【導(dǎo)讀】回聲路徑的延遲大......

　　

【正文】 話信道。根據(jù) 傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)，一方用戶實(shí)際占用通話信道的時(shí)間不會(huì)超過整個(gè)通話時(shí)間的 40%。這主要包括以下幾個(gè)方面的原因 ： 一是正在聽對(duì)方說話 ； 二是由于思考、稍事休息等原因引起的一段話之間的停頓 ； 三是說話中間的停頓，如猶豫、呼吸、口吃等。第一種情況下停頓間隙長而出現(xiàn)頻率低 ； 第三種情況停頓間隙短而出現(xiàn)頻率高 ； 第二種情況界于一、三種情況之間。在用戶沒有講話時(shí)，就不發(fā)送語音分組，從而可以進(jìn)一步降低語音比特率，節(jié)省寶貴的帶寬資河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 28 源，有利于減少用戶感覺到的端到端的時(shí)延 。 回聲消除 方案 回聲源較復(fù)雜 在傳統(tǒng)電話系統(tǒng) 中，存在著一種所謂的“電路回聲”，該回聲產(chǎn)生的主要原因是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的電話系統(tǒng)中，存在 24線的轉(zhuǎn)換。電話語音在傳輸?shù)倪^程中，完成 24轉(zhuǎn)換的混合器因阻抗的不匹配，結(jié)果造成混合器的“泄露”。從 IP 電話系統(tǒng)組成方式可以看出， IP電話網(wǎng)關(guān)一邊連接 PSTN，另一邊連接因特網(wǎng)。盡管電路回聲產(chǎn)生于 PSTN 中，但該回聲同樣會(huì)傳至IP 電話網(wǎng)關(guān)，影響 IP 電話語音質(zhì)量。因此說，電路回聲是 IP 電話系統(tǒng)中的回 聲 源之一。 IP 電話系統(tǒng)中的第二種回聲源是所謂的“聲學(xué)回聲”。聲學(xué)回聲又分為直接回聲和間接回聲。直接回聲是指揚(yáng)聲器播放出來的聲音未經(jīng)任何反射直接進(jìn)入麥克風(fēng)，這種回聲延遲最短 :而間接回聲是指揚(yáng)聲器播放的聲音經(jīng)過不同的路徑一次或多次反射后進(jìn)入麥克風(fēng)所產(chǎn)生的回聲的集合，因此這種回聲的特點(diǎn)是多路往、時(shí)變的。另外，在 IP 電話系統(tǒng)中，背景噪聲也是產(chǎn)生回聲、影響語音質(zhì)量的因素之一。 回聲路徑的延遲大 在 IP 電話系統(tǒng)中，產(chǎn)生延遲的延遲源有 ： 分別是壓縮延遲、分組傳輸延遲和各種處理延遲。其中語音壓縮延遲是產(chǎn)生回聲的主要延遲。例如 : 協(xié)議規(guī)定，在 IP 電話系統(tǒng)中，首選的壓縮標(biāo)準(zhǔn)是 ，在 標(biāo)準(zhǔn)中，壓縮一幀 (30ms)的最大壓縮延遲是 。另外，分組傳輸延遲也是影響回聲的一個(gè)很重要的因素，而且，分組的傳輸延遲也很大。據(jù)測試表明，端到端的最大傳輸延遲可達(dá) 400ms 以上。因此，在 IP電話系統(tǒng)中，回聲的路徑延遲一般比較大。 回聲路徑的延遲抖動(dòng)大 在 IP電話系統(tǒng)中，由于回聲路徑的不確定、語音壓縮延遲的不確定、分組傳輸路徑的不確定等諸多不確定因素，帶來了回聲延遲的不確定，而且抖動(dòng)較大， 一般在 20400ms之間。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 29 自適應(yīng)回聲抵消原理 回聲抵消的基本原理是用一個(gè)自適應(yīng)濾波器模擬回聲路徑，通過自適應(yīng) 濾波算法的調(diào)整，使其沖激響應(yīng)與實(shí)際回聲路徑相逼近，從而得到回聲預(yù)測信號(hào)，再將預(yù)測信號(hào)從近端采樣的語音信號(hào)中減去，即可實(shí)現(xiàn)回聲抵消，如圖 6所示 ： 圖 6 回聲抵消器 自適應(yīng)算法的要求是 :收斂速度快、計(jì)算復(fù)雜度低、穩(wěn)定性好和失調(diào)誤差小。