回聲消除應(yīng)用平臺(tái)

• 基于DSP等平臺(tái)的回聲消除技術(shù)
• 基于windows等非實(shí)時(shí)平臺(tái)的回聲消除技術(shù)

基于DSP平臺(tái)的回聲消除技術(shù)

　　回音抵消的核心就是一個(gè)采用自適應(yīng)算法的濾波器，雖然以前自適應(yīng)信號(hào)理論發(fā)展迅速，但由于受到硬件的限制而難以實(shí)現(xiàn)，一直到上世紀(jì)70年代末80年代初，隨著世界上第一片單片可編程DSP芯片的誕生，才將理論廣泛地應(yīng)用到低成本的實(shí)際系統(tǒng)中，從而推動(dòng)了新理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

　　DSP芯片是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的，具有數(shù)字信號(hào)處理全部?jī)?yōu)點(diǎn)：改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有深達(dá)6級(jí)流水線的結(jié)構(gòu)，專用的硬件乘法器，速度快，精度高，穩(wěn)定性好，接口方便簡(jiǎn)單，集成度高，可重復(fù)性好，保密性好，最重要的是具有一些特殊的指令結(jié)構(gòu)，如MAX，MIN，FIRS，LMS等指令。其中指令LMS為自適應(yīng)濾波器的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法提供了最大的方便。所以用DSP芯片實(shí)現(xiàn)回音抵消具有很大優(yōu)勢(shì)。

　　回聲消除技術(shù)傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域是各種嵌入式設(shè)備

• 電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
  • 交換機(jī)
  • 網(wǎng)關(guān)
• 終端設(shè)備
  • 移動(dòng)電話終端
  • 視頻會(huì)議終端

這種嵌入式設(shè)備都是采用各種型號(hào)的DSP芯片作為回聲消除的載體。一個(gè)有效的回聲消除算法需要持續(xù)的在一顆DSP芯片上面運(yùn)行，都要面對(duì)實(shí)時(shí)性與高效性兩大問(wèn)題。

　　因?yàn)镈SP芯片資源有限。雖然自從二十世紀(jì)七十年代DSP應(yīng)用以來(lái)，日新月異的硬件芯片技術(shù)使許多沉睡在教科書上的信號(hào)處理理論算法大規(guī)模應(yīng)用，但是回聲消除算法需要的資源還是大得驚人。以視頻會(huì)議系統(tǒng)，大規(guī)模的會(huì)議室可以產(chǎn)生超過(guò)512ms的回音，要消除這么長(zhǎng)延時(shí)的回音，即使按照8k赫茲采樣率計(jì)算，自適應(yīng)濾波器W(n)的長(zhǎng)度都會(huì)達(dá)到4096個(gè)點(diǎn)，這樣一方面需要非常大的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)權(quán)重W(n)，另一方面，W(n)的更新需要的計(jì)算量也是成倍增長(zhǎng)，同時(shí)，W(n)的收斂難度也在加大，傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波器的效率很難保證。對(duì)于電信設(shè)備中的應(yīng)用，雖然回聲消除不需要這么長(zhǎng)的延時(shí)，但是在交換機(jī)等設(shè)備中，成本和效率就是生命，所有的處理算法都是按路或按線計(jì)算的，對(duì)算法的優(yōu)化效率提出了無(wú)止境的要求。相對(duì)而言，只有像車載免提這種應(yīng)用對(duì)效率要求不那么高，因?yàn)檐噧?nèi)空間小，回音延時(shí)有限，又不要求多路應(yīng)用。

　　算法級(jí)DSP軟件解決方案(也是解決嵌入式設(shè)備回音問(wèn)題的一種途徑)，對(duì)用戶也有一定的靈活性，用戶只需要把回聲消除模塊集成到自己的DSP軟件中，再簡(jiǎn)單調(diào)整幾個(gè)相關(guān)參數(shù)，就能達(dá)到較好的回聲消除效果。

