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基于H.323協(xié)議的音頻混合方案設(shè)計(jì)的論文
摘 要：本文根據(jù)H.323協(xié)議，分析了多點(diǎn)處理單元（MCU）的組成，包括多點(diǎn)控制器（MC）和多點(diǎn)處理器（MP）。并在詳細(xì)的分析了音頻多點(diǎn)處理器后，提出了只對(duì)滿足條件的m個(gè)信道的音頻進(jìn)行音頻混合的方案，有效的刻服了現(xiàn)在比較流行的平均調(diào)整權(quán)重算法的音頻混合方案所產(chǎn)生的缺陷和不足，大大提高了系統(tǒng)對(duì)音頻混合的效果。
關(guān)鍵詞：H.323協(xié)議；音頻混合；設(shè)計(jì)
近年來，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展為IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多媒體通信提供了基礎(chǔ)條件，IPTV、視頻會(huì)議、多媒體遠(yuǎn)程教育等寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成為熱點(diǎn)。而視頻會(huì)議在實(shí)用化方面取得了迅速的發(fā)展，功能也己由原先單純的電視會(huì)議功能發(fā)展成遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)等多方面的綜合業(yè)務(wù)。
1、多點(diǎn)控制單元(MCU)
H.323協(xié)議在邏輯上可以分為四個(gè)組成實(shí)體:終端(Terminal)、網(wǎng)關(guān)(Gateway)、網(wǎng)守(Gatekeeper)、多點(diǎn)控制單元(MCU)。
多點(diǎn)控制單元用于支持三個(gè)以上端點(diǎn)設(shè)備的會(huì)議。在H.323系統(tǒng)中，一個(gè)多點(diǎn)控制單元由一個(gè)多點(diǎn)控制器(MC)和幾個(gè)多點(diǎn)處理器(MP)組成，但也可以不包含MP。多點(diǎn)控制器處理終端間的H.245控制信息，從而決定它對(duì)視頻和音頻通常的處理能力。在必要情況下，多點(diǎn)控制器還可以判斷哪些視頻流和音頻流需要多播，以控制會(huì)議系統(tǒng)使用的資源。
視頻會(huì)議中，在集體討論和自由發(fā)言的情況下，可能會(huì)有多個(gè)與會(huì)者同時(shí)發(fā)言。為了使每個(gè)與會(huì)者能同時(shí)聽到其他所有發(fā)言者的聲音，采用了音頻混合技術(shù)。音頻混合單元從各個(gè)終端取得音頻信號(hào)，經(jīng)過混合編碼后再發(fā)送到各終端。該技術(shù)的引入使得各終端在接收多個(gè)發(fā)言人的音頻信號(hào)時(shí)，在帶寬占用和信號(hào)處理方面，與接收單一發(fā)言人的音頻信號(hào)相比，不會(huì)增加任何額外負(fù)擔(dān)。
為了實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)混合功能，系統(tǒng)必須具備語音信號(hào)編解碼和音頻碼流轉(zhuǎn)換功能。H.323要求所有終端必須支持G.711語音標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)G.722，G.728，G.723.1和G.729標(biāo)準(zhǔn)則是可選擇的。對(duì)于能夠提供高速帶寬環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)，為了保證語音的高質(zhì)量，可以采用速率較高的編碼方式，如G.711, G.722;對(duì)于遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)，由于帶寬昂貴，則可以采用碼率較低的編碼方式，如G.723.1。相應(yīng)地，MCU必須支持以上各種語音編碼標(biāo)準(zhǔn)。
音頻混合單元要求輸入的各路語音信息屬于同一種編碼，但實(shí)際應(yīng)用中由于各個(gè)終端選用的編碼器可能不同，因而發(fā)往MCU的音頻碼流也可能不同。為了解決這個(gè)矛盾，必須在混音之前先進(jìn)行碼流轉(zhuǎn)換，將不同的碼流轉(zhuǎn)換成同一種編碼，再送入音頻混合處理單元。
2、音頻混合方案設(shè)計(jì)
在實(shí)際應(yīng)用中，如果與會(huì)人數(shù)只有兩人，則只要保證通信是全雙工的，就可以正常地進(jìn)行會(huì)議，而無須進(jìn)行混音。如果與會(huì)人數(shù)超過3人，則需要采用混音或者轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。
轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制有兩種策略：其一，將其他端點(diǎn)的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)發(fā)給一個(gè)端點(diǎn)；其二，按照約定的某種規(guī)則選出一路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，也就是常見的“話筒傳遞”模式。這兩種模式雖然可以滿足一定層面的需求，但都存在明顯的缺陷。前者會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的傳輸負(fù)擔(dān)和端點(diǎn)的處理負(fù)擔(dān)，后者在多人會(huì)議的討論中有明顯的反應(yīng)慢效果差的缺陷。如果與會(huì)者希望能夠進(jìn)行比較頻繁的切換發(fā)言或者討論，則會(huì)出現(xiàn)明顯的斷續(xù)和切換失效等情況。
而實(shí)時(shí)混音則能很好地解決這些問題。實(shí)際應(yīng)用中，一般的混音方案都會(huì)采用時(shí)域疊加作為基本的處理手段。但是根據(jù)前面的分析可知，由于數(shù)字音頻信號(hào)存在量化上限和下限的問題，則因疊加運(yùn)算肯定會(huì)造成結(jié)果溢出。通常的處理手段是進(jìn)行溢出檢測(cè)，然后再進(jìn)行飽和運(yùn)算，即超過上限的結(jié)果被置為上限值，超過下限的值置為下限值。這種運(yùn)算本身破壞了語音信號(hào)原有的時(shí)域特征，從而引入了噪聲。這就是在某些系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)爆破聲和語音不連續(xù)現(xiàn)象的原因。同時(shí)，隨著參與混音的人數(shù)增加，出現(xiàn)溢出的頻率也不斷上升，所以這類方法存在一個(gè)上限，而且這個(gè)上限值很低，實(shí)驗(yàn)證明，一般在4個(gè)終端參與混音時(shí)其結(jié)果就有很多噪音和斷續(xù)，無法分辨語流了。
3、音頻混合方案的改進(jìn)設(shè)計(jì)
直接將各路音頻流算術(shù)相加得到音頻混合信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試，在輸入語音流少于4路時(shí)，能清晰地分辨各路語音信號(hào)。但系統(tǒng)仍存在問題。
在前述方法的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)可得到另一類混音設(shè)計(jì)方法，即將各路音頻碼流解碼后，先對(duì)解碼語音信號(hào)作一定程度的衰減，再進(jìn)行算術(shù)相加。一般是在各路語音上乘以一個(gè)衰減因子1/n，其中n為進(jìn)入混音器的語音流數(shù)目。這種方法能絕對(duì)保證相加后的語音信號(hào)不會(huì)溢出，而且對(duì)原算法的修改極少，極易實(shí)現(xiàn)。但是它存在的關(guān)鍵問題是，當(dāng)進(jìn)入混音器的語音流數(shù)較多時(shí)，各路語音信號(hào)的衰減程度都比較大，混音的結(jié)果是所有信號(hào)都比較弱，無法突出重點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能所有聲音都聽不清楚。
實(shí)現(xiàn)這一改進(jìn)策略時(shí)，仍然是在每個(gè)語音通道上綁定一個(gè)解碼器，負(fù)責(zé)該路語音的解碼，但無需再綁定編碼器。系統(tǒng)中最多同時(shí)存在m+l個(gè)編碼器，其中m個(gè)分配給m路被選中的語音通道，另一個(gè)分配給音頻混合信號(hào)S，對(duì)S編碼后的碼流發(fā)送到所有未被選中的終端和廣播終端。由于解碼器的運(yùn)算復(fù)雜度遠(yuǎn)小于編碼器，因此系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷大大降低。改進(jìn)后的混音器只選取音量最大的m路進(jìn)行混音，其余信號(hào)被衰減，合理選擇m的值，不僅使會(huì)議發(fā)言重點(diǎn)得以突出，與會(huì)者能獲得最重要的發(fā)言信息，而且一般情況下都不會(huì)發(fā)生溢出情況。這一改進(jìn)措施同時(shí)解決了前述兩種方法所存在的問題和缺陷。
某個(gè)編碼器在由一個(gè)語音通道轉(zhuǎn)而分配給另一個(gè)語音通道時(shí)，必須先進(jìn)行初始化(G.711a/u除外)。必須注意，要盡量減少編碼器和語音通道之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的改變。
4、結(jié)束
本文在研究了H.323協(xié)議的基礎(chǔ)上，研究了MCU的音頻混合模型，并詳細(xì)闡述了音頻混合方案，為了過濾混合時(shí)的嘈音和增加臨場(chǎng)感，提出了音頻混合方案的改進(jìn)方案。
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