摘 要：叙述网络电话系统" title="电话系统">电话系统的回声特点，介绍了ITU-T G.168建议书的有关要点。基于性价比方面的考虑，提出了利用nLMS算法构成的横向滤波器" title="横向滤波器">横向滤波器组成自适应回声消除" title="回声消除">回声消除器，并在TMS320C5402 DSP上实现了该算法。经过测试，主要性能均达到G.168规范要求。

关键词：横向滤波器 回声消除器 nLMS算法 数字信号处理 ITU-T标准

　　过去，通过卫星打国际长途电话时，因为同步静止卫星的通话路径长，引起通话延迟(单跳250ms，双跳500ms)，因电路失配所引起的线路回声就很明显，所以从二十世纪80年代起人们就研究回声消除的办法。由简单的回声抑制器发展到自适应回声消除器，国际电联(ITU)也相应地制订了回声消除器的国际标准，如G.164?G.165和G.167等。进入90年代后期，通过英特网拨打长途电话，即IP电话流行。IP电话是以数据包的格式在英特网中与其它数据信息按TCP/IP协议一起传输，从发话端到受话端延时较长，并且是不确定的。这里的延时包括算法延迟?处理延迟?网络延迟等，算法延迟从0.125ms～30ms不等，处理延迟约30ms，网络延迟高达70～100ms，总的延迟在100ms以上，而人耳对于大于50ms的回声就能鉴别出来，因此IP电话系统的回声影响相当严重，如何消除IP电话中的回声成为非常重要的问题。

　　在IP电话系统中，自适应回声消除器成为不可缺少的设备。鉴于IP电话与普通国际长途电话的不同，ITU于1997年通过了G.168回声消除器的标准，该标准是G.165标准的发展，而更多地考虑到网络情况，包括话音?传真?固定和移动用户等应用，所以G.165和G.168均为IP电话系统采用的标准。

1 ITU-T G.168

　　国际电联就回声消除技术先后发布了一系列规范，分别包括电学回声和声学回声的消除，其中1997年公布的G.168是关于电学回声消除的最新规范。该建议书针对数字回声消除器提出了一般的设计要求，定义了相关的测试项目，以保证其能够在各种网络条件下提供足够的回声消除能力。该建议书覆盖了比G.165更加广泛的网络情况，包括话音?传真?残余的声学回声和移动网等不同应用。同时，该建议书还定义了一系列客观测试项目(objective tests)，如果回声消除器通过这些测试，那么当其安装在网络中，起码就可以完成最低限度的回声消除功能。一个能够通过这些测试的回声消除器，不应该影响话音信号的传输或其它设备的工作。图1是回声消除器的基本组成和参数。

　　为了客观地评价各种回声消除器的性能，G.168中规定了一种特定的复合信号源(Composite Source Signals： CCS)，带限CCS是具有与话音类似的功率密度谱的信号，可以仿真话音信号的特征，用它来作测试信号可以测量回声消除器对话音信号的处理能力。由于信号的起始和终止都有明确定义，因此可以方便地测出同一方向上的切换时间，和整个系统的切换和延迟时间。

　　在MATLAB中，利用程序生成了符合G.168要求的带限CCS信号，如图2所示。

2 回声消除器的算法原理

　　一般而言，回声消除器就是一个自适应辨识系统，它通过特定的方法辨识未知的目标系统，即:回声经过的路径。通常，先设定“自适应辨识网络”的结构形式，再通过对输入序列和输出序列的计算，不断地调整网络参数。这种自适应辨识要求在尽量短的输入数字序列期间，以某种合理定义下的辨识误差为准则，解出各待定参数。

　　自适应网络结构的常用形式为“横向(Transverse)滤波器”，如图3所示。T是延时器，W(n)=[w₀(n)，w₁(n)，...，w_L-1(n)]是加权因子(n为时间序号)，即待定的网络参数，它随着辨识误差等而改变，每隔一个码元间隔(每时间序号)调整一次。