　　目前基于DSP的回聲消除算法已經(jīng)比較成熟，市場(chǎng)上也有一批專門的算法/芯片公司的能夠?qū)ν馓峁┮呀?jīng)優(yōu)化好的基于DSP的軟件回聲消除模塊，如：俄羅斯Spririt DSP、加拿大Octastic Semiconductor、瑞典GIPS、國(guó)內(nèi)科萊特斯科技Conatus Technologies、美國(guó)Adaptive Digital、和GAO Research、英國(guó)CSR、美國(guó)Fortemedia、Acoustic Technologies和日本OKI等可以提供專用的回聲消除DSP芯片。性能較好的有Octastic、Conatus、和Spririt這三家，Octastic可以提供完整的從專用芯片、板卡到DSP算法的完整方案，而Conatus和Spririt的回聲消除效果更好，Conatus公司是目前市面上唯一提供針對(duì)專業(yè)視訊會(huì)議應(yīng)用寬帶回聲消除模塊的公司，其音頻采樣率可以達(dá)到48k赫茲。

基于Windows平臺(tái)的回聲消除技術(shù)

　　回聲消除技術(shù)最新的應(yīng)用領(lǐng)域是基于Windows平臺(tái)的各種VoIP應(yīng)用，比如軟件視頻會(huì)議，VoIP軟件電話等。當(dāng)回聲消除算法應(yīng)用到Windows平臺(tái)，相對(duì)于傳統(tǒng)的DSP平臺(tái)，既帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，也帶來(lái)了新的難點(diǎn)。高效性在Windows平臺(tái)已經(jīng)不是問(wèn)題，現(xiàn)在的pc機(jī)，擁有豐富的cpu資源和海量的內(nèi)存資源，再?gòu)?fù)雜的回聲消除算法都可以運(yùn)行自如。但是，在Window平臺(tái)運(yùn)行會(huì)增加延時(shí)。

　　Windows平臺(tái)是一個(gè)非實(shí)時(shí)的平臺(tái)，音頻的采集和播放對(duì)回聲消除算法而言，也是非實(shí)時(shí)的。和DSP平臺(tái)不一樣，DSP平臺(tái)可以直接控制AD/DA芯片的采集播放，獲得實(shí)時(shí)的音頻流（不存在同步問(wèn)題），但是Windows平臺(tái)下，應(yīng)用程序很難在底層直接控制聲卡的采集播放，獲得的是非實(shí)時(shí)的音頻流，從而帶來(lái)了采集和播放音頻流的同步問(wèn)題。

????? 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，傳給回聲消除算法的兩個(gè)聲音信號(hào)（采集的回音信號(hào)near和播放的參考信號(hào)far），必須同步得非常的好。就是說(shuō)，

本地接收到遠(yuǎn)端說(shuō)的話以后，要把這些話音數(shù)據(jù)傳給回聲消除算法做參考，這是一個(gè)算法需要的輸入信號(hào)；然后再傳給聲卡，聲卡放出來(lái)后經(jīng)過(guò)回音路徑，這時(shí)，本地再采集，然后傳給回聲消除算法，這是算法需要的另一個(gè)輸入信號(hào)。這里的同步是指：兩個(gè)信號(hào)雖然存在延時(shí)，但這個(gè)延時(shí)必須固定，在時(shí)序上要保持連貫，不能一個(gè)信號(hào)多來(lái)幾個(gè)幀，另外一個(gè)信號(hào)少來(lái)幾個(gè)幀。如果傳給回聲消除算法的兩個(gè)信號(hào)同步得不好，即兩個(gè)信號(hào)發(fā)生幀錯(cuò)位，就沒有辦法進(jìn)行消除了。因?yàn)檫@時(shí)系統(tǒng)會(huì)變成了非因果系統(tǒng)，比如期望信號(hào)收到了，參考信號(hào)還沒來(lái)，時(shí)間上都沒有因果關(guān)系，肯定是沒有辦法消除的。

????? 實(shí)際情況是，在一般的VoIP軟件中，接收對(duì)方的聲音并傳到聲卡中播放是在一個(gè)線程中進(jìn)行的，而采集本地的聲音并傳送到對(duì)方又是在另一個(gè)線程中進(jìn)行的，而聲學(xué)回聲消除算法在對(duì)采集到的聲音進(jìn)行回聲消除的同時(shí)，還需要播放線程中的數(shù)據(jù)作為參考，而要同步這兩個(gè)線程中的數(shù)據(jù)是非常重要的，因?yàn)樯陨杂行┎煌?#xff0c;聲學(xué)回聲消除算法中的自適應(yīng)濾波器就會(huì)發(fā)散，不但消除不了回音，還會(huì)破壞原始采集到的聲音，使聲音難以分辨。