雖然許多自適應(yīng)算法在理論上實(shí)現(xiàn)回聲抵消都是可行的，但在大多數(shù)情況下，簡單、穩(wěn)健的算法比復(fù)雜的算法更可取，如得到廣泛應(yīng)用的LMS自適應(yīng)算法，其原理是使預(yù)測信號(hào)的均方誤差最小。 丟包 解決 方法 延時(shí)抖動(dòng)和丟包是網(wǎng)絡(luò)傳輸中影響 IP實(shí)時(shí)語音服務(wù)質(zhì)量 (QoS)的主要因素 ， 而包丟失是音 質(zhì)下降的最主要原因 。下面介紹一下丟包的原因 。 丟包的原因 ⑴ 擁塞 在實(shí)際過程中 ,數(shù)據(jù)分組 (即數(shù)據(jù)包 )在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)一旦遇到網(wǎng)絡(luò)阻塞 ,就會(huì)滯留在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) ,而數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將丟失分組作為解決網(wǎng)絡(luò)擁塞的手段 ,因此如果相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分組數(shù)量超過其緩沖極限 ,就會(huì)有部分河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 30 數(shù)據(jù)丟失 ,即丟包 。 ⑵ 超值延時(shí) 實(shí)時(shí)話音業(yè)務(wù)有嚴(yán)格的延時(shí)限制 ,長時(shí)間的延遲是不能承受的 ,分組延遲超過了抖動(dòng)緩沖區(qū)的可忍耐極限時(shí)也將被視為丟失 。 ⑶ 傳輸損傷 由于網(wǎng)絡(luò)中傳輸設(shè)備的物理問題產(chǎn)生的損傷 ,如物理線路的信號(hào)畸變導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失 。 丟包的修復(fù)方法 ⑴ 重發(fā) 顧名思義就是當(dāng)收端發(fā)現(xiàn)某個(gè)數(shù)據(jù)分組沒有收到時(shí)可以要求發(fā)端重新發(fā)送該分組 。 由于數(shù)據(jù)在收端要連續(xù)的回放 ,所以必須確保重發(fā)的數(shù)據(jù)在回放之前被接收 ,這對(duì)收端的回放緩存和系統(tǒng)定時(shí)提出了更高的要求 。 ⑵ 增加冗余度 在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼Z音包流中加入一些冗余信息 ,一般以冗余包的形式出現(xiàn) 。 當(dāng)語音包丟失時(shí) ,可通過收到的冗余包所含的信息將其恢復(fù)過來 .該技術(shù)實(shí)質(zhì)上也屬于前向糾錯(cuò) (FEC)技術(shù) ,在發(fā)送端設(shè)置編碼器 ,接收端設(shè)置解碼器 。 采用 FEC 技術(shù)處理的語音信號(hào)傳輸流程如下圖 7所示 : 圖 7 FEC 技術(shù)中語 音信號(hào)傳輸流程圖 ⒈ 奇偶校驗(yàn)法 奇偶校驗(yàn)法是一種簡單實(shí)用的丟包恢復(fù)方法 ， 可以有效的恢復(fù) n個(gè)語河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 31 音包中單個(gè)包丟失的情況 ， 其原理示意圖如下圖 8 所示 。 取 n為 4， 第四個(gè)包加一個(gè)冗余包 ， 該包為四個(gè)數(shù)據(jù)包異或操作的結(jié)果 ,這樣 ,當(dāng)四個(gè)包中任一個(gè)包丟失時(shí) ,僅需用冗余包替代丟包即 ,可這種算法計(jì)算量小 ,但無法解決連續(xù)多個(gè)包丟失的情況 。 圖 8 奇偶校驗(yàn)法原理圖 ⒉ 改進(jìn)的奇偶校驗(yàn)法 對(duì)奇偶校驗(yàn)法進(jìn)行改進(jìn)后 ,可糾正連續(xù)多個(gè)包丟失的差錯(cuò) 。 