通信中的自适应回波抵消及其相关技术

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2、混合传输降低无线网络传输成本|正文：【摘要摘要】现在，自适应回波抵消越来越多地被用来改善通信质量。本文介绍、比较了自适应回波抵消的关键技术回波抵消算法和双方同时通话检测，并对自适应回波抵消芯片中采用的其它相关技术作了介绍。关键词关键词：回波抵消自适应滤波双方同时通话回波路径跳变二四线转换回波抵消芯片1 1 引言引言在长途通信及移动通信中，回波是四线长距离传输网络与二线本地用户线之间完成转换功能的设备二四线转换设备的直接产物。在电话网络中，当回波的返回时延超过35 ms 时，回波会严重影响通话的正常进行。对于长途通信与移动通信，由于回波的返回时延往往在 35 ms 以上，甚至可能达

3、到几百毫秒，因此应该采取相应的措施有效控制回波给通信带来的影响，以提高通信质量。为控制回波，人们曾提出过“通过网络衰减”及“回波抑制”等技术，但这些技术都不能有效地解决通信网络中回波带来的问题，逐渐被淘汰。后来，回波抵消技术的基本思想提出后，得到许多学者与工程技术人员的重视，人们就其中的若干关键技术提出了各种不同的算法，并得到了实用化。2 2 回波抵消技术的基本原理回波抵消技术的基本原理如图 1 所示，理想情况下，来自远端的话音信号 X经过二四线转换器 g 完全匹配后完全被近端接收器所接收；但是由于二四线转换器 g 很难做到完全匹配（即理想情况），总有一部分信号被遗漏，形成回波 Yk，它与近

4、端话音 nk一起被发送到远端，对通信造成影响。回波抵消技术的基本思想是通过一个线性滤波器 hk自适应地逼近二四线转换器 g 所产生的回波 yk，然后回波参考值 dk被回波的估计值相减，从而达到抵消回波 yk的目的。输出的残余回波 ek又通过一个自适应算法（一般采用迭代的方式）反馈控制 hk的变化，使 hk朝着使 ek减小的方向改变。自适应算法对回波抵消器性能的好坏起着决定性的作用。人们针对回波抵消算法进行了理论上和实践方面的探讨，提出了 LMS 算法、RLS 算法、均方 Kalman 算法等多种算法，这些算法在性能上各有优劣，适用于不同场合。自适应算法的衡量标准通常有三个：精度、收敛速度和计算

5、量，有时还考虑鲁棒性。 3 3 几种自适应算法及其比较几种自适应算法及其比较依据采用的标准，可以将自适应算法归为两类：误差和最小的算法。（1）LMS 算法最小均方误差（LMS）算法是最简单、应用最广泛的自适应算法之一。LMS 算法通过自适应调节 hk，使得残余回波或平方误差的期望值达到最小。事实上，LMS 算法是依据最陡梯度法来更新滤波器系数 hk的，用算术矢量形式表示为：由于hE（e2k）很难实际计算出来，因此在 LMS 算法中。平方误差的期望值被瞬间值所取代，即：将式（1）与式（2）结合在一起，于是 LMS 算法可表达如下：为确保收敛，收敛因子应满足 02max（max是 E（XkXT

6、k）的最大特征值）。由于 LMS 算法易于实现，同时，算法对有限寄存器长度造成的实现误差不敏感，因此 LMS算法对于实际应用来说具有相当的吸引力。然而 LMS 算法的收敛速率依赖于 E（XkXTk）特征值的发散程度。在实际应用中，输入信号往往是语音，而语音的特征值分布相对分散，因此 LMS 的收敛速度较慢，于是又出现了很多改进算法，比如滑动窗 LMS 算法，时域去相关 LMS 算法（DLMS），NLMS 算法，符号误差算法等等。这些算法比基本的 LMS 算法在精度和收敛速度上有明显的改进，计算量和基本 LMS 算法相当。由于 NLMS 算法相对简单，容易实现，因此应用更广泛。（2）NLMS

