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保證3G無線網(wǎng)絡(luò)通話質(zhì)量的兩種主要途徑是:1、改善回聲取消功能；2、進(jìn)一步減少噪聲的影響。本文作者分析了影響無線網(wǎng)絡(luò)通話質(zhì)量的各種回聲和背景噪聲產(chǎn)生原理,并提出了改善通話質(zhì)量的解決方案,如在網(wǎng)關(guān)集成高質(zhì)量的回聲消除器等。
隨著全球使用率的增長,無線電話很快成為最重要的信息交流方式。當(dāng)無線電話剛剛出現(xiàn)的時候,人們?yōu)榱艘苿拥姆奖阈远坏貌粻奚ㄔ捹|(zhì)量(Voice Quality, VQ)。最近幾年,隨著無線技術(shù)取得重大進(jìn)步,用戶拒絕再忍受通話質(zhì)量問題,并將此作為選擇和繼續(xù)選擇一個無線運營商的決定因素。隨著大量移動設(shè)備的出現(xiàn),更換運營商變得更加容易,因此這個問題也變得日益重要。
由于語音通道的更大延遲和無線帶寬的稀缺,在無線網(wǎng)絡(luò)中提供高質(zhì)量VQ服務(wù)會遇到一系列的挑戰(zhàn)。回聲和背景噪音(BN)也會降低通話質(zhì)量。保持高品質(zhì)VQ的解決方案既要改善回聲取消功能,也要進(jìn)一步減少噪聲的影響。
3G網(wǎng)絡(luò)延遲及對VQ的影響
3G網(wǎng)絡(luò)的很多優(yōu)點,如無線數(shù)據(jù)服務(wù),帶來了更多的挑戰(zhàn)。最值得注意的就是如何克服由于語音處理延遲造成的任何通話質(zhì)量降低。圖1所示為3G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)。第一個明顯的延遲是在語音信號在用戶設(shè)備中被處理(數(shù)字化、編碼、分組和壓縮)的過程中帶來的。隨后信號被發(fā)送到一個Node B(一個3G基站)。
在3G無線系統(tǒng),語音的壓縮使用了一種稱為自適應(yīng)多速率(AMR)的碼激勵線性預(yù)測(CELP)算法。采用CDMA技術(shù)時,為了消除自然產(chǎn)生的干擾,信號用擴(kuò)展頻譜進(jìn)行編碼,即信號的帶寬被擴(kuò)展,并且該信號根據(jù)正交編碼為每一個用戶進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)W-CDMA(寬帶碼分多址)的標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)包經(jīng)過編碼用于在用戶設(shè)備和Node B之間進(jìn)行無線傳輸,由此造成了傳輸通道中的明顯延遲。
每一個Node B都和唯一一個管理著與它相連Node B無線資源的無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)相連。RNC傳送數(shù)據(jù)包到移動交換中心(MSC),MSC將呼叫路由至預(yù)定的目的地。
在3G無線到無線的呼叫中,數(shù)據(jù)包在源用戶設(shè)備中被組成、編碼和壓縮,而且只能在目標(biāo)用戶設(shè)備上才能被解壓縮和解碼。
在無線至有線的呼叫中,數(shù)據(jù)包必須被轉(zhuǎn)換,只有數(shù)字采樣值才能在基于TDM的公共電話交換網(wǎng)(PSTN)中傳輸。一個AMR編解碼器(CODEC)被安置在網(wǎng)關(guān)/MSC中。
這種大量的處理會帶來所有傳輸通道的延遲,通常在90ms,這進(jìn)一步使VQ信號變差。
在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中,語音被轉(zhuǎn)換成電信號,而且在傳輸時察覺不到延遲。在分組語音(VoP)技術(shù)中情況有所不同,是數(shù)據(jù)以分組的形式被傳送,而不是單個傳送。在VoP情況下,信號被數(shù)字化后,會暫時存放在緩沖器中,直到產(chǎn)生足夠的樣值以生成一個數(shù)據(jù)包。
語音信號以8kHz的頻率被采樣,收集到的樣值每20ms被制作成一個數(shù)據(jù)包,每個數(shù)據(jù)包含有160字節(jié)的語音樣值。由于無線帶寬非常昂貴,這160字節(jié)的樣值還要進(jìn)一步用AMR進(jìn)行編碼,以減少被傳輸?shù)淖止?jié)。采用這種措施會對通話質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響,因為它在傳輸通道中又造成了另一種延遲。