將三個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)包當(dāng)作一組數(shù)據(jù)包處理 ,共有三組 ,每組中同樣序列的數(shù)據(jù)包異或相加可得一 個(gè)冗余包 ,冗余包值如下表 3 所示 。 表 3 異或相加 冗余包 A1+B1+C1 X1 A2+B2+C2 X2 A3+B3+C3 X3 冗余包的計(jì)算 這樣當(dāng)這 9 個(gè)數(shù)據(jù)包任意連續(xù)三個(gè)包丟失時(shí) ,可通過其對(duì)應(yīng)序列的冗余包恢復(fù)過來 ,同理 ,我們可以將其推廣到一組兩包 、 一組四包等情況 ,這種方法可有效地對(duì)付突發(fā)錯(cuò)誤引起的多包丟失 ,缺點(diǎn)是冗余度較大 ,增加傳輸時(shí)延和帶寬 ,改進(jìn)的奇偶校驗(yàn)法原理圖如下圖 9所示 ： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 32 圖 9 改進(jìn)的奇偶校驗(yàn)法原理圖 ⑶ 雙重編碼糾錯(cuò)技術(shù) 之所以稱為雙重編碼糾錯(cuò)是因?yàn)?此時(shí)語音編碼器輸出的語音包包含兩部分 ： 當(dāng)前語音包編碼信息 (CI)和以前語音包冗余編碼信息 (RI)。 編碼輸出中的第 n個(gè)包包含前面第 n1個(gè)包 (甚至更多包 ,如第 n n3 個(gè)等 )的 RI信息 。 如果接收端發(fā)現(xiàn)第 n1個(gè)包丟失 ,那么就可以利用隨后收到的第 n個(gè)包附帶的 RI來重構(gòu)丟包 。 CI和 RI 編碼的算法一般并不相同 ,冗余信息應(yīng)該以較低的速率編碼來降低不必要的資源浪費(fèi) ,如 CI可用 8HzPCMu律 (64Kb/s)算法壓縮 ,RI 可用 GSM(13Kb/s)來壓縮 ,如采用最新的壓縮算法則增加得更少 ,具體算法的選擇應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng) 用場合而定 。 由原理圖可知 ,這種糾錯(cuò)編碼技術(shù)可恢復(fù)單個(gè)包的丟失 ,時(shí)延很小 ,只有一個(gè)語音包傳輸?shù)墓逃袝r(shí)延 ,對(duì)于交互性場合較為適用 ,若應(yīng)用中允許大的時(shí)延 ,則可以延時(shí)發(fā)送語音包的 RI,這樣可以糾正連續(xù)多個(gè)包丟失的突發(fā)性錯(cuò)誤 。 原理圖如下圖所示 ： 圖 10 雙重編碼糾錯(cuò)技術(shù)原理圖 ⑷ 分類處理 為了在收端更好地采用波形替換技術(shù) ,發(fā)端可以根據(jù)語音信號(hào)的特性分類處理 ,Sanneck 采用自適應(yīng)分組與掩蓋技術(shù) AP/C,利用可變的數(shù)據(jù)分河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 33 組長度來降低丟包率 。 具體做法是對(duì)于濁音信號(hào)先估算其基音周期 L,然后把兩段長度為 L的波形封裝到一個(gè)分組內(nèi) 。 對(duì)于非濁音信號(hào)包括 (清音 、噪聲和靜音 )則全部封裝到一個(gè)分組內(nèi) 。 即用小數(shù)據(jù)包傳送濁音信號(hào) ,用大數(shù)據(jù)包傳送其它信號(hào) 。 DaSilva 把語音信號(hào)分為背景 、 噪聲 、 濁音 、 磨擦音及其他等共 4 類 。 對(duì)每一類采取不同的編碼和差錯(cuò)掩蓋技術(shù) 。 具體做法是對(duì)背景噪聲采用 2 比特 ADPCM,對(duì)濁音采用 4 比特 ADPCM 加單抽頭短時(shí)預(yù)測器和單抽頭基音預(yù)測器 ,對(duì)清音采用 4 比特 ADPCM 加雙抽頭短時(shí)預(yù)測器 ,對(duì)其它信號(hào)采用 8比特 U 律 PCM 編碼 。 一旦分組丟失 ,接收端可根據(jù)收到的分組來推測丟失的分組所含信號(hào)的類型并采取相應(yīng)的策略 。 ⑸ 多丟包插值恢復(fù)法 它的基本思想是一個(gè)語音包含有兩個(gè)包的信息，當(dāng)丟包事件發(fā)生后，則對(duì)所丟包的每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行插值來估算原始值。這與一般插值法僅僅根據(jù)某個(gè)己丟失包前后的數(shù)據(jù)包進(jìn)行整體估值有很大的不同。 具體的實(shí)現(xiàn)方法是 ： 在發(fā)送端，含有兩個(gè)包的信息量的連續(xù) 2N 個(gè)采樣點(diǎn)按奇偶點(diǎn)的不同被分別發(fā)布在一對(duì)語音包中，所有的 N 個(gè)奇數(shù)點(diǎn)按序封入奇位包內(nèi) ； 按相同的方法， N 個(gè)偶數(shù)點(diǎn)按序封入偶位包中。然后這兩個(gè)包依次發(fā)送。在接收端收到經(jīng)過這樣處理的數(shù)據(jù)后，也需要重新組合才能正確地恢復(fù)語音。 在接收端 ， 如果發(fā)現(xiàn)丟失了一個(gè)數(shù)據(jù)包，那 么可以用在發(fā)送端與之成一對(duì)語音包中的另一個(gè)語音包中的每個(gè)采樣點(diǎn)通過估算來恢復(fù)相應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù) ： A(n)=a*A(n1)+b*A(n+1) 其中 A(n)是丟包的一個(gè)采樣點(diǎn)， A(n1)和 A(n+1)是它對(duì)應(yīng)包的相鄰采樣點(diǎn)， a和 b都是小于 1的系數(shù)，可以根據(jù)具體的情況來定。這種奇偶采樣插值法的優(yōu)點(diǎn)是無冗余數(shù)據(jù)，不增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，但它只能夠恢復(fù)單個(gè)語音包的丟失，這是它的不足之處。 繼續(xù)完善這種奇偶采樣插值法，使它能夠處理網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)發(fā)生的多個(gè)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 34 丟包情況，稱這種丟包恢復(fù)的方法為“多丟包插值恢復(fù)法 ”。 這種算法的特點(diǎn)是 ： 多個(gè)語一音包成為一組，它們互相包含，沒有冗余數(shù)據(jù)。當(dāng)一旦發(fā)生語音包的丟失時(shí)，就用同組的其他語音包來恢復(fù)它。結(jié)果是避免了局部的語音斷續(xù)，但是這組的語音質(zhì)量會(huì)有所下降。它更注重的是語音整體的效果。 多丟包插值恢復(fù)法的原理敘述如下 ： 首先形成一組數(shù)據(jù)包， 每 個(gè)包都包含數(shù) 目 相等的采樣點(diǎn)。在如下的敘述中，暫時(shí)假定一組數(shù)據(jù)包中包含了五個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包中的采樣點(diǎn)數(shù)目為 N。這五個(gè)數(shù)據(jù)包所載的語音是連續(xù)的一段，其采樣值連續(xù)編號(hào)為1到 SN。 要實(shí)現(xiàn)多丟包恢復(fù)的目的，關(guān)鍵在語音包的封裝過程，要做到互相包含。這五個(gè)語音包是這樣 封裝的 ： 第一包 : 1 16?? SN4； 第二包 : 1 17?? SN3； 第三包 : 1 18?? SN2； 第四包 : 1 19?? 5N1； 第五包 : 1 20?? SN； 當(dāng)這組的五個(gè)包都到達(dá)接收端后，要進(jìn)行數(shù)據(jù)重組，將各個(gè)采樣點(diǎn)重新排列，恢復(fù)它的自然順序后就能得到正確的語音。 如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，五個(gè)數(shù)據(jù)包中有一個(gè)或幾個(gè)數(shù)據(jù)包未能到達(dá)接收端，就視為這些數(shù)據(jù)包丟失，也就是發(fā)生了數(shù)據(jù)丟失。