　　目前公認(rèn)音質(zhì)做得比較好的國(guó)外軟件是Skype，記得幾年前Skype一直是在用瑞典一家叫GIPS(Global IP Sound)公司的語(yǔ)音引擎技術(shù)。GIPS是最早介入PC平臺(tái)語(yǔ)音通訊領(lǐng)域的廠商之一，在改領(lǐng)域具有一定的權(quán)威性，其主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)、抖動(dòng)和丟包等處理較好，基于Windows平臺(tái)的回音消除也做得不錯(cuò)，不過(guò)最近的新版本Skype上已經(jīng)看不到GIPS的標(biāo)志了，據(jù)說(shuō)是因?yàn)镾kype自己研發(fā)了一套新的更好的語(yǔ)音引擎的緣故。 目前大家接觸最多的采用了GIPS語(yǔ)音引擎技術(shù)的通訊軟件就是騰訊QQ了，其超級(jí)語(yǔ)音的效果普遍評(píng)價(jià)都還不錯(cuò)。另外微軟經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，其最新版本的MSN語(yǔ)音特別是回音消除效果終于有了質(zhì)的提升，目前網(wǎng)上評(píng)價(jià)也還不錯(cuò)。另外還有一些專業(yè)廠商也對(duì)外提供包含回音消除功能的語(yǔ)音引擎，如俄羅斯的Spirit DSP、美國(guó)的GH Innovation和國(guó)內(nèi)的科萊特斯科技（Conatus Technologies）以及賽聲科技（Soft? Acoustic）等等。除此之外，網(wǎng)絡(luò)上還可以下載到一個(gè)很好的開源的語(yǔ)音軟件Speex也提供了回音消除功能。為了進(jìn)一步了解目前PC Windows平臺(tái)回音消除技術(shù)的業(yè)界水平，筆者對(duì)各家的回音消除技術(shù)做一個(gè)詳細(xì)的橫向?qū)Ρ葴y(cè)試（所有測(cè)試都是免提狀態(tài)）

