【毕业学位论文】（Word原稿）声讯回音消除器设计-电机工程

圣约翰技术学院专题研究成果报告 声讯回音消除器设计 单位： 电通系 级职： 副教授 姓名： 杨世任 中华民国 93年 7月 31日 2 摘要 随着近年来网路建设与应用以及个人行动通讯服务的蓬勃发展，视讯会议及各种行动通讯之免持 (备使用日渐广泛，需求也日益增多。在典型的应用中，远端声音讯号传输到本地端后经由本地端的扩音器 (送出，本地端的音讯经由麦克风 (取后传输到远端。在此种模型中，本地端扩音器 (出的 音波会经由环境 (车厢或房间 )反射到麦克风，造成回音。本计画之目的在尝试利用低价位的定点 (程式化(位信号处理器 (以适应性滤波器(架构实现声讯回音消除器 (此种实作方式在维持低硬体成本的同时尚可赋予整体系统相当高的弹性，更可利用数位信号处理器多余的处理能力发展更高附加价值的进阶功能。 关键词： 可程式化数位信号处理器、适应性滤波 、声讯回音消除器。 3 目录 图目录 . 4 表目录 . 5 第一章 数位信号处理器发展沿革 . 6 1.1. 9 第二章 5000系列数位信号处理器 . 11 254 . 11 2. 13 第三章 回音消除演算法 . 20 3波器 . 20 3. 24 第四章 实验结果 . 27 第五章 结论 . 31 参考文献 32 4 图 目录 圖 1 數位訊號處理流程圖 . 6 圖 2 板之方塊圖 . 15 圖 3 . 17 圖 4 波器方塊圖 . 20 圖 5 線性緩衝區 . 22 圖 6 環形緩衝區 . 23 圖 7 回音消除器方塊圖 . 24 圖 8 弦波輸入信號波形 . 27 圖 9 弦波輸 入時預測濾波器所產生的誤差信號 . 28 圖 10 真實語音輸入信號波形 . 29 圖 11 真實語音信號輸入時預測濾波器所產生的誤差信號 . 30 5 表 目录 表 1 定 . 16 表 2 定 . 17 表 3 定 . 18 表 4 定 . 18 表 5 定 . 18 表 6 定 . 18 表 7 I/O 空間範圍 . 19 表 8 制及狀態暫存器 . 19 6 一、数位信号处理器发展沿革 1所谓数位讯号处理 (就是将讯号 (过取样（ 量化（ 编码（ 程序，转换成数位化的离散时间序列（ 并对此信号序列施行分析（ 处理(一种技术，。通常此类的处理过程需要大量的数学运算。 類 比 訊 號 D / A 轉 換取 得 資 訊一 般 數 位 訊 號 處 理 程 序 :傅 立 葉 轉 換 分 析 Z 轉 換 分 析濾 波 器 分 析 等 等A / D 轉 換 類 比 訊 號图 1 数位讯号处理流程图 而数位讯号处理器 (为针对数位讯号处理应用发展出的处理器。这一类处理器晶片的特点，便是经由特殊的硬体的设计，实现常见的数位信 号处理运算，使一般数位讯号处理的运算速度加快，并提升程式化的方便程度。他与一般电脑 于 见的 (1) 程式管线式（ 作 管线式运作即是在同一指令周期中，处理器不仅执行目前之指令，亦同时抓取下一个或下几个指令的一些准备动作。 包括抓取、解码、运算、执行等，因此在最佳情况下， (2) 零负担 (回圈计算 以高阶语言为例，于执 行回圈时需要用软体计算回圈执行次数并作据以做回圈终结判断，使得在计算大量回圈时浪费不少时间，然而执行回圈时无须作上述之计数及判断，而使得计算速度增快。 (3) 大量的 I/就并列 I/了记忆映射 I/亦可额外扩充。 (4) 汇流排不共用 为达到并行处理之功能， 如将程式与资料汇流排分开，使指令与资料的存取可同时进行以增进程式执行的速度。 (5) 特殊之位址解码模式 为节省大量计算时资料搬动的时间， 于有些演算法如回旋积分 ( 是数位滤波器等需要用到大量且重复性的运算时，此种定址法可使程式变得更简捷。 近年来由于半导体设计及制程日益进步，使新一代晶片具备下列先进的 8 功能 (1) 并行多处理器结构 例如将惯用之微控制器 (心 ( 合并多个 增效能及应用时的方便性。 (2) 内建快闪记忆体 (便于韧体 (展及执行时永 久性资料的更新储存。 (3) 内建数值运算表 如正弦函数表等，加速执行周期及方便讯号分析或合成。 (4) 内建常用之 如 (5) 更多层的 强化并行处理的能力。 (6) 耗电及倍频锁相回路之改进 降低外频以减少电磁干扰，增加应用稳定性。 由于 应用设计上宜注意下列各点 (1) 尽量使设计上的可能更动维持在软体层次。传统微处理器由于功能有限，往往需配合若干周边硬体来执行一些速度较快的工作以分担 荷。但往往在系统功能需扩充时要更动硬体，增加了时间成本。以 了运用其高速的计算能力外，也心须善用其资料搬运、逻辑处理或 I/ 9 (2) 由于软体的设计在 其是必须兼顾大量即时的 I/统顺序式 (前景 /背景(程式结构将使系统维护及扩充上倍增困难。