【導讀】回聲路徑的延遲大......

　　

【正文】 話信道。根據 傳統(tǒng)電話業(yè)務的統(tǒng)計，一方用戶實際占用通話信道的時間不會超過整個通話時間的 40%。這主要包括以下幾個方面的原因 ： 一是正在聽對方說話 ； 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頻率低 ； 第三種情況停頓間隙短而出現頻率高 ； 第二種情況界于一、三種情況之間。在用戶沒有講話時，就不發(fā)送語音分組，從而可以進一步降低語音比特率，節(jié)省寶貴的帶寬資河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 28 源，有利于減少用戶感覺到的端到端的時延 。 回聲消除 方案 回聲源較復雜 在傳統(tǒng)電話系統(tǒng) 中，存在著一種所謂的“電路回聲”，該回聲產生的主要原因是因為在傳統(tǒng)的電話系統(tǒng)中，存在 24線的轉換。電話語音在傳輸的過程中，完成 24轉換的混合器因阻抗的不匹配，結果造成混合器的“泄露”。從 IP 電話系統(tǒng)組成方式可以看出， IP電話網關一邊連接 PSTN，另一邊連接因特網。盡管電路回聲產生于 PSTN 中，但該回聲同樣會傳至IP 電話網關，影響 IP 電話語音質量。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“聲學回聲”。聲學回聲又分為直接回聲和間接回聲。直接回聲是指揚聲器播放出來的聲音未經任何反射直接進入麥克風，這種回聲延遲最短 :而間接回聲是指揚聲器播放的聲音經過不同的路徑一次或多次反射后進入麥克風所產生的回聲的集合，因此這種回聲的特點是多路往、時變的。另外，在 IP 電話系統(tǒng)中，背景噪聲也是產生回聲、影響語音質量的因素之一。 回聲路徑的延遲大 在 IP 電話系統(tǒng)中，產生延遲的延遲源有 ： 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，首選的壓縮標準是 ，在 標準中，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很重要的因素，而且，分組的傳輸延遲也很大。據測試表明，端到端的最大傳輸延遲可達 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，而且抖動較大， 一般在 20400ms之間。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 29 自適應回聲抵消原理 回聲抵消的基本原理是用一個自適應濾波器模擬回聲路徑，通過自適應 濾波算法的調整，使其沖激響應與實際回聲路徑相逼近，從而得到回聲預測信號，再將預測信號從近端采樣的語音信號中減去，即可實現回聲抵消，如圖 6所示 ： 圖 6 回聲抵消器 自適應算法的要求是 :收斂速度快、計算復雜度低、穩(wěn)定性好和失調誤差小。雖然許多自適應算法在理論上實現回聲抵消都是可行的，但在大多數情況下，簡單、穩(wěn)健的算法比復雜的算法更可取，如得到廣泛應用的LMS自適應算法，其原理是使預測信號的均方誤差最小。 丟包 解決 方法 延時抖動和丟包是網絡傳輸中影響 IP實時語音服務質量 (QoS)的主要因素 ， 而包丟失是音 質下降的最主要原因 。下面介紹一下丟包的原因 。 丟包的原因 ⑴ 擁塞 在實際過程中 ,數據分組 (即數據包 )在網絡中傳輸時一旦遇到網絡阻塞 ,就會滯留在各個網絡節(jié)點 ,而數據網絡將丟失分組作為解決網絡擁塞的手段 ,因此如果相應網絡節(jié)點的分組數量超過其緩沖極限 ,就會有部分河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 30 數據丟失 ,即丟包 。 ⑵ 超值延時 實時話音業(yè)務有嚴格的延時限制 ,長時間的延遲是不能承受的 ,分組延遲超過了抖動緩沖區(qū)的可忍耐極限時也將被視為丟失 。 ⑶ 傳輸損傷 由于網絡中傳輸設備的物理問題產生的損傷 ,如物理線路的信號畸變導致數據丟失 。 丟包的修復方法 ⑴ 重發(fā) 顧名思義就是當收端發(fā)現某個數據分組沒有收到時可以要求發(fā)端重新發(fā)送該分組 。 由于數據在收端要連續(xù)的回放 ,所以必須確保重發(fā)的數據在回放之前被接收 ,這對收端的回放緩存和系統(tǒng)定時提出了更高的要求 。 ⑵ 增加冗余度 在網絡傳輸的語音包流中加入一些冗余信息 ,一般以冗余包的形式出現 。 當語音包丟失時 ,可通過收到的冗余包所含的信息將其恢復過來 .該技術實質上也屬于前向糾錯 (FEC)技術 ,在發(fā)送端設置編碼器 ,接收端設置解碼器 。 采用 FEC 技術處理的語音信號傳輸流程如下圖 7所示 : 圖 7 FEC 技術中語 音信號傳輸流程圖 ⒈ 奇偶校驗法 奇偶校驗法是一種簡單實用的丟包恢復方法 ， 可以有效的恢復 n個語河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 31 音包中單個包丟失的情況 ， 其原理示意圖如下圖 8 所示 。 取 n為 4， 第四個包加一個冗余包 ， 該包為四個數據包異或操作的結果 ,這樣 ,當四個包中任一個包丟失時 ,僅需用冗余包替代丟包即 ,可這種算法計算量小 ,但無法解決連續(xù)多個包丟失的情況 。 圖 8 奇偶校驗法原理圖 ⒉ 改進的奇偶校驗法 對奇偶校驗法進行改進后 ,可糾正連續(xù)多個包丟失的差錯 。 將三個二進制數據包當作一組數據包處理 ,共有三組 ,每組中同樣序列的數據包異或相加可得一 個冗余包 ,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 冗余包的計算 這樣當這 9 個數據包任意連續(xù)三個包丟失時 ,可通過其對應序列的冗余包恢復過來 ,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付突發(fā)錯誤引起的多包丟失 ,缺點是冗余度較大 ,增加傳輸時延和帶寬 ,改進的奇偶校驗法原理圖如下圖 9所示 ： 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 32 圖 9 改進的奇偶校驗法原理圖 ⑶ 雙重編碼糾錯技術 之所以稱為雙重編碼糾錯是因為 此時語音編碼器輸出的語音包包含兩部分 ： 當前語音包編碼信息 (CI)和以前語音包冗余編碼信息 (RI)。 編碼輸出中的第 n個包包含前面第 n1個包 (甚至更多包 ,如第 n n3 個等 )的 RI信息 。 如果接收端發(fā)現第 n1個包丟失 ,那么就可以利用隨后收到的第 n個包附帶的 RI來重構丟包 。 CI和 RI 編碼的算法一般并不相同 ,冗余信息應該以較低的速率編碼來降低不必要的資源浪費 ,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 ,具體算法的選擇應根據具體的應 用場合而定 。 由原理圖可知 ,這種糾錯編碼技術可恢復單個包的丟失 ,時延很小 ,只有一個語音包傳輸的固有時延 ,對于交互性場合較為適用 ,若應用中允許大的時延 ,則可以延時發(fā)送語音包的 RI,這樣可以糾正連續(xù)多個包丟失的突發(fā)性錯誤 。 原理圖如下圖所示 ： 圖 10 雙重編碼糾錯技術原理圖 ⑷ 分類處理 為了在收端更好地采用波形替換技術 ,發(fā)端可以根據語音信號的特性分類處理 ,Sanneck 采用自適應分組與掩蓋技術 AP/C,利用可變的數據分河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 33 組長度來降低丟包率 。 具體做法是對于濁音信號先估算其基音周期 L,然后把兩段長度為 L的波形封裝到一個分組內 。 對于非濁音信號包括 (清音 、噪聲和靜音 )則全部封裝到一個分組內 。 即用小數據包傳送濁音信號 ,用大數據包傳送其它信號 。 DaSilva 把語音信號分為背景 、 噪聲 、 濁音 、 磨擦音及其他等共 4 類 。 對每一類采取不同的編碼和差錯掩蓋技術 。 具體做法是對背景噪聲采用 2 比特 ADPCM,對濁音采用 4 比特 ADPCM 加單抽頭短時預測器和單抽頭基音預測器 ,對清音采用 4 比特 ADPCM 加雙抽頭短時預測器 ,對其它信號采用 8比特 U 律 PCM 編碼 。 一旦分組丟失 ,接收端可根據收到的分組來推測丟失的分組所含信號的類型并采取相應的策略 。 ⑸ 多丟包插值恢復法 它的基本思想是一個語音包含有兩個包的信息，當丟包事件發(fā)生后，則對所丟包的每個采樣點進行插值來估算原始值。這與一般插值法僅僅根據某個己丟失包前后的數據包進行整體估值有很大的不同。 具體的實現方法是 ： 在發(fā)送端，含有兩個包的信息量的連續(xù) 2N 個采樣點按奇偶點的不同被分別發(fā)布在一對語音包中，所有的 N 個奇數點按序封入奇位包內 ； 按相同的方法， N 個偶數點按序封入偶位包中。