（通信与信息系统专业论文）自适应回波消除器研究及其fpga实现.pdf

大连理f 大学硕士学位论文 摘要 回波消除器广泛应用于公用电话交换网( p s t n ) 、移动通信系统和视频电话会议系 统等多种语音通信领域。在p s t n 系统中，由于线路阻抗不匹配，远端语音信号通过混 合线圈时产生一定泄漏，一部分信号又传回远端，产生线路回波，回波的存在会严重影 响语音通信质量。本文主要针对线路回波进行研究，设计并实现了满足实用要求的基于 f p g a 平台的回波消除器。 首先，对回波产生原理和目前几种常用回波消除算法进行了分析，在研究自适应回 波消除器的各个模块，特别是深入分析各种自适应滤波算法和双讲检测算法，综合考虑 各种算法的运算复杂度和性能的情况下，这里采用n l m s 算法实现自适应回波消除器。 针对传统双讲检测算法在近端语音幅度较低情况下容易产生误判的情况，给出一种基于 子带滤波器组的改进双讲检测算法。 本文首先使用c 语言实现回波消除器的各个模块，其中包括自适应滤波器、远端检 测、双讲检测、非线性处理和舒适噪声产生模块。经过仿真测试，相关模块算法能够有 效提高回波消除器性能。在此基础上，本文使用硬件描述语言v e r i l o gh d l ，在q u a r t u s i i 和m o d e l s i m 软件平台上实现各功能模块，并通过模块级和系统级功能仿真以及时序 仿真验证，最终在现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 平台上实现 回波消除系统。本文详细阐述了基于f p g a 的设计流程与设计方法，并描述了自适应滤 波器、基于分布式算法f i r 滤波器、除法器和有限状态机的设计过程。 根据i t u tg 1 6 8 标准提出的测试要求，本文对基于f p g a 设计实现的自适应回波 消除系统进行大量主客观测试。经过测试，各项性能指标均达到或超过g 1 6 8 标准的要 求，具有良好的回波消除效果。 关键词：自适应回波消除器；自适应滤波算法；双讲检测算法；f p g a ；i t u - tg 1 6 8 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho na d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o na n df p g ai m p l e m e n t a t i o n a b s t r a c t e c h oc a n c e l l e ri sw i d e l yu s e di np s t ns y s t e m ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，v i d e o t e l e c o n f e r e n c i n gs y s t e m ，a n do t h e rs p e e c ht e l e c o m m u n i c a t i o n f i e l d s i np s t ns y s t e m ， b e c a u s eo ft h er e s i s t a n c em a t c h i n gp r o b l e m ，s i g n a ll e a k a g ei sg e n e r a t e da n dr e f l e c t e dt ot h e f a r - e n dw h e nt h ef a r e n ds i g n a lg ot h r o u g ht h eh y b r i d ，w h i c hi sc a l l e dl i n ee c h o ，a n dt h e e x i s t e n c eo fl i n ee c h ow i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fs p e e c hc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e r p r i m a r i l ys t u d i e so nl i n ee c h oc a n c e l l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dp r o p o s e sas y s t e mi m p l e m e n t a t i o n s o l u t i o nb a s e do nt h ep l a t f o r mo f f p g aw h i c hs a t i s f i e st h ed e m a n d sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i na c c o r d a n c ew i t ht h eg e n e r a t i n gp r