為了對(duì)比，各家語(yǔ)音引擎的版本信息列舉如下：

國(guó)外廠商：

Skype V3.8.4.182

Spirit DSP（廠家DEMO）

GIPS（QQ 2009beta）

Micorsoft （Windows Live Messenger 2009? V14.0.8064.2006）

GH Innovation（廠家DEMO）

國(guó)內(nèi)廠商：

Conatus Technologies（廠家DEMO）

Soft Acoustic（廠家DEMO）

開源算法：

Speex（V1.2RC1 自己寫了測(cè)試軟件）

測(cè)試結(jié)果：

測(cè)試項(xiàng)目	Skype	MSN	QQ	Conatus	Spirit	Speex	SoftAcoustic	GH I
筆記本免提模式，外接麥克風(fēng)和音箱應(yīng)用模式的適應(yīng)性	兩種模式都無(wú)回音	筆記本免提模式有時(shí)一直有較小回音	筆記本免提模式偶爾有較小回音	兩種模式都無(wú)回音	筆記本免提模式有時(shí)一直有較小回音	兩種模式都有一直較小回音	兩種模式有時(shí)都會(huì)出現(xiàn)較大回音	筆記本免提模式一直有很小回音
單方講話效果	無(wú)回音，效果很好	基本無(wú)回音，效果好	基本無(wú)回音，效果好	無(wú)回音，效果很好	基本無(wú)回音，效果好	一直有較小回音，效果差	有時(shí)有很大回音，效果差	基本無(wú)回音，效果好
雙方同時(shí)講話效果	雙方交流流暢無(wú)回音，對(duì)方聲音偶爾有輕微斷續(xù)	雙方交流流暢，但對(duì)方聲音中會(huì)夾雜著輕微回音	雙方交流流暢，但對(duì)方聲音中會(huì)夾雜著一些回音	雙方交流流暢無(wú)回音，對(duì)方聲音偶爾有輕微斷續(xù)	雙方交流流暢，但對(duì)方聲音中間會(huì)夾雜著一些回音	雙方交流比較流暢，但一直聽到一個(gè)較小的回音	雙方交流不流暢，對(duì)方聲音經(jīng)常會(huì)斷續(xù)	雙方交流無(wú)回音，但對(duì)方聲音很小很難聽清楚
麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器相對(duì)的位置改變等	收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。	收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。	收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。	收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。	收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。	收斂速度慢，有好幾句回音	收斂速度慢，有好幾句回音	收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。
CPU重載（CPU負(fù)載達(dá)到100%）時(shí)效果	XP和Vista下聲音都流暢，基本不會(huì)出現(xiàn)回音和聲音斷續(xù)現(xiàn)象	XP和Vista下聲音都流暢，基本不會(huì)出現(xiàn)回音和聲音斷續(xù)現(xiàn)象	XP下聲音流暢，基本不會(huì)出現(xiàn)回音；Vista下聲音斷續(xù)，偶爾會(huì)出現(xiàn)回音	XP和Vista下聲音都流暢，基本不會(huì)出現(xiàn)回音和聲音斷續(xù)現(xiàn)象	XP下聲音流暢，基本不會(huì)出現(xiàn)回音；Vista下聲音斷續(xù)，偶爾會(huì)出現(xiàn)回音	此項(xiàng)未測(cè)	XP下聲音流暢，基本不會(huì)出現(xiàn)回音；Vista下聲音斷續(xù)，偶爾會(huì)出現(xiàn)回音	XP下聲音流暢，基本不會(huì)出現(xiàn)回音；Vista下不加負(fù)載聲音都是斷續(xù)的
PC和聲卡適應(yīng)性	穩(wěn)定，基本都能消除回音	穩(wěn)定，基本都能消除回音	比較穩(wěn)定，偶爾有些筆記本免提時(shí)有回音	穩(wěn)定，基本都能消除回音	穩(wěn)定，基本都能消除回音	不穩(wěn)定，有時(shí)無(wú)法消除回音	不穩(wěn)定，經(jīng)常無(wú)法消除回音	穩(wěn)定，基本都能消除回音
噪聲抑制	噪聲抑制效果弱	噪聲抑制效果一般	噪聲抑制效果弱	噪聲抑制效果強(qiáng)	噪聲抑制效果一般	噪聲抑制效果強(qiáng)	噪聲抑制效果強(qiáng)	噪聲抑制效果強(qiáng)
自動(dòng)硬件增益控制和免提時(shí)能達(dá)到的最大播放音量	支持，音量較大	支持，音量較小	支持，音量適中	支持，音量適中	支持，音量較小	不支持	支持，音量較小	支持，音量非常小
整體效果評(píng)價(jià)（0-10分評(píng)分）	很好，基本沒有回音，雙方交流很順暢，9分	較好，有的筆記本免提時(shí)偶爾有回音且音量較小，雙方交流比較順暢，7.5分	較好，有的筆記本免提時(shí)偶爾有回音，雙方交流順暢，8分	很好，基本沒有回音，音量比skype略小，雙方交流很順暢， 8.5分	較好，有的筆記本免提效果稍差且音量比較小，vista效果稍差，7分	不好，一直有個(gè)較小的殘余回音，雙方交流困難，3分	不好，經(jīng)常有完整的回音，感覺不穩(wěn)定，雙方交流比較困難，5分	一般，沒有回音，但是音量太小，雙方交流困難，且VISTA下聲音斷續(xù)，5.5分
測(cè)試項(xiàng)目	Skype	MSN	QQ	Conatus	Spirit	Speex	SoftAcoustic	GH I

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可以看出，Skype、 Conatus和 QQ(GIPS)的效果最好， MSN和Spirit的效果還不錯(cuò)，而GH Innovation、Soft Acoustic效果一般，Speex的效果較差。

五、總結(jié)

????? 回聲消除已經(jīng)成為語(yǔ)音通訊中提供全雙工音頻的標(biāo)準(zhǔn)方法。聲學(xué)回聲消除是通過(guò)消除或者移除本地話筒中拾取到的遠(yuǎn)端的音頻信號(hào)來(lái)阻止遠(yuǎn)端的聲音返回去的一種處理方法。這種音頻的移除都是通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理來(lái)完成的。回聲消除技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理的典型應(yīng)用之一。

參考

回聲消除技術(shù)——整理篇

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的回声消除应用平台的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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