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      實現最佳的3G無線網絡通話質量

      發布日期:2022-07-15 點擊率:54

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      保證3G無線網絡通話質量的兩種主要途徑是:1、改善回聲取消功能;2、進一步減少噪聲的影響。本文作者分析了影響無線網絡通話質量的各種回聲和背景噪聲產生原理,并提出了改善通話質量的解決方案,如在網關集成高質量的回聲消除器等。

      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。當無線電話剛剛出現的時候,人們為了移動的方便性而不得不犧牲通話質量(Voice Quality, VQ)。最近幾年,隨著無線技術取得重大進步,用戶拒絕再忍受通話質量問題,并將此作為選擇和繼續選擇一個無線運營商的決定因素。隨著大量移動設備的出現,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,在無線網絡中提供高質量VQ服務會遇到一系列的挑戰。回聲和背景噪音(BN)也會降低通話質量。保持高品質VQ的解決方案既要改善回聲取消功能,也要進一步減少噪聲的影響。

      3G網絡延遲及對VQ的影響

      3G網絡的很多優點,如無線數據服務,帶來了更多的挑戰。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量降低。圖1所示為3G網絡的基礎架構。第一個明顯的延遲是在語音信號在用戶設備中被處理(數字化、編碼、分組和壓縮)的過程中帶來的。隨后信號被發送到一個Node B(一個3G基站)。實現最佳的3G無線網絡通話質量 - 1

      在3G無線系統,語音的壓縮使用了一種稱為自適應多速率(AMR)的碼激勵線性預測(CELP)算法。采用CDMA技術時,為了消除自然產生的干擾,信號用擴展頻譜進行編碼,即信號的帶寬被擴展,并且該信號根據正交編碼為每一個用戶進行調制。根據W-CDMA(寬帶碼分多址)的標準,數據包經過編碼用于在用戶設備和Node B之間進行無線傳輸,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無線資源的無線網絡控制器(RNC)相連。RNC傳送數據包到移動交換中心(MSC),MSC將呼叫路由至預定的目的地。

      在3G無線到無線的呼叫中,數據包在源用戶設備中被組成、編碼和壓縮,而且只能在目標用戶設備上才能被解壓縮和解碼。

      在無線至有線的呼叫中,數據包必須被轉換,只有數字采樣值才能在基于TDM的公共電話交換網(PSTN)中傳輸。一個AMR編解碼器(CODEC)被安置在網關/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,這進一步使VQ信號變差。

      在傳統的網絡中,語音被轉換成電信號,而且在傳輸時察覺不到延遲。在分組語音(VoP)技術中情況有所不同,是數據以分組的形式被傳送,而不是單個傳送。在VoP情況下,信號被數字化后,會暫時存放在緩沖器中,直到產生足夠的樣值以生成一個數據包。

      語音信號以8kHz的頻率被采樣,收集到的樣值每20ms被制作成一個數據包,每個數據包含有160字節的語音樣值。由于無線帶寬非常昂貴,這160字節的樣值還要進一步用AMR進行編碼,以減少被傳輸的字節。采用這種措施會對通話質量產生負面影響,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,通話質量受到回聲以及背景噪聲的嚴重影響。回聲可以察覺到,而且在語音的最初發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。在電信系統中,電回聲和聲學回聲都會出現,因此都必須消除以達到最佳的通話質量。

      電回聲:局部模擬回路中阻抗失配是產生電回聲的原因。當目前的PSTN被開發時,為了削減成本選擇了2線,而不是標準的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線間轉換時就需要混合設備。但是,這種混合不能很精確的進行阻抗匹配,由此產生了電回聲。

      聲學回聲:耦合(也就是當麥克風接收聲音時太接近說話者)會產生聲學回聲,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生聲學回聲。

      無線系統特有的回聲實現最佳的3G無線網絡通話質量 - 2

      與采用電路交換的有線網絡中回聲僅僅在長途通話時才會出現的情況不同,回聲在所有無線網絡中都會出現,這是由分組技術及相關處理產生的固有延遲引起的。補救措施就是在網絡中增加一個回聲消除器(EC)。

      所有3G手機,都預設了聲學回聲消除功能。但是,無線網絡需要一種回聲消除器來消除當接入PSTN時混合設備產生的回聲。回聲消除器必須安裝在網關中,那里是語音信號最初被數字化的地方。

      自適應濾波器(回聲消除器的一個組成部分)應該有一個較長的尾聲長度(128ms),以確保覆蓋EC與混和設備之間各種長度的延遲。

      提高無線網絡的通話質量

      對無線應用來講,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。為了能克服回聲和背景噪聲帶來的挑戰,3G無線網絡需要創新的EC算法。

      背景噪聲:背景噪聲由講話者周圍環境的噪聲組成。經常是兩邊通話者都會被背景噪聲包圍,從而影響無線網絡的通話質量。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撥。少許背景噪聲是有價值的,這可以用來向對方提示講話者所處的環境。

      當自適應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NLP在講話開始或者結束的時候反應過慢,剪切(clipping)現象就會出現(也就是代替背景噪聲的替換聲音)。由于音節或者整個單詞都被斷開,使得交談很難進行,因而導致了通話質量的降低。因此,高質量的回聲消除器是必需的,它可以精確地模擬背景噪聲,但又不會發生剪切現象,可以提供一個舒適的通話環境。

      噪聲減少:噪聲減少是提高通話質量的新特性之一(在ITU標準下開發)。各種算法被開發用來處理噪聲減少,用信號處理來區分講話者的語音和噪聲。在保持講話者信號完整的同時,通過對噪聲應用一種負增益,濾波器被用來在每個基礎頻帶上增強信噪比(SNR)。減少噪聲以提高通話質量,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

      因為回聲在所有的3G無線網絡中都會出現,因此回聲消除器是必需的。為了追求最好的通話質量,運營商必須明智地選擇一種具有足夠尾長(128ms)的通話質量增強設備,消除電回聲和聲學回聲,減少背景噪聲并保證剪切現象不會出現,這是應該特別注意的。

      在激烈的競爭中,無線網絡運營商難以承受保證通話質量帶來的負擔。最終,可以選擇在網關集成高質量的回聲消除器,從而確保某些OEM廠商可以實現高質量的通話,由此使無線網絡運營商發生分化,為他們的網絡帶來更多的用戶。

      作者:Frédéric Bourget


      產品管理總監


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