i n c i p l eo fl i n ee c h oa n da f t e ra n a l y z i n gm a i ne c h o c a n c e l l a t i o na l g o r i t h m s a n da f t e ri n d e p t hs t u d yo nt h ec o r ea l g o r i t h m so fa l lt h em o d u l eo f a d a p t i v ee c h oc a n c e l l e r ，i np a r t i c u l a r , a d a p t i v ef i l t e r i n ga l g o r i t h ma n dd o u b l et a l kd e t e c t i o n a l g o r i t h m ，c o n s i d e r i n gw i t hc o m p l e x i t i e sa n dc a p a b i l i t i e so fa l lt h ec a n d i d a t e s ，t h i sp a p e r c h o o s e sn l m sa l g o r i t h mt oi m p l e m e n te c h oc a n c e l l e r i no r d e rt oi m p r o v et r a d i t i o n a ld o u b l e t a l kd e t e c t i o na l g o r i t h me a s i l yl e a d st om i s j u d g i n gw h e nn e a r - e n ds p e e c hs i g n a la m p l i t u d ei s l o w ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e da l g o r i t h mo nd o u b l et a l kd e t e c t i o nb a s e do ns u b - b a n d f i l t e rb a n k s t h i sp a p e rf i r s tc o m p l e t e scp r o g r a mv e r s i o no fa l lt h ee c h oc a n c e l l a t i o na l g o r i t h m m o d u l e s ，i n c l u d i n gt h ea d a p t i v ef i l t e r , f a r - e n dd e t e c t i o n ，d o u b l et a l kd e t e c t i o n ，n o n l i n e a r p r o c e s s i n ga n dc o m f o r tn o i s em o d u l e s t h er e s u l t so f s i m u l a t i o nt e s t sp r o v et h a tt h ea l g o r i t h m m o d u l e se f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe c h oc a n c e l l a t i o n o nt h eb a s i so fcp r o g r a m v e r s i o n , a l lt h eh a r d w a r em o d u l e so ft h ea l g o r i t h m sa r ec o m p l e t e d ，u s i n gv e r i l o gh d l h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e t h eh a r d w a r em o d u l e so ft h ea l g o r i t h m sa c h i e v et h r o u g h m o d u l e - l e v e la n ds y s t e m l e v e lf u n c t i o n a ls i m u l a t i o n ，t i m i n gs i m u l a t i o no nt h es o f t w a r e p l a f f o r mo f q u a r t u si ia n dm o d e l s i m ，a n du l t i m a t e l yt h i sp a p e ra c h i e v e st h es y s t e mb a s e do n f p g ah a r d w a r ep l a t f o r m t h i sp a p e re l a b o r a t e so