由于傳輸和分組延遲,通話質(zhì)量受到回聲以及背景噪聲的嚴(yán)重影響。回聲可以察覺到,而且在語音的最初發(fā)送和它的回聲接收之間的延遲若超過25ms,通話就會被完全破壞。在電信系統(tǒng)中,電回聲和聲學(xué)回聲都會出現(xiàn),因此都必須消除以達(dá)到最佳的通話質(zhì)量。
電回聲:局部模擬回路中阻抗失配是產(chǎn)生電回聲的原因。當(dāng)目前的PSTN被開發(fā)時,為了削減成本選擇了2線,而不是標(biāo)準(zhǔn)的4線來連接用戶和中心局。因為中心局之間是用4線連接的,在2線和4線間轉(zhuǎn)換時就需要混合設(shè)備。但是,這種混合不能很精確的進(jìn)行阻抗匹配,由此產(chǎn)生了電回聲。
聲學(xué)回聲:耦合(也就是當(dāng)麥克風(fēng)接收聲音時太接近說話者)會產(chǎn)生聲學(xué)回聲,或者稱為“多徑”回聲。有線和無線電話以及其它免提揚聲器都會產(chǎn)生聲學(xué)回聲。
無線系統(tǒng)特有的回聲
與采用電路交換的有線網(wǎng)絡(luò)中回聲僅僅在長途通話時才會出現(xiàn)的情況不同,回聲在所有無線網(wǎng)絡(luò)中都會出現(xiàn),這是由分組技術(shù)及相關(guān)處理產(chǎn)生的固有延遲引起的。補救措施就是在網(wǎng)絡(luò)中增加一個回聲消除器(EC)。
所有3G手機,都預(yù)設(shè)了聲學(xué)回聲消除功能。但是,無線網(wǎng)絡(luò)需要一種回聲消除器來消除當(dāng)接入PSTN時混合設(shè)備產(chǎn)生的回聲。回聲消除器必須安裝在網(wǎng)關(guān)中,那里是語音信號最初被數(shù)字化的地方。
自適應(yīng)濾波器(回聲消除器的一個組成部分)應(yīng)該有一個較長的尾聲長度(128ms),以確保覆蓋EC與混和設(shè)備之間各種長度的延遲。
提高無線網(wǎng)絡(luò)的通話質(zhì)量
對無線應(yīng)用來講,大部分合格的有線回聲消除器是不適用的。相對于傳統(tǒng)回聲消除器的功能,這種回聲消除器必須能完成更多的任務(wù)。為了能克服回聲和背景噪聲帶來的挑戰(zhàn),3G無線網(wǎng)絡(luò)需要創(chuàng)新的EC算法。
背景噪聲:背景噪聲由講話者周圍環(huán)境的噪聲組成。經(jīng)常是兩邊通話者都會被背景噪聲包圍,從而影響無線網(wǎng)絡(luò)的通話質(zhì)量。徹底消除背景噪聲會讓通話不太自然,使通話一方或者兩方以為通話中斷了,以至于掛斷電話并試圖重?fù)堋Ｉ僭S背景噪聲是有價值的,這可以用來向?qū)Ψ教崾局v話者所處的環(huán)境。
當(dāng)自適應(yīng)濾波器漏過部分背景回聲(也就是剩余的回聲)時,組成回聲消除器的非線性處理器(NLP)就會消除原來的背景噪聲而代之以模擬的背景噪聲。當(dāng)NLP在講話開始或者結(jié)束的時候反應(yīng)過慢,剪切(clipping)現(xiàn)象就會出現(xiàn)(也就是代替背景噪聲的替換聲音)。由于音節(jié)或者整個單詞都被斷開,使得交談很難進(jìn)行,因而導(dǎo)致了通話質(zhì)量的降低。因此,高質(zhì)量的回聲消除器是必需的,它可以精確地模擬背景噪聲,但又不會發(fā)生剪切現(xiàn)象,可以提供一個舒適的通話環(huán)境。
噪聲減少:噪聲減少是提高通話質(zhì)量的新特性之一(在ITU標(biāo)準(zhǔn)下開發(fā))。各種算法被開發(fā)用來處理噪聲減少,用信號處理來區(qū)分講話者的語音和噪聲。在保持講話者信號完整的同時,通過對噪聲應(yīng)用一種負(fù)增益,濾波器被用來在每個基礎(chǔ)頻帶上增強信噪比(SNR)。減少噪聲以提高通話質(zhì)量,可以使用戶更清楚地聽到對方的講話,從而保證了通話效率。
本文小結(jié)
因為回聲在所有的3G無線網(wǎng)絡(luò)中都會出現(xiàn),因此回聲消除器是必需的。為了追求最好的通話質(zhì)量,運營商必須明智地選擇一種具有足夠尾長(128ms)的通話質(zhì)量增強設(shè)備,消除電回聲和聲學(xué)回聲,減少背景噪聲并保證剪切現(xiàn)象不會出現(xiàn),這是應(yīng)該特別注意的。
在激烈的競爭中,無線網(wǎng)絡(luò)運營商難以承受保證通話質(zhì)量帶來的負(fù)擔(dān)。最終,可以選擇在網(wǎng)關(guān)集成高質(zhì)量的回聲消除器,從而確保某些OEM廠商可以實現(xiàn)高質(zhì)量的通話,由此使無線網(wǎng)絡(luò)運營商發(fā)生分化,為他們的網(wǎng)絡(luò)帶來更多的用戶。
作者:Frédéric Bourget
產(chǎn)品管理總監(jiān)
Octasic公司