7、算法NLMS 算法中，hk的变化由 ekXk确定。由于 ekXk正比于输入信号 Xk，因此梯度的估计误差会随着 Xk幅度的增加而增加。为避免这一问题，可以将收敛因子相对于 Xk的短时平均能量Xk2进行归一化，由此便得到归一化的最小均方误差（NLMS）算法：式中，为确保收敛，应满足 02。与 LMS 不同，NLMS 的收敛条件与输入信号的特征值无关，同时，当输入信号为语音时，NLMS 算法比 LMS 算法的收敛速率快，而且鲁棒性更好。另外，在计算量方面，NLMS 算法的计算量与 LMS 相当。因此，NLMS 算法比 LMS 算法应用更广泛。（3）RLS 算法由于 LMS 算法只是用以前各时

8、刻的抽头参量等作该时刻数据块估计时的平方误差均方最小的准则，而未用现时刻的抽头参量等来对以往各时刻的数据块作重新估计后的累计平方误差最小的准则，所以 LMS 算法对非平稳信号的适应性差。递归式最小均方（RLS）算法的基本思想是力图使在每个时刻对所有已输入信号而言重估的平方误差的加权和最小，这使得 RLS 算法对非平稳信号的适应性要好。与 LMS 算法相比，RLS 算法采用时间平均，因此，所得出的最优滤波器依赖于用于计算平均值的样本数，而 LMS（NLMS）算法是基于集平均而设计的，因此稳定环境下 LMS（NLMS）算法在不同计算条件下的结果是一致的。在性能方面，RLS 的收敛与 E（XkXTk

9、）的特征值无关，同时 RLS 的收敛速率比 LMS（NLMS）要快得多，因此，RLS 在收敛速率方面有很大优势。然而，鲁棒性或有限精度问题却给 RLS 算法的有效性带来很大的问题：一方面，横向 RLS 算法往往不稳定，鲁棒性很差，另一方面，格状 RLS 算法计算量很大，基本是 LMS 算法的计算量的平方。以上缺点，使 RLS 算法并不适合语音通信中的回波抵消。还有一种快速横向自适应滤波（FTF）算法，和 RLS 基于同样的准则，但计算量和 LMS 相当，详见文献1 。快速自适应滤波对各种通信，特别是信道辨识、线性预测以及信道均衡日趋重要，因此将域变换用到自适应滤波能够加速收敛，因此在理论和实用

10、上都对域变换自适应算法进行了研究。常用的域变换法主要有离散傅里叶变换（DFT 或 FFT），离散余弦正弦变换（DCTDST），Walsh 变换（WT），近来正在研究小波变换在自适应滤波中应用。从得到的实际效果看，所有正交变换自适应算法的收敛速度都优于或等于时域 LMS 算法，而且对于某些信号，如果它在某变换域中的“谱”集中，那么用此种域变换的自适应算法收敛效果就越好。因此域变换自适应算法在抑制窄带干扰和宽带信号的增强等方面有良好的应用。4 4 双方同时说话（双方同时说话（DTDT）回波路径跳变（）回波路径跳变（EPCEPC）检测与控制方法）检测与控制方法在语音通信中，有两种突变的情形影

11、响到自适应回波抵消的正常运行。一种情形是通话的双方同时说话（DT）。当通话的双方同时说话时，若回波抵消设备不及时检测这种情况并适时抑制滤波器的迭代，则自适应滤波器会把近端的话音当作回波进行抵消，最终可能导致回波抵消设备的横向滤波器的系数发散，导致回波抵消失败。另一种突变情形是回波路径跳变（EPC，即滤波器 g 突变）。当话路被一次新的通话所占用，或双方在一条话路上通话，第 3 方或多方以电话会议的形式插入，或正在进行电话会议的一方或多方退出电话会议时，都会导致回波路径 g 的突变。当这种情形发生时，回波抵消设备应迅速提高收敛速率，以便回波抵消设备尽快抵消由这种路径突变造成的突发回波，并重新收敛

