[科普中國]-回波抵消器

回波按照其產(chǎn)生機理可以分為電回波和聲回波兩種類型。下面我們分別介紹其產(chǎn)生機理1。

電回波常見于公共電話網(wǎng)(PSTN)中。公共電話網(wǎng)中，用戶和交換機之間的連接是2線制的。而為了便于放大和傳輸信號，交換機之間的連接采用4線制，即用兩根線傳輸接收信號，另外兩根傳輸發(fā)送信號。為了實現(xiàn)2線制和4線制之間的轉(zhuǎn)換，人們設計了2/4線轉(zhuǎn)換器(Hybrid)的裝置。如圖所示。

理想情況下，混合變換器會把遠端用戶的信號完全傳送到近端用戶，但在實際中，由于存在阻抗不匹配等原因，遠端信號通過混合線圈時，總會產(chǎn)生一定的泄漏。這部分“泄漏”的信號，又傳回遠端，這樣遠端用戶就聽到了自己的聲音，這就是電回波。如圖所示。通常，混合變換器的泄漏通路是線性的。圖中虛線表示回波信號，左邊產(chǎn)生的回波被送回本地用戶，稱為本地回波。右邊的回波被送回遠端用戶，稱為遠端回波。本文實現(xiàn)了應用于PSTN中能消除遠端回波的電回波抵消器。所以下文中提到的回波都是指因為2/4線轉(zhuǎn)換器阻抗不匹配而產(chǎn)生的遠端回波。

在電話系統(tǒng)中，特別是在免提狀態(tài)下，還存在聲回波。聲回波的產(chǎn)生機理如圖所示。

遠端信號通過本地揚聲器放出的聲音，經(jīng)過外部聲學系統(tǒng)后，又傳回到話筒上，和本地用戶聲音信號一起，通過混合變換器傳回遠端用戶，形成聲回波。這種由于揚聲器與麥克風之間的聲學耦合引起的聲回波，易受到多種環(huán)境因素的影響。

回波抵消這個課題從貝爾發(fā)明電話起就成為科學家和技術(shù)專家們要解決的問題之一。電話發(fā)明初，由于通話距離一般很短，故回波危害并不嚴重；但隨著電子革命時代的來臨，電話在人們生活中扮演著越來越重要的角色，通話的距離也越來越長，從國內(nèi)長途到國際長途，近年來的無線接入網(wǎng)，衛(wèi)星網(wǎng)等廣泛使用更使信號延遲大大增加，從而回波現(xiàn)象也就更加嚴重?；夭ㄏ暮脡哪壳耙殉蔀槭澜绺鞔笸ㄓ嵐井a(chǎn)品質(zhì)量競爭的一個重要指標，這種市場需求反過來大大促進了回波抵消技術(shù)的發(fā)展。

二十世紀六十年代以前，由于技術(shù)及客觀條件的限制，人們只能采用回波抑制器來實現(xiàn)回波抵消?；夭ㄒ种破髌鋵嵕褪窃趶慕说竭h端的話路中設置一個開關。當檢測到只有遠端用戶在講話時，開關斷開，于是任何信號都無法傳回遠端，自然也就沒有回波了；當只有近端用戶講話時，開關合上，于是近端用戶的話音可以毫不受損地傳回遠端。但當遠端和近端用戶同時講話時，回波抑制器就無能為力了。所以安裝回波抑制器的電話系統(tǒng)只能工作在半雙工狀態(tài)，這種限制顯然不能令客戶滿意。六十年代后，以自適應理論為先導，DSP技術(shù)為基礎的回波抵消器的廣泛應用，使人們有可能以較低廉的成本享受到真正的雙全工，無回波的電話服務。

國外對回波抵消算法的研究已經(jīng)有四十多年的歷史，目前已提出多種自適應回波抵消方法，如基于LMS算法，基于RLS算法，基于AffineProjection算法等，而且研究的范圍也較廣，不只限于電學回波，在聲學回波，會議電視，及全雙工數(shù)據(jù)通訊中的回波等方面也有較深入的研究。而國內(nèi)回波抵消的研究起步較晚，這是與受我國過去電信技術(shù)落后，電信設備主要依賴進口相聯(lián)系的。但近年來，隨著我國通訊技術(shù)的發(fā)展，這方面的研究工作已顯得日益緊迫，目前已有清華大學，北京郵電大學，華南理工大學，大連理工大學等學校開展了這方面的研究，并且已有若干成果接近世界先進水平。

一個電回波抵消器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，各模塊功能如下1：

自適應濾波器(AdaptiveFilter)：用自適應濾波器產(chǎn)生一個與真實回波類似的模擬回波，真實回波與模擬回波相減后，可大幅度地降低傳回遠端的回波電平。用這種方法抵消回波對近端信號幾乎沒有損害。

遠端信號檢測器FD(FarDctector)：當遠端信號功率較小時，易導致自適應濾波器發(fā)散。因此，回波消除器需要具有遠端信號檢測的功能，以確保遠端信號功率滿足自適應算法的要求時，才迸行濾波器權(quán)系數(shù)調(diào)整。

雙講檢測器DTD(DoubleTalkDetector)：當兩端都有信號時，自適應濾波器單位脈沖響應調(diào)整所用的誤差信號不再僅僅是抵消后的殘留回波，還包括近端用戶語音信號，這時應暫停自適應濾波器的調(diào)整，否則易引起自適應濾波器誤調(diào)，甚至導致算法發(fā)散。因此，回波抵消器需要具有雙講檢測功能，以確保自適應濾波器的正常工作。

非線性處理器NLP(NonlinearProcessor)：回波抵消器由于種種原因不能將回波信號完全抵消，即存在殘留回波，為提高回波抵消器性能，在殘留回波功率小到一定程度后，對其進行某種非線性處理，可以進一步減小殘留回波功率。

舒適噪聲產(chǎn)塵器(ComfortNoiseGenerator)：對殘留回波進行非線性處理后，常常給遠端昕者一種完全寂靜的感覺，遠端聽者會誤認為對方已經(jīng)掛機或者斷線了。為避免這種情況發(fā)生后，需要給遠端聽者提供一個與近端背景噪聲電平相匹配的噪聲，該噪聲稱為舒適噪聲。

上圖中各個符號的含義如下：

Rin：從遠端束的信號，其離散采樣值為x(n)；

Rout：傳向近端的信號；

Sin：從近端來的信號，其離散采樣值為y(n)；

Sout：傳向遠端的信號；

H：脅混合線圈的單位脈沖響應；

G：遠端信號經(jīng)過混合線圈后產(chǎn)生的回波，其離散采樣值為d(n)；

S：近端用戶語音信號，其離散采樣值為s(n)；

N：近端背景噪聲，其離散采樣值為n(n)；

W：自適應濾波器的單位脈沖響應；

g：自適應濾波器產(chǎn)生的模擬回波，其離散采樣值為z(n)；

e：抵消后的殘留回波，其離散采樣值為e(n)。

根據(jù)圖，回波抵消的基本原理如下：

遠端來的信號Rin經(jīng)過混合線圈形成回波G?；夭℅，近端聲音信號s和近端背景噪聲Ⅳ混合形成Sin，即

Sin=G+S+N

遠端信號Rin作為自適應濾波器的輸入，通過自適應濾波器形成模擬回波信號g，用Sin減去島得到要傳向遠端的信號Sout，即

Sour=Sin-g=G+S+N-g

當自適應濾波器的單位脈沖響應w能很好地模擬回波通道的傳遞函數(shù)H，剩余的回波信號e=G-g很小，從而有

Sout≈S+N

此時回波G被抵消。