如果可牺牲一部分的 可吏用小型的即时多工微核心 ( 作程式管理，以争取研发时效。也就是设计者可利用并行多工的概念，使复杂的程式在维护上变得十分容易。 1 (1) 1 执行速度快，整体效能佳，可做为即时运作之应用。 2 特殊硬体与数位讯号处理指令设计，适用于高等控制技 巧。 3 晶片设计导向为做数位讯号处理与高等数学运算之用。 4 容易增加附属应用功能。 (2) 1 由于 (因此不易适用于简单的控制应用。 2 与传统单晶片相比较， 件不是非常充足。 (3) 一般传统单晶片之优点： 10 1 周边元件设计于单一晶片中，容易实现简单的控制应用。 2 传统单晶片每种结构皆相类似，易学易懂。 (4) 传统单晶片之缺点： 1 指令执行速度慢，整体效能低，不适合应用于即时控制。 2 传统单晶片由于执行速度不足，而且数学运算指令不足，所以不适用于高等数学运算。 11 二 . 5000系列数位信号处理器 2I 6位元之程式计数器 (PC 作为指令执行计数，以一个堆迭作 副函式及中断呼叫时存放 一般微处理器相同，每次执行一指令后， 以执行下一指令。在副函数呼叫 (例如程式跳跃时 (例如 部份程式跳跃逻辑均基于 大部分 有些只需要五个步骤 )，即预提取 )、 取 )、 码 )、 取 )、 取资料 )及 行 )。由于 得这六个步骤发生可以 互相独立，也就是说在任何指令周期，可同时容许 16个指令动作，但发生之步骤不同。 对于大量且重复性高的运算如表格资料存取 (矩阵相乘或记忆区搬运等， 指令群重复(功能，以节省回圈负担 (加摙执行周期。 有关 个暂存器均为 以可以用 时设定其中特定位元亦可使用 个参数的设定影响 以必须了解每 12 个参数的定义。 省电模式 外部讯号 ( )进入省电模式 (此时 其他活动则暂停直到模式结束。第一种模式是执行 时 然继续活动，且 此可由串列埠或时 钟(产生中讯号而结束省电模式。当中断发生时，如果 ，则 果 ，则执行紧跟着 如果执行 进入第二种省电模式，此时所有的 含周边，全部停止，因此无法由其本身产生中断来停止省电模式，必须靠外部电路产生中断讯号 ( ，且该讯号至少需持续 10样的， 执 行 一的差别在于 以比 外，进入 以更改 54 如果对 接脚产生 果 产生时 ，则 3 晶片之位址及资料汇流排与控制讯号现全部进入 了省电外，同时外部电路亦可对记忆区或 I/54些性质在并行处理 (多颗 可用来对共用记忆区作构 )。如果 ，则 是当要存取外部资讯时，其活动胍暂停，等待 讯号变为 出省电模俞后继续。 讯号并不止 中断 硬体中断 (外部硬体触发中断与内部周边触发中断 )，而所有的中断又可分为两类 : 可遮罩中断 : 此种中断可由软体控制为致能（ 不致能（ 6个可遮罩 (中断 ( 不可遮罩遮式中断 : 此种中断不能由软体控制为致能或不致能，包括所有的软体中断与 2个外部硬体触发的中断 ( 及 )。 2I 本计划使用德州仪器（ 司的 s 402）实验模板作为发展核心演算法的基本硬体平台，以缩减发 14 展时程。 色如下 : 1. 含有 00 点数位信号处理器 算指令周期为 10 2. 4128 以时脉周期 10态随机存取记忆体 )。 3. 56K 闪记忆体 )。 4. 提供 列埠两种方式与电脑连接 ( 5. 四个 一个显示电源 ( 3个可由使用者控制。 6. 可利用扩充记忆体及 7. 含有两个 8. 透过 片，可以由 座连接电话线路。 9. 含有 2个 接 供类比音源输入与输出。 10. 具有一个 面。 11. 可用单一外部输入 +5 15 1. +5V/+12V/2. 2.5 mm 5 . 144. 10. 25PI 6. . AA . ( 图 2 拨开关（ (粗体字表 1. 16 (“示逻辑 0， “示逻辑 1) N 2 C# ,4,5 (1) (0) 8 (1) (0) 表 1 R e s e r v e d( O V L Y = 1 )E x t e r n a l( O V L Y = 0 )O n - c h i p D A R A M( O V L Y = 1 )E x t e r n a l( O V L Y = 0 )E x t e r n a lI n t e r r u p t s( E x t e r n a l )0 0 0 00 0 7 8 03 F F 0 0F F 7 8 0e xP a g e 0 P r o g r a / ( M i c r o p r o c e s s o r M o d e )H e x P a g e 0 P r o g r a mR e s e r v e d( O V L Y = 1 )E x t e r n a