12、到新的稳定状态上。因此，当确定好自适应回波抵消算法后，DT 和 EPC 的检测与控制便是关系到回波抵消器性能好坏的关键。目前，DTEPC 检测与控制的方法主要可分为两类。一类是比较电平的方法，另一类是基于相关性的方法。基于比较电平的方法中最典型的检测方法是 Geigel 算法。Geigel 算法通过比较 Xk与 dk电平的大小，来判断是否出现 DT。当 dk的幅度比 Xk的幅度大6dB时，Geigel 算法认为出现了 DT。Geigel 算法最大的优点是简单高效，因而得到了广泛的应用。然而 Geigel 算法在以下两种情况下会出现 DT 的误检测现象：首先，当近端存在噪音，同时回波路径损耗较小

13、时，有可能出现 DT 的虚警现象；其次，当近端话音的电平较低，且回波路径损耗较大时，dk的电平可能不满足比 Xk大6dB的条件，此时会出现 DT 的漏警现象。基于相关性的方法的特点是通过计算与比较回波参考 dk与远端话音信号 Xk或回波参考 dk与 yk的相关性，来判断或区分是否出现 DT 或 EPC。与比较电平的方法相比，基于相关性的方法对回波路径损耗并不敏感，基于相关性的方法存在以下三个缺点：首先，这类方法往往假设 dk与 Xk或 dk与 yk不存在相关性，而实验表明，dk与 Xk或 dk与 yk在某些时刻会出现很强的相关性，因此这些方法常常可能导致误检测现象；其次，在实际计算互相关性时，

14、往往需要用时间平均来估计相关值，这使人们难以找到一个合适的门限值检测与区分 DT 或 EPC；最后，一些基于相关性的检测方法并没有考虑近端噪声的影响，因此这些方法在出现近端噪声时根本无法有效地区分 DT 或 EPC 来。因此，基于相关性的 DT 或 EPC 检测与控制方法要得到实用还要进行适当的改进。目前，人们仍在不断地积极探索更为有效的 DT 及 EPC 检测与控制的方法。5 5 其它相关技术其它相关技术随着长途通信和移动通信的迅猛发展，回波抵消技术的应用越来越广泛。很多厂家推出了专用于回波抵消的芯片，而且新一代的数字回波抵消芯片不仅提高了回波抵消效果，而且还采用了一些技术，增加了很多附加

15、功能。MITEL 公司研制的 MT9122 和 MT9123 就是两款性能很好的回波抵消芯片，MT9122 和 MT9123 差不多，下面就以 MT9123 为例简单介绍与回波抵消相关的技术。MT9123 是 MITEL 公司开发的用于话音频带进行回波抵消的符合 ITUTG165 标准的回波抵消芯片，功能很强大，主要特征有：（1）线路回波抵消；（2）听觉回波抵消；（3）噪声的补偿；（4）噪声的抑制；（5）舒适噪声的产生。其中（1）是它的基本功能，线路回波就是二四线转换器所产生的回波；（2）（5）是为提高通话质量而增加的功能。人们在使用无线电话或免提电话时，从听筒或扬声器传出的话音会有一部分经反

16、射（或耦合）后重新经过话筒或麦克风返回到话路中，这部分回波，称为听觉回波，它和线路回波一样需要抵消掉；（3）、（4）主要是为了提高信噪比。当远端的用户在背景噪声下通话时，噪声补偿功能将根据背景噪声的大小，自适应地提高或降低所收到的近端话音音量，从而保证了远端用户即使在嘈杂的噪声环境下也能进行正常的通信。同时，为使近端的用户免受噪声的干扰，噪声抑制功能可以有效抑制从远端传来的噪声。在线路回波抵消后，总会有少量的残余回波，MT9123 采用一个非线性处理器来消除残余回波，但是这也同时降低了背景噪声；有时线路的短暂中断，也会使背景噪声明显降45低。这些都可能被人耳感觉到。为了使通话者不会感觉到背景噪声的明显降低，需要插入一种类似于背景噪声的信号，即舒适噪声。这种功能能够在背景噪声明显降低的情况下继续传输较低电平的背景声音，保证了信号的连续性。MT9123 芯片包含两个独立的回波抵消器（A 和 B），每个抵消器中采用 1 024 阶的 FIR 滤波器。它们有

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