第二章 背景與相關研究
2.2 回音消除原理
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l C h engchi U ni ve rs it y 第二章 背景與相關研究
本章針對目前已經存在的回音消除機制相關作法與其歷史進行說明，探討它們的實 作原理與尚須改進的部份。
2.1 回音消除技術演進
在1950 年代以前，電話系統中並沒有回音消除機制存在。當時的通訊系統為了消 除回音對通訊造成的干擾，而採用回音抑制(echo suppression)的方式降低回音。由於 當時的通話系統均為一對一通話，沒有多方通話技術出現，因此人與人的溝通是以半 雙工(half-duplex)方式進行，亦即同一時間僅其中一方在說話，另一方是收聽者[20]。
此回音抑制機制會判定電話的那一方是說話者，則在說話期間就保留正常的語音，將 收聽者回傳的訊號視為回音進行衰減或阻止其傳輸，以達到回音抑制的目的。此方法 雖有效消除半雙工通話中的回音，但回音抑制機制的判定速度往往跟不上發話者切換 的速度，如此可能導致使用者開始講話時的語音遺失，或者雙方同時講話時無法判定 那一方是說話者而造成誤判產生回音[21]。
直到1970 年代，隨著半導體的進步，市場上才逐漸出現回音消除機制的產品。此 時的技術開始採用前述的以訊號暫存與相減的方式消除回音[11]，以此方式取代先前 回音抑制機制的信號開關。直到90 年代，隨著 DSP 數位訊號處器普及，回音消除機 制才逐漸整合於電話交換機內，並且能更精準的消除延遲時間不固定的回音。
2.2 回音消除原理
如同前述，在VoIP 系統中，不像傳統電話，由於沒有標準的聽筒裝置，因此回音 的延遲時間與音量/失真狀況相當難以預估。所以，針對此狀況需要加入更多的判斷機制 來掌握回音的狀況，並即時的進行消除。例如Perry P. He 等人提出的"Network Echo
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Cancellers: Requirements, Applications and Solutions"[4]一文中所提出的解決方案，此系統 與傳統電話的回音消除機制類似，在受話端加入回音消除裝置，但此裝置包含了訊號即 時比對的裝置：
圖10：VoIP 系統中回音消除機制
圖10 為 VoIP 中所使用的回音消除機制示意，其中包含的主要元件為 Echo Inverter 與Adaptation Filiter，其功能分別為：
a. Echo Inverter：此部份包含了暫存記憶體(buffer)與訊號反向的運算機制。目的為將接 收到的語音訊號暫存，若經由演算判斷回音發生時，則取出暫存器中的訊號做反，
相並與回音訊號相減，以達到抵銷的目的。
b. Adaptation filter：此部份包含預期回音傳回的時間，判斷回音是否發生與決定相減訊 號的衰減程度等等。透過LMS/NLMS 等演算法[9]，將可能有回音的訊號做誤差還 原後，逐一與原始訊號做比較，判斷回音是否發生。若回音發生時，則由此部份決 定回音傳遞時間與衰減幅度等等因素，將前述Echo Inverter 中原始訊號取出，經過 處理後相減以消除回音。
通常，此部份需要不斷進行暫存，濾波器參數運算調整，比對，訊號處理與相減等 等複雜的計算工作，因此在目前絕大多數的系統中，都是由DSP (Digital Signal Processor-數位訊號處理器) 進行運算[8]，以避免如此大量的計算影響 VoIP 等通訊軟體的正常工 作。
2.2.1 回音消除演算法
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Algorithm，正規化最小平方誤差演算法) 或LMS (Least Mean Square Algorithm，最小平 方誤差演算法) 。此演算法為1960年由B. Widrow等人所提出[17][18]，最初為用來作為 信號誤差修正用，後來被DSP系統用來實做回音消除裝置。例如U. I. Choudhry等人提出 的”A Highly Adaptive Acoustic Echo CancellationSolution for VoIP Conferencing
Systems”[1]一文中，就採用LMS演算法。由於經過空間傳遞或反射後的回音訊號，無論