4.1"）
③	當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)NLP（作為對(duì)線性回波消除器的補(bǔ)充）打開語(yǔ)音通道以截?cái)鄽堄嗟幕芈曅盘?hào)時(shí)，它會(huì)"插入"（或"泵入"）匹配、舒適的噪音，以便使特定呼叫的背景噪音保持連貫。一家主要的回波消除器廠商采用了噪音泵入方法來(lái)遮蔽聲回聲。這種聲回聲控制并不能令人滿意，這是因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致背景噪音的明顯變化，使聽者（即用戶）分心并導(dǎo)致不適。（引"四-4.1"）
④	測(cè)量缺陷是因背景噪音而導(dǎo)致的，它傾向于放大所探測(cè)到的信號(hào)水平（功率）。（引"四-4.2"）

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