然后這兩個包依次發(fā)送。在接收端收到經過這樣處理的數據后，也需要重新組合才能正確地恢復語音。 在接收端 ， 如果發(fā)現丟失了一個數據包，那 么可以用在發(fā)送端與之成一對語音包中的另一個語音包中的每個采樣點通過估算來恢復相應的采樣點數據 ： A(n)=a*A(n1)+b*A(n+1) 其中 A(n)是丟包的一個采樣點， A(n1)和 A(n+1)是它對應包的相鄰采樣點， a和 b都是小于 1的系數，可以根據具體的情況來定。這種奇偶采樣插值法的優(yōu)點是無冗余數據，不增加網絡的負擔，但它只能夠恢復單個語音包的丟失，這是它的不足之處。 繼續(xù)完善這種奇偶采樣插值法，使它能夠處理網絡中同時發(fā)生的多個河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 34 丟包情況，稱這種丟包恢復的方法為“多丟包插值恢復法 ”。 這種算法的特點是 ： 多個語一音包成為一組，它們互相包含，沒有冗余數據。當一旦發(fā)生語音包的丟失時，就用同組的其他語音包來恢復它。結果是避免了局部的語音斷續(xù)，但是這組的語音質量會有所下降。它更注重的是語音整體的效果。 多丟包插值恢復法的原理敘述如下 ： 首先形成一組數據包， 每 個包都包含數 目 相等的采樣點。在如下的敘述中，暫時假定一組數據包中包含了五個數據包，每個數據包中的采樣點數目為 N。這五個數據包所載的語音是連續(xù)的一段，其采樣值連續(xù)編號為1到 SN。 要實現多丟包恢復的目的，關鍵在語音包的封裝過程，要做到互相包含。這五個語音包是這樣 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； 當這組的五個包都到達接收端后，要進行數據重組，將各個采樣點重新排列，恢復它的自然順序后就能得到正確的語音。 如果在規(guī)定的時間內，五個數據包中有一個或幾個數據包未能到達接收端，就視為這些數據包丟失，也就是發(fā)生了數據丟失。如果發(fā)生了數據包丟失，本方法的處理是 ： 以同組的其他未丟失的數據包對所丟包進 行插值，來恢復丟失的數據。它需要涉及到這一組中正確到達的每一個采樣點。 例如 ： 第二個數據包丟失，而這組中其他的四個語音包正確到達，就可以用與之相鄰的第一包和第三包的數據為基礎進行插值，所用的公式是 ： 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 35 A(2)=a*A(1)+b*A(3) 上式中 A(2)是所丟包中的一個采樣點， A(1)和 A(3)是相鄰包對應的采樣點， a和 b 都是小于 1的系數，可以根據具體的情況來定。 當丟失的數據包是第四個時，處理方法類似，公式變成 A(4)=a*A(3)+b*A(5) 如果這組數據包中丟失的是第二、第三、第四數據包處理的情況都 相對簡單，但是如果第一或第五數據包丟失，也就是這組數據包中兩端的數據包丟失，處理起來就會相對復雜。不能簡單的用上面的公式，要具體分析是那一個數據包丟失。 例如 ： 丟失了第一包數據，它的采樣點應該是 ： 1,6,11,16?? 5N4，那么僅用其相鄰的第二個數據包來恢復數據就不易達到較好的效果。此時可以再利用第五個數據包的數據作為恢復的基礎，它們分別包含的采樣點是 ： 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 個采樣點的數據恢復 可用第二包的第 7 個采樣點和第五包的第 5 個采樣點的值來恢復 。 A(6)=a*A(7)+b*A(5) 此時這個公式中的 5,6,7 代表采樣點的序號 ， 與前面所述的式子是不同的。丟失第五個包時的處理類似。 現在可以看到在恢復一個包丟失的情況，本算法就比奇偶采樣插值法有優(yōu)勢。接下來最關鍵的是這種多丟包插值恢復法可以處理兩個以上數據包的丟失情況。它構成了這個算法的創(chuàng)新點。 如果丟失了兩個包，只有第一包、第四包、第五包達到，那么就可以用第一包、第四包為基礎恢復第二包和第三包數據，這時的插值公式如下 ： A(2)=a*A(1)+b*A(4) 河南理工大學畢業(yè)設計（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)是各個語音包中對應的采樣點， 1,2,3,4是語音包的標號，而系數 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的距離要