l( O V L Y = 0 )O n - c h i p D A R A M( O V L Y = 1 )E x t e r n a l( O V L Y = 0 )E x t e r n a lO n - c h i p R O M( 4 K x 1 6 - b i t )R e s e r v e dI n t e r r u p t s( O n - c h i p )0 0 0 00 0 7 8 03 F F 0 0E F F 0 0F E F 0 0F F 7 8 0 / ( M i c r o c o m p u t e r M o d e )D a t aM e m o r yM a p p e dR e g i s t e r sS c r a t c h - P a n - c h i p D A R A M( 1 6 K x 1 6 - b i t )E x t e r n a M ( D R O M = 1 )o r E x t e r n a l( D R O M = 0 )R e s e r v e d( D R O M = 1 )o r E x t e r n a l( D R O M = 0 )0 0 0 00 0 5 6 00 0 7 8 03 F F 0 0E F F 0 0F E F 0 07 P a g e 06 4 K W o r d 0 0 0 00 F F F FP a g e 1L o w e KE x t e r n a lP a g e 1U p p e KE x t e r n a 0 0 0 01 3 F F 4 0 0 01 F F F FP a g e 2L o w e KE x t e r n a lP a g e 2U p p e KE x t e r n a 0 0 0 02 3 F F 4 0 0 02 F F F FP a g e 1 5L o w e KE x t e r n a lP a g e 1 5U p p e KE x t e r n a 0 0 0 0F 3 F F 4 0 0 0F F F F FP a g e 0 1 5 低 1 6 K w o r d 只 有 在 O V L Y 為 0 時 才 可 使 用 ， 若 O V L Y 為 1 則 晶 片 內 之 R A M 對 映 到 程 式空 間 ( P r o g r a m s p a c e ) 每 個 P a g e 的 低 1 6 K w o r . 3) (“示逻辑 0， “示逻辑 1) W 5(W 4(W 3(0 0 (0 (0 (0 (0 (1 (9007h 0 (1 (0 (4007h 100 1 (0 (0 (1007h 40 1 (1 (0 (0 1 (1 (1 (0000h 10 (1 (0 (1 ( (0 (1 (1 ( 2 将上表开关设定之值载入 作为起始工作频率。在 仍可对 3. 18 3 2 1 3 4. 2 1 ( 4 5. 2 3 5 6. S 125 6 (由 ： I/用途 备注 00003仅使用位址 0006 40007使用位址 0007 19 8000板用 I/32K 配合 共可定址 32x 32K 表 7 ： I/O 0 0 (0 (0 (0 (0 (0 (0 (0(1 R R R R R R R 2 0(0(16 0(0() 0 () 0() 0() 0() 3 P I/O 0(0(1 (1 (0 (0 (0 (0 (4 0(0 (1 ( 0(0 0 0(0(5 - - - - - - - 0 (6 - - - - - - - 0 (表 8 除了 计划所使用的软体发展工具为开发人员可以用 如对自行设计或现存的 使用软体模拟的方式编写程式。此外， 制产生目的码大小之特别版本 外，在 语言函式库，使用者可以直接引用、呼叫，不必撰写与实验板及其周边相关的组合语言程式。 20 三 . 回音消除演算法 3波器 一个 2阶的 波器之方块图如图 3图 4 在 入 (0)X 在 0X 的位置。此时， (0)X 和 0a 相乘，而且输出到 的位置。在一个取样单位时间后，输入值 了新的数值(1)X 。而 X(0)则经过延迟线搬移到 1X ， 而原先 0X 的位置则让 (1)X 填入。此时，输出 01( 1 ) ( 0 )o u tY a X a X=+。这过程将会一直重复执行。所以他的输出方程式可以写为 0 0 1 1 2 2o u tY a X a X a X= + + 。 一个离散时间（ 性非时变 (系统可由下列的差分方程式来表示： 10 n a y n k b x n k= - + (1) 21 所谓 的脉冲响应是有限的持续期（ 因此在 有代表回授的 等于零。