nf p g a b a s e dd e s i g nf l o wa n dd e s i g n m e t h o d s ，a n dd e s c r i b e st h ea d a p t i v ef i l t e ra l g o r i t h m ，f i rf i l t e rb a s e do nd i s t r i b u t ea r i t h m e t i c ， d i v i d e ra n df i n i t es t a t em a c h i n ed e s i g np r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ei t u tg 1 6 8s t a n d a r d 1 a r g en u m b e r so fs u b j e c t i v ea n do b j e c t i v e t e s t i n gi sc o m p l e t e do nt h ef p g a - b a s e da d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sp r o v e d e f f e c t i v eo ne c h oc a n c e l l a t i o na n dt h et e s tr e s u l t sm e e to re v e ns u r p a s st h ed e m a n d so fi t u - t g 】6 8s t a n d a r d 白适应同波消除器研究及其f p g a 实现 k e yw o r d s ：a d a p t i v ee c h oc a n c e l l e r ；a d a p t i v ef i l t e r i n ga l g o r i t h m ；d o u b l et a l kd e t e c t i o n a l g o r i t h m ；f p g a ；u tg 1 6 8s t a n d a r d i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 衅 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 二雌 结阻削 糊年由二 大连理工大学硕士学位论文 引言 回波干扰问题广泛存在于公用电话交换网( p s t n ) 、移动通信系统和视频电话会议 系统等多种语音通信领域。回波的存在严重影响通话质量，特别是对于远程通信系统， 由于传输延时加大，回波影响更为严重。如果没有合适的回波控制机制，很难获得令人 满意的通话效果。因此，为了提高语音通信质量，回波消除技术一直是近年来非常活跃 的研究领域，回波消除质量的优劣也己成为各大通信公司产品竞争的一个重要指标。 为对各种回波消除器的处理效果给出可靠的客观评价，除使用人耳主观评定的方法 外，还需要使用客观的测量标准进行定量比较。国际电信联盟( r r u t ) 就回波消除技术 先后发布了一系列标准。1 9 9 3 年发布的g 1 6 5 标准【l 】和g 1 6 7 标准【2 】，分别对应于线路 回波( l i n e e c h o ) 消除和声回波( a c o u s t i c e c h o ) 消除。针对网络电话系统( v o l p ) 的发展， 1 9 9 7 年推出用于评价线路回波消除性能的g 1 6 8 标准【3 】。该系列标准针对数字回波消除 器定义客观测试方法及推荐指标。通过对回波消除器进行相应项目的测试，所得性能指 标成为判定其性能优劣的重要依据。 出于对算法复杂性和运行效率等因素的综合考虑，传统回波消除器主要基于d s p s 平台实现。近年来，大规模集成电路得到突飞猛进的发展并己成为实现数字信号处理算 法的发展方向，本文据此提出一种基于现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 的自适应回波消除器系统实现方案。 大规模集成电路的发展为高效硬件实现数字信号处理算法提供了保证，并已经能够 实现片上系统( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) ，特别是现场可编程门阵列的出现，使丌发高效率、 高可靠性、低成本和易配置的系统成为可能。目前，f p g a 已广泛应用于验证新算法硬 件可实现性和算法正确性等领域。此外，f p g a 可以作为专用集成电路a s i c 设计的快 速原型系统【4 1 ，例如，a l t e r a 的h a r d c o p y 技术已能够将f p g a 原型上所有功能快速无缝 地移植到h a r d c o p y 结构化a s i c 器件上。 