实现最佳的3G无线网络通话质量

保证3G无线网络通话质量的两种主要途径是:1、改善回声取消功能；2、进一步减少噪声的影响。本文作者分析了影响无线网络通话质量的各种回声和背景噪声产生原理,并提出了改善通话质量的解决方案,如在网关集成高质量的回声消除器等。

随着全球使用率的增长,无线电话很快成为最重要的信息交流方式。当无线电话刚刚出现的时候,人们为了移动的方便性而不得不牺牲通话质量(Voice Quality, VQ)。最近几年,随着无线技术取得重大进步,用户拒绝再忍受通话质量问题,并将此作为选择和继续选择一个无线运营商的决定因素。随着大量移动设备的出现,更换运营商变得更加容易,因此这个问题也变得日益重要。

由于语音通道的更大延迟和无线带宽的稀缺,在无线网络中提供高质量VQ服务会遇到一系列的挑战。回声和背景噪音(BN)也会降低通话质量。保持高品质VQ的解决方案既要改善回声取消功能,也要进一步减少噪声的影响。

3G网络延迟及对VQ的影响

3G网络的很多优点,如无线数据服务,带来了更多的挑战。最值得注意的就是如何克服由于语音处理延迟造成的任何通话质量降低。图1所示为3G网络的基础架构。第一个明显的延迟是在语音信号在用户设备中被处理(数字化、编码、分组和压缩)的过程中带来的。随后信号被发送到一个Node B(一个3G基站)。

在3G无线系统,语音的压缩使用了一种称为自适应多速率(AMR)的码激励线性预测(CELP)算法。采用CDMA技术时,为了消除自然产生的干扰,信号用扩展频谱进行编码,即信号的带宽被扩展,并且该信号根据正交编码为每一个用户进行调制。根据W-CDMA(宽带码分多址)的标准,数据包经过编码用于在用户设备和Node B之间进行无线传输,由此造成了传输通道中的明显延迟。

每一个Node B都和唯一一个管理着与它相连Node B无线资源的无线网络控制器(RNC)相连。RNC传送数据包到移动交换中心(MSC),MSC将呼叫路由至预定的目的地。

在3G无线到无线的呼叫中,数据包在源用户设备中被组成、编码和压缩,而且只能在目标用户设备上才能被解压缩和解码。

在无线至有线的呼叫中,数据包必须被转换,只有数字采样值才能在基于TDM的公共电话交换网(PSTN)中传输。一个AMR编解码器(CODEC)被安置在网关/MSC中。

这种大量的处理会带来所有传输通道的延迟,通常在90ms,这进一步使VQ信号变差。

在传统的网络中,语音被转换成电信号,而且在传输时察觉不到延迟。在分组语音(VoP)技术中情况有所不同,是数据以分组的形式被传送,而不是单个传送。在VoP情况下,信号被数字化后,会暂时存放在缓冲器中,直到产生足够的样值以生成一个数据包。

语音信号以8kHz的频率被采样,收集到的样值每20ms被制作成一个数据包,每个数据包含有160字节的语音样值。由于无线带宽非常昂贵,这160字节的样值还要进一步用AMR进行编码,以减少被传输的字节。采用这种措施会对通话质量产生负面影响,因为它在传输通道中又造成了另一种延迟。

由于传输和分组延迟,通话质量受到回声以及背景噪声的严重影响。回声可以察觉到,而且在语音的最初发送和它的回声接收之间的延迟若超过25ms,通话就会被完全破坏。在电信系统中,电回声和声学回声都会出现,因此都必须消除以达到最佳的通话质量。

电回声:局部模拟回路中阻抗失配是产生电回声的原因。当目前的PSTN被开发时,为了削减成本选择了2线,而不是标准的4线来连接用户和中心局。因为中心局之间是用4线连接的,在2线和4线间转换时就需要混合设备。但是,这种混合不能很精确的进行阻抗匹配,由此产生了电回声。

声学回声:耦合(也就是当麦克风接收声音时太接近说话者)会产生声学回声,或者称为“多径”回声。有线和无线电话以及其它免提扬声器都会产生声学回声。

无线系统特有的回声

与采用电路交换的有线网络中回声仅仅在长途通话时才会出现的情况不同,回声在所有无线网络中都会出现,这是由分组技术及相关处理产生的固有延迟引起的。补救措施就是在网络中增加一个回声消除器(EC)。

所有3G手机,都预设了声学回声消除功能。但是,无线网络需要一种回声消除器来消除当接入PSTN时混合设备产生的回声。回声消除器必须安装在网关中,那里是语音信号最初被数字化的地方。

自适应滤波器(回声消除器的一个组成部分)应该有一个较长的尾声长度(128ms),以确保覆盖EC与混和设备之间各种长度的延迟。

提高无线网络的通话质量

对无线应用来讲,大部分合格的有线回声消除器是不适用的。相对于传统回声消除器的功能,这种回声消除器必须能完成更多的任务。为了能克服回声和背景噪声带来的挑战,3G无线网络需要创新的EC算法。

背景噪声:背景噪声由讲话者周围环境的噪声组成。经常是两边通话者都会被背景噪声包围,从而影响无线网络的通话质量。彻底消除背景噪声会让通话不太自然,使通话一方或者两方以为通话中断了,以至于挂断电话并试图重拨。少许背景噪声是有价值的,这可以用来向对方提示讲话者所处的环境。

当自适应滤波器漏过部分背景回声(也就是剩余的回声)时,组成回声消除器的非线性处理器(NLP)就会消除原来的背景噪声而代之以模拟的背景噪声。当NLP在讲话开始或者结束的时候反应过慢,剪切(clipping)现象就会出现(也就是代替背景噪声的替换声音)。由于音节或者整个单词都被断开,使得交谈很难进行,因而导致了通话质量的降低。因此,高质量的回声消除器是必需的,它可以精确地模拟背景噪声,但又不会发生剪切现象,可以提供一个舒适的通话环境。

噪声减少:噪声减少是提高通话质量的新特性之一(在ITU标准G.160下开发)。各种算法被开发用来处理噪声减少,用信号处理来区分讲话者的语音和噪声。在保持讲话者信号完整的同时,通过对噪声应用一种负增益,滤波器被用来在每个基础频带上增强信噪比(SNR)。减少噪声以提高通话质量,可以使用户更清楚地听到对方的讲话,从而保证了通话效率。

本文小结

因为回声在所有的3G无线网络中都会出现,因此回声消除器是必需的。为了追求最好的通话质量,运营商必须明智地选择一种具有足够尾长(128ms)的通话质量增强设备,消除电回声和声学回声,减少背景噪声并保证剪切现象不会出现,这是应该特别注意的。

在激烈的竞争中,无线网络运营商难以承受保证通话质量带来的负担。最终,可以选择在网关集成高质量的回声消除器,从而确保某些OEM厂商可以实现高质量的通话,由此使无线网络运营商发生分化,为他们的网络带来更多的用户。

作者:Frédéric Bourget

产品管理总监

Octasic公司