因此， : 0 M n b x n k= (2) 因此， 而输入经过有限个 不再影响输出。所以， 外， 统。 延 迟线的实现 1 线性缓冲区 在微算机中，要实现延迟线最简单的方法是藉由阵列构成之线性缓冲区（ 而具有 N 滤波器就储存在此阵列中，操作最近的 运算一次，新的取样值就会被存到阵列的尾端。使用这个方法时，单一个辅助暂存器能够在滤波器的计算中，以 “ 递减 ” 的方式移动经过这阵列，并且当要再次计算之前可以移动到下一个空的位置去读入新的资料。 22 图 5 线性缓冲区 这个方法的优点是在它和 为 执行积之和（ of 运算时， 以自动的增加及减少，所以，所有 而，它的缺点是，线性缓冲器会占掉很多的记忆体。每当取一个新的资料时便需要一新的位置。在连续系统中，取样的资料量是非常庞大的，使用这个方法将会占掉太多的记忆体，所以，这个方法在实际上并不实用。 2 环形缓冲区 一个解决线性缓冲区缺点的方法是利用环形缓冲区（ 假如在记忆体中，有 们将会有足够的空间来执行积之和的运算。每次运算后，新进的资料会将最旧的资料给取代掉。这样的话，记忆体内永远都是最近的个取样的资料，这个方 23 法不仅解决了延迟线的问题，而且也解决了占用过多记忆体的问题，所以，这是一个非常有效率的方法。 图 6 环形缓冲区 但是很不幸的，环形记忆体在实际上是不存在的元件。然而，吾人可以使用软体控制的方法，将实际的记忆体模拟成环形记忆体。为了藉由软体去实现环形缓冲区，必须先设定这块区域的起始位置和结束位置供环形记忆体使用。并使用第三个 指位器来存取这个范围的资料。每次当存取指位器改变时，我们就将指位器的数值和起始位置指位器及结束位置指位器做比较。不论存取指位器在增加或减少时经过结束位置指位器，就将它的数值设定为起始位址的数值。如此，环形缓冲器就可以正确地在标准的记忆体上被实现。这个方法优点，如同前面所说的，可以将记 24 忆体做很有效率的使用。而它的缺点是需要额外的时间去做这个结构的模拟。这样会使得效率降低，除非使用较快速的处理器，但是，所花费的成本也会因而提高。 3图 7 回音 消除器方块图 依此产生一个预测误差信号，我们再依据此预测误差信号来更新 以下之方程式为更新 10 ( ) ( )N n a y n (3) ()( 1 ) ( ) ( )()n a n y = +(4) 其中 ( ) ( ) ( )e n r n r n=-，为 预测误差 ，为步距大小 ( ()5 取样时间点 而且 ()() 由式 (4)可以得到以下的滤波器系数迭代方程式： 001111( 1 ) ( ) ( )( 1 ) ( ) ( 1 )()()( 1 ) ( ) ( 1 )n a n y na n a n y n a n y n 轾+犏 犏 犏犏 犏 犏+ 犏犏 犏 犏= + ?犏 犏 犏犏 犏 犏犏 犏 犏+ - +犏 犏 犏臌 臌 臌M M M (5) 在声讯回音消除器（ 算法中，其收敛的特性几乎决定于 (1) 步距大小 (2) 远端信号 ()能量。一般来说，若使用大的步距在输入讯号为恒定（ 情况下，可以快速收敛；然而，若使用小的步距，在输入讯号为非恒定（ 特性变动缓慢的情况下，反而可以较快收敛。 信号能量的判断： 如先前所述，演算法中远端信号 ()能量的计算影响演算法的收敛性，因此本计划中利用一个无限脉冲响应滤波器（ 架构来求得远端信号 ()能量，作法是求先前的信号能量与现阶段所获得的能量值之加权和（ 因为 所以输出的值必须依靠先前的值所运算出来。计算信号能量之作法是求 2( ) ( )P n L n= (6) 26 其中 ( ) ( 1 ) ( 1 ) ( )L n a L n a x n= - - + (7) 或者直接使用 2( ) ( 1 ) ( 1 ) ( )P n a P n a x n= - - + (8) 其中 () a 参数可以调整过去信号能量与目前信号取样能量之比例； a 越小，则过去信号能量影响程度越大，相当于求取短时间能 量（ 的窗函数（ 长；例如， 1/ 32a = 表示一个非常短的能量窗函数，而 1 / 1 6 3 8 4a = 则代表一个长的能量窗函数。 27 四 . 实验结果 本章使用第三章所描述的演算法加以实作，以验证演算法之正确性。在本章中，所有信号均是以 8K 音的效应使用一个128先考虑输入信号为弦波（ 状况 ，其波形显示于 图 8之中，而 图 9为 预测滤波器所产生的误差信号（ 形。因为弦波的特性相当固定，因此预测滤波器几乎可以完美追随输入变动，因此误差信号迅速衰落，预测滤波器接近收敛。 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 . 8- 0 . 6- 0 . 4-