最陡梯度法是以最小估计误差平方为准则的自适应信号处理算法，但是它要求知道输入/输出数据的二阶统计特性，并且要求这些数据信号是平稳的，通常不易满足。于是，在最陡梯度法的基础上引入适当的近似，即得到LMS算法。由于在最陡梯度法中应用的是统计平均特性，而在LMS法应用的是瞬间数据，只是在统计平均的意义下才与最陡梯度法等效，故解所反映的过程是随机的，即它为一随机自适应算法。虽说输入信号" title="输入信号">输入信号的二阶统计特性彼此相同，所得解(指权值)与最陡梯度法相比却呈现波动，且波动瞬间时值随输入信号的不同而异。LMS算法的特点是:每次迭代的计算量小，所需的存储量也小，易于实现。

　　在图3的情况下，设X(n)=[x(n)，x(n-1)，...，x(n-L+1)]^T是时刻n的输入信号矢量，由最近的L个信号采样值构成，L是横向滤波器的长度。y(n)是回声消除器的期望(估计)输出值，d(n)是Sin点的实际输出值，e(n)是减法器得到的估计误差。μ是回声消除器控制稳定性和收敛速度的参量，称为步长因子。

　　LMS算法的基本方程归纳如下:

　　由于输入信号的大小对LMS算法存在影响，即同样情况下，能量高的信号会引起梯度噪放大，而能量低的信号算法收敛较慢。因此在实际应用中，将输入信号按照自身的平均能量进行归一化处理，得到归一化的LMS算法，即nLMS。如式(4)所示。

　　这里的参数a是nLMS所特有的，为了避免在输入信号矢量过小时可能产生的数值计算问题，而特意引入的，它是一个很小的正数。

　　从方程看，LMS算法的优点是运算简便，但它只有一个可调整参数，即步长因子μ，用来控制收敛速度。由于μ的选择受系统稳定性的限制，因此，算法的收敛速度受到较大限制。

3 用DSP实现的G.168回声消除器

3.1 TMS320VC5402 DSP的特点介绍

　　TMS320VC5402是TI C5000系列DSP芯片族中使用最广的一种，具有以下特点:

　　· TMS320VC5402 DSP，它的最高时钟频率达到100MHz，内核电压是1.8V，I/O电压是3.3V。它的片内存储器为:16KB DARAM，4KB ROM，功耗低，平均约为0.32mW/MIPS。

　　· DSP内部采用改进的哈佛结构，即:程序空间和数据空间分开，允许同时取指令和取操作数，而且，还允许在程序和数据空间之间相互传送数据。

　　· DSP芯片内部采用多总线结构，C54x内部有P?C?D和E等4条总线(每条总线包括地址总线和数据总线)，可以在一个机器周期内从程序存储区取1条指令，从数据存储区读2个操作数并向数据存储区写1个操作数，大大提高了DSP的运行速度。

　　· 在DSP中，采用流水线结构，将一条指令执行所需要的取指?译码?取操作数并执行等几个步骤同时完成，使指令周期" title="指令周期">指令周期降低到最小值。

　　· DSP内部有多个处理单元，如算术逻辑运算单元(ALU)?辅助运算单元(ARCU)?累加器(ACC)和硬件乘法器(MUL)等，它们可以在一个指令周期内同时进行运算，特别适用于FIR和IIR滤波器。

　　· 在DSP的指令系统中，设计了一些特殊高效的DSP指令，如FIRS和LMS指令，专门用于对称FIR滤波器和LMS算法。

3.2 编程介绍

　　DSP中实现的nLMS算法就是上面介绍的(1)～(4)式，但其中的归一化方法需要说明。首先，考虑到数值计算的有限精度，将(4)式分母中的平方项拆开，组成两个分式相乘。拆开后的信号能量记为POWER(y(n))，由(6)式的时间估计值进行迭代计算。

　　以下为采用C5000汇编语言实现nLMS算法的基本代码:

　　STM#(TAPS-2)，BRC 　　　　　　；根据横向滤波器的长度TAPS，循环(TAPS-1)次，但是另有一次

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　在RPTBD指令后的流水线中完成。

SSBX FRCT

XC 2， NTC 　　　；如果要求停止更新滤波器系数，

　　则将(5)式的更迭项置零

ST #0， n_error_mu

LD #0，B

LD n_error_mu， T ；norm_error * mu -> T

RPTBD ＄nLMS_end-1

　　MPY *n_ref_ptr+0%，A

　　LMS *filter_ptr，*ref_ptr+0%

　　ST A，*filter_ptr+

|| MPY *n_ref_ptr+0%，A

　 ；error (in T) * n_ref_sample->A

　　LMS *filter_ptr，*ref_ptr+0%

；A+coef<<16+round.->A

；coef*ref+B->B

　　＄nLMS_end：

　　ST A，*filter_ptr

　　|| SUB *AR5，A

　　　　 ；S0<<16-B (est.echo) -> A

　　STH A，error_out

　　ABS A

　　STH A，ABSE0 　　　　 ；abs value for power estimate.

　　在程序的主要循环体内，每次循环只需要两个指令周期，因此对于nLMS算法的每次系数更新需要的指令周期约为(2×TAPS)个。这里，DSP处理器的优越性能起了决定作用。

　　在实际应用中，回声消除器所需要的处理能力取决于回声路径容量，即自适应滤波器的抽头个数，以及在稳定情况下是否继续更新滤波器系数。如果仅仅是在话路建立初期激活滤波器系数的迭代，而在系数收敛以后，冻结迭代过程，维持当前系数，则可以节省系统的处理能力，完成对更多信道的回声消除。在表1中，对利用C5000汇编语言实现的nLMS算法进行了一些评估。从中可以看出，如果采用单片100MIPS的C5402，则可以并行处理11条64ms的回声路径。

3.3 测试结果

　　按照G.168的要求，采用带限CCS信号进行了有关的测试，并将输入/输出信号的功率作图示意。均方根(RMS功率)的估计范围是0.7s。

　　(1)测试项目1A，稳定工作时，残余回声电平测试(NLP暂停)；

　　(2)测试项目2B，收敛性能测试(NLP暂停)。

　　这两个项目可以在一次测试中完成，结果如图4所示。这里，中间一条线是输入信号的均方根，最下方一条线是估计误差的均方根，最上方一条线是两者的差值。显然，采用带限CCS信号，当滤波器稳定工作时，残余回声电平(最下方曲线)低于输入信号(中间曲线)30dB以上，达到G.168的要求。

　　根据G.168要求，系统工作1s后，残余回声电平低于输入信号16dB，从图4可见，实际结果略低于规范要求。其原因在于，所选的步长因子为0.001，取值较小，导致系统收敛时间较长。测试项目3A，近端低电平的双讲性能测试(NLP暂停)。

　　如图5所示，这里，中间一条线是输入信号的均方根，最下方一条线(残余回声)是估计误差的均方根，最上方一条线是两者的差值。残余回声的功率与近端话音相当，符合规范要求。

　　本文介绍了回声消除中的LMS算法，以及在DSP上如何实现，最后按照G.168的各项测试要求进行了性能检测，主要指标都符合规范要求。因为IP电话系统发展很快，回声消除器是该系统不可缺少的模块，因此如何取得最佳的性价比是业界最为关心的。LMS不是回声消除中的最佳算法，但是它具有算法简便快速?DSP开销小等优点，并且在此基础上，通过一些改进可以得到性能较好的算法。如果是应用于局端的大容量IP电话终端，可以采用性能更高的C62xx DSP芯片。

参考文献

1 德州仪器公司应用报告 SPRA188.Implementing a Line-Echo Canceller Using the Block Update and NLMS Algorithms on the TMS320C54x DSP.1997;4ITU-T G.168.Apparatus associated with long-distance telephone circuits:Digital network echo cancellers.1997;4

3 陈尚勤. 快速自适应信息处理. 北京:人民邮电出版社

4 覃景繁，韦岗.回波消除理论进展及其应用.电路与系统学报.1998；3(3)