大连理工大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 回波产生原理 回波按照其产生原理可以分为线路回波( l i n ee c h o n e t w o r ke c h o ) 和声回波 ( a c o u s t i ce c h o ) 两种类型。图1 1 表示两个电话用户之间通过电话局的连接情况。在 p s t n 系统中，综合考虑局端与用户之间布线成本等因素，从局端到用户的本地环路采 用二线制，局端之间连接采用四线制。为实现四线到二线或二线到四线的连接，需要使 用一种混合变换器装置。理想情况下，混合变换器会把远端用户的信号完全传送到近端 用户。但实际中由于阻抗不匹配，远端信号通过混合线圈时，总会产生一定的泄漏，使 一部分信号又传回远端，这样远端用户就听到了自己的声音，产生线路回波。通常，混 合变换器的泄漏通路是线性的，但频率特性未知。如果信道延迟小，回波不明显。但是 如果信道延迟较大( 一般是长途电话或者卫星通信) ，那么回波就会对通话双方产生干 扰。决定线路回波影响程度的另一个因素是混合线圈对回波的衰减，它反映了信号被反 射的程度。一般情况下损耗至少为6 d b 【3 l 。本文主要研究线路回波消除问题。 l ，一善延麓损 1 。_ ：， ； 耗 i 电话机 ，滋合电路 ；： 泄合电路：电话机 一 鲁i 延皂损r j 。i i ；一l ； 用户端电话局端 ；传输线；电话局端 用户端 图1 1电话用户之间通过电话局的连接图 f i g 1 1 t h ec o n n e c t i o nd i a g r a mb e t w e e nu s e r st h r o u g ht e l e p h o n es t a t i o n 声回波的产生原理如图1 2 所示。在理想情况下，图中的语音通信系统( 如视频电话 会议系统等) 仅将远端用户的信号完全传送到近端用户，把近端用户的信号完全传送到 远端用户。但是在实际情况中，特别是在全双工通信的情况下，近端扬声器播放出来的 远端声音信号总会有一部分通过话筒又传回远端，这样远端用户就听到自己的声音，产 生声回波效应。 白适应同波消除器研究及其f p g a 实现 本地话筒 b _ 一本嚣驴 声同波通路 n 本地扬卢器 图1 2 声回波产生原理 f i g 1 2 t h ea c o u s t i ce c h om e c h a n i s m 1 2 回波消除研究现状 回波消除问题从贝尔发明电话起就成为学者们关注的问题之一。第一个基于超大规 模集成电路( v l s i ) 的线路回波消除器于1 9 8 0 年诞生【6 】。对声回波消除的研究是随着电 话会议系统和移动电话的实用化之后在2 0 世纪8 0 年代兴起的，声回波消除在理论和技 术上都没有线路回波消除成熟。国内外近几年丌始了对多路回波消除的研究，目前还主 要处于理论研究和计算机仿真阶段。 回波抑制( e c h os u p p r e s s o r ) 是较早使用的一种回波控制方法 ”。回波抑制器其实就 是在从近端到远端的话路中设置一个丌关。当检测到只有远端用户在讲话时，丌关断开， 于是任何信号都无法传回远端，自然也就没有回波；当只有近端用户讲话时，开关合上， 于是近端用户的话音可以高质量地传向远端。但当远端和近端用户同时讲话时，回波抑 制器就无法达到令人满意的效果。回波抑制器是一种非线性的回波控制方法。使用回波 抑制器的通信系统只能工作在半双工状态，这种限制显然不能令客户满意。 存储方法是另外一种非线性回波控制方法【8 l ，该方法将长度相同组合不同的回波数 据序列存放在存储器中。使用时根据输入序列通过查表的方法得到对应的回波，在传向 远端的信号中减去该回波，就达到抑制回波的目的。该方法对非线性的回波路径同样有 效，但存储量与回波路径长度呈倍数关系。当回波路径变长时，该方法对硬件要求过高。 对声回波还有一种比较简单的控制方法，即改善扬声器的周围环境，尽量减少扬声 器播放声音时的反射。例如，可以在周围的墙壁上附加一层吸音材料，或者增加一层衬 一4 一 大连理：1 ：大学硕士学位论文 垫以增加散射。这样改善后的环境可以控制反射，又不会使听者感觉不适。改善环境可 以有效地抑制间接回波，但对直接回波抑制效果不明显。 回波可以看成远端信号通过回波通道或回波路径系统后产生的结果。该系统通常是 未知的和时变的。回波消除器应该能够随着外界环境的变化自动地做相应的调整。设声 速为3 4 3 m s ，采样速率为8 k h z ，则在两个采样点之间声音传播距离为4 3 c m 。因此在 声回波路径中4 3 c m 的变化就可以导致其单位脉冲响应移动一个采样点问隔。可见要想 获得好的回波消除效果，回波消除器必须是自适应的。迄今为止，已提出多种自适应的 回波消除方法。现有的回波消除器产品主要是基于自适应滤波理论和数字信号处理 ( d s p ) 技术。 国内回波消除的研究起步较晚，这与我国过去电信技术落后、电信设备主要依赖进 口有关。但近年来，随着我国通信技术的发展，这方面的研究工作发展得较快。清华大 学、北京邮电大学、西安电子科技大学、西南交通大学、大连理工大学和中科院声学所 等单位先后开展了自适应回波消除的研究工作，并且已有若干成果接近世界先进水平【”。 1 3 自适应回波消除器基本原理 自适应回波消除的基本思想是通过估计回波路径的特征参数来模拟回波路径，以产 生模拟回波信号，然后从接收信号中减去该信号，从而实现回波消除【9 】。由于在估计回 波路径的特征参数时采用了自适应方法，所以该方法可以跟踪回波路径的变化。 为达到消除回波的目的，自适应回波消除器一般包括以下五个基本功能模块： ( 1 ) 自适应滤波器( a d a p t i v ef i l t e r ) ：自适应滤波器用于产生一个与真实回波相类似 的模拟回波，它是自适应回波消除器的核心。真实回波与模拟回波相减后，可有效地降 低传回远端的回波电平。 ( 2 ) 远端信号检测器( f a r d e t e c t o r , f d ) ：当远端信号功率较小时，容易导致自适应 滤波器系数发散。因此，回波消除器需要具有远端信号检测功能，以确保远端信号功率 满足自适应算法要求时，才进行滤波器的权值调整。 ( 3 ) 双讲检测器( d o u b l e t a l kd e t e c t o r , d t d ) ：当近端与远端信号同时存在时，自适 应滤波器进行权值调整所用的误差信号不再仅仅是消除后的残留回波，还包括近端语音 信号。这时应暂停自适应滤波器的权值调整，否则极易引起自适应滤波器的误调，甚至 导致其发散。因此，回波消除器需要具有双讲检测功能，以确保自适应滤波器正常工作。 ( 4 ) 残留回波的非线性处理器( n o n l i n e a rp r o c e s s o r , n l p ) ：在实际中由于种种原因 不能将回波完全消除，而存在残留回波。为了提高回波消除器性能，在残留回波功率降 低到一定程度后，对其进行某种非线性处理，可以进步减小残留回波的功率。 臼适应同波消除器研究及其f p g a 实现 ( 5 ) 舒适噪声产生器( c o m f o r t n o i s e g e n e r a t o r ) ：对残留回波进行非线性处理后，常 常给远端听者造成一种完全寂静的感觉，远端昕者会误认为线路中断。为避免这种情况 发生，需给远端听者提供一个与近端背景噪声电平相适应的噪声，该噪声称为舒适噪声。 砌 i l i 肋“ 远端榆测同波路径 ( f a rd e t e c t o r ) 一 w ( e c h 0p a t h ) i 。 白； “；抽计蝉 i ( a d a p t i v ef i l t e ”r ) - 舒适噪声 一_ _ i ( c o m f o r t n o i s eg e n e r a t o r ) i ， l 升f 佣g 曲。j 一 y 。 i ( d o u h l et a l kd e t e c t o o 非线性处理 e 厂、! 一ft i n 一厂、 f ( n o n l i n e a rp m c e s r ) 一 一 1 s j 】vl + 图1 3 网波消除器的结构框图 f i g 1 3t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo f a ne c h oc a n c e l l e r 图1 3 给出了一个包含五个基本功能模块的自适应回波消除器的结构框图，图中的 回波路径为线路回波路径或者声回波路径。当然对于不同的应用，结构框图会稍微有所 不同。如对于线路回波消除器，考虑到有时需要传输传真信号，还需要有2 1 0 0 h z 相位 反转信号检测器。图中各个符号的含意如下： r i n ： 从远端来的信号； r o u t ：传向近端的信号； s i n ： 从近端来的信号； s o u t ：传向远端的信号； g ：远端信号经过回波路径后产生的回波； s ： 近端用户声音信号； 近端背景噪声； 形自适应滤波器的单位脉冲响应； p 自适应滤波器产生的模拟回波； e ： 消除后的残留回波。 图1 3 中给出的自适应回波消除基本原理如下：设远端信号为r i n ，r i n 经过回波路径形 成回波g 。回波g 、近端语音信号s 和近端背景噪声混合形成s i n ，即 6 一 大连理1 - 人学硕士学位论文 s i n = g + s + n( 1 1 ) 远端信号r i n 作为自适应滤波器的输入，设波信号为y op a ( 1 2 ) 式得到传向远端的信号 通过自适应滤波器后形成输出s o u t ，即 s o u t = s i n y = g + s + i v y( 1 2 ) 当自适应滤波器的单位脉冲响应w 能很好地模拟回波通道的传递函数时，可以认为 g m y ，从而有 s o u t s + n( 1 3 ) 这样传向远端的信号中不包括回波信号g ，实现回波消除。 1 4 回波消除器的主要性能指标 i t u - tg 1 6 7 标准和i t u - tg 1 6 8 标准分别详细地规定了对声回波消除器和线路回 波消除器的性能要求。其中回波消除器最主要的两个性能指标是： ( 1 ) 稳态残留回波：即当自适应滤波器收敛到稳态后的回波输出量，该参数越小越 好。 ( 2 ) 收敛速度：自适应