如果發(fā)生了數(shù)據(jù)包丟失，本方法的處理是 ： 以同組的其他未丟失的數(shù)據(jù)包對(duì)所丟包進(jìn) 行插值，來恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。它需要涉及到這一組中正確到達(dá)的每一個(gè)采樣點(diǎn)。 例如 ： 第二個(gè)數(shù)據(jù)包丟失，而這組中其他的四個(gè)語音包正確到達(dá)，就可以用與之相鄰的第一包和第三包的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行插值，所用的公式是 ： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 35 A(2)=a*A(1)+b*A(3) 上式中 A(2)是所丟包中的一個(gè)采樣點(diǎn)， A(1)和 A(3)是相鄰包對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)， a和 b 都是小于 1的系數(shù)，可以根據(jù)具體的情況來定。 當(dāng)丟失的數(shù)據(jù)包是第四個(gè)時(shí)，處理方法類似，公式變成 A(4)=a*A(3)+b*A(5) 如果這組數(shù)據(jù)包中丟失的是第二、第三、第四數(shù)據(jù)包處理的情況都 相對(duì)簡單，但是如果第一或第五數(shù)據(jù)包丟失，也就是這組數(shù)據(jù)包中兩端的數(shù)據(jù)包丟失，處理起來就會(huì)相對(duì)復(fù)雜。不能簡單的用上面的公式，要具體分析是那一個(gè)數(shù)據(jù)包丟失。 例如 ： 丟失了第一包數(shù)據(jù)，它的采樣點(diǎn)應(yīng)該是 ： 1,6,11,16?? 5N4，那么僅用其相鄰的第二個(gè)數(shù)據(jù)包來恢復(fù)數(shù)據(jù)就不易達(dá)到較好的效果。此時(shí)可以再利用第五個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)作為恢復(fù)的基礎(chǔ)，它們分別包含的采樣點(diǎn)是 ： 第一包 ： 1,6,11,16?? 5N4； 第二包 ： 2,7,12,17?? 5N3； 第五包 ： 5,10,15,20?? 5N； 比如第 6 個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)恢復(fù) 可用第二包的第 7 個(gè)采樣點(diǎn)和第五包的第 5 個(gè)采樣點(diǎn)的值來恢復(fù) 。 A(6)=a*A(7)+b*A(5) 此時(shí)這個(gè)公式中的 5,6,7 代表采樣點(diǎn)的序號(hào) ， 與前面所述的式子是不同的。丟失第五個(gè)包時(shí)的處理類似。 現(xiàn)在可以看到在恢復(fù)一個(gè)包丟失的情況，本算法就比奇偶采樣插值法有優(yōu)勢。接下來最關(guān)鍵的是這種多丟包插值恢復(fù)法可以處理兩個(gè)以上數(shù)據(jù)包的丟失情況。它構(gòu)成了這個(gè)算法的創(chuàng)新點(diǎn)。 如果丟失了兩個(gè)包，只有第一包、第四包、第五包達(dá)到，那么就可以用第一包、第四包為基礎(chǔ)恢復(fù)第二包和第三包數(shù)據(jù)，這時(shí)的插值公式如下 ： A(2)=a*A(1)+b*A(4) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 36 A(3)=c*A(1)+d*A(4) 式子中的 A(1),A(2)A(3),A(4)是各個(gè)語音包中對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)， 1,2,3,4是語音包的標(biāo)號(hào)，而系數(shù) a,b,c,d 要視具體情況來定。 由于第 一 包和第四包中的采樣點(diǎn)的距離要