VoIP回聲消除中LMS改進算法的研究

李麗，石翠萍，李會

（齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

VoIP回聲消除中LMS改進算法的研究

李麗，石翠萍，李會

（齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

為解決VoIP中語音回聲問題，給出了一種改進的變步長LMS算法．改進算法在收斂時具有較大的步長，能快速消除回聲，收斂后，步長變小，以減小穩態誤差，使收斂速率與穩態誤差之間的矛盾得到改善．仿真結果表明，改進算法的收斂速度和回聲消除效果較好．

VoIP；回聲消除；LMS算法；改進算法

VoIP（Voice over IP）是指通過IP分組網絡傳輸的語音或影像信號［1］.這些語音信號通過數字化編碼、壓縮處理以及轉換成IP數據包在IP網絡上傳輸，進而在IP網絡上實現實時語音通信的目的.VoIP技術使網絡帶寬的利用率得到很大提高，從而降低通信資本，同時也可以和智能型多媒體業務進行很好地集成.但是就語音質量而言，與傳統電話相比較還有一定差距，這樣就影響了VoIP市場的發展.事實上，對語音質量造成影響的因素很多，其中回聲占主要地位.特別是在多路語音通信中，回聲更為嚴重.因此，在VoIP終端使用回波消除算法勢在必行.

自適應回聲消除技術是目前發展較好的一種技術，也是消除回聲中主要采用的技術.自適應算法有最小均方誤差（LMS）和最小二乘法（RLS）2種.LMS算法具有計算簡單，編程復雜度小，性能穩定等優點，因而應用比較廣泛.但它有一個缺點，即收斂速度和穩態誤差特性不能同時實現，受到步長因子的限制.為了解決這一問題，人們提出了很多變步長LMS算法［2-4］.本文在文獻［5］的基礎上做了相應的改進，步長由誤差的4次冪的加權均值決定.再利用改進后的變步長LMS算法對語音信號進行濾波，從而消除回聲.

1 回聲消除原理

本文以2路信號為例說明回聲消除過程，2路信號回聲消除原理見圖1.2路輸入信號和分別經由去相關模塊f去相關后變成了和傳至遠端，由各揚聲器進行播放，播放出的部分聲音再次進入麥克風被傳回后便產生了回聲信號D(n).這時可以利用和2個信號經過自適應濾波器W產生回聲信號的估計值Y(n)，與D(n)進行抵消，抵消時產生的誤差E(n)再反饋回濾波器來控制W，使其完全抵消［6］.

圖1 兩路信號回聲消除原理圖

2 LMS算法

2.1 傳統的LMS算法

在傳統的算法中，權向量迭代公式

文獻［5］算法在快速收斂和誤差穩定性2個方面得到了適當的改善.該算法的迭代公式

2.2 改進的LMS算法

為了使收斂速度和穩態誤差得到更大的改善，在式（4）的基礎上做了相應的改進.可得公式

改進后的濾波器抽頭權向量的更新表達式為

3 仿真結果

本文的仿真實驗主要分為驗證傳統LMS算法、文獻中LMS算法與改進的LMS算法的比較.仿真模型見圖2.

圖2 仿真模型

對網絡語音進行回聲消除之后的效果見圖4.圖4中的第1個波形是無回聲的語音信號；第2個波形是語音信號經過網絡傳輸后產生的回聲干擾信號；第3個波形是語音信號摻雜了回聲干擾之后的信號，從圖中可以看出語音信號參雜了回聲干擾后，使原本有規律的語音信號變得雜亂無章了，這會嚴重干擾正常的語音信號；第4個波形是對帶回聲的語音信號經過本算法消除回聲后的效果，從圖中可以看出回聲干擾得到了很大程度的消除，基本恢復了正常的語音信號波形，效果較好.

圖3 3種算法的收斂曲線

圖4 回聲消除效果

4 結論

本文對VoIP中回聲問題提出了一種改進的變步長LMS算法，利用該算法對回聲進行消除，通過MATLAB仿真，將本文提出的改進算法與文獻中LMS算法以及傳統的LMS算法的學習曲線進行了比較.結果表明，相對于其它2種算法，本文提出的改進算法的收斂速度較快，穩態誤差較小，對實際的語音回聲有較好的消除效果.

［1］ 李揮，林茫茫.VoIP回聲消除器設計及算法研究［J］.電子學報，2007，35（9）：1774-1778

［2］ 高鷹，謝勝利.一種變步長LMS自適應濾波算法及分析［J］.電子學報，2001，29（8）：1094-1097

［3］ Tyseer A.A Robust Variable Step-Size LMS-Type Algorithm：Analysis and Simulations［J］.IEEE Trans on Signal Processing，1997，45：631-639

［4］ Kwong，R H，Johnston E W.A variable step size LMS algorithm［J］.IEEE Trans on Sig Proc，1992，40（7）：1633-1642

［5］ Lin S，Harris J G.Combined LMS/F algorithm［J］.Electronics Letters，1997，33（6）：467-468

［6］ 王杰，謝勝利.采用非線性預處理的多通路回波消除算法［J］.華南理工大學學報：自然科學版，2006，34（9）：18-21

A study of improved LMS algorithm in VoIP echo cancellation

LI Li，SHI Cui-ping，LI Hui
（School of Communication and Electronic Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

To solve the voice echo problems in VoIP，presents an improved variable step size LMS algorithm.Improved algorithm converges in larger step sizes can quickly eliminate echo，after the convergence step size becomes small to reduce the steady-state error，so the contradiction between the convergence rate and steady-state error can be improved.The simulation results show that the algorithm can get faster convergence speed and better effect of echo cancellation.

voice over IP；echo cancellation；LMS algorithm；improved algorithm

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.06.009

1007-9831（2016）06-0031-04

2016-04-20

齊齊哈爾市科技局工業攻關計劃項目（GYGG-201415）；黑龍江省教育廳科學技術研究基金項目（11541399）

李麗（1979-），女，黑龍江齊齊哈爾人，講師，碩士，從事信號處理，計算機網絡研究.E-mail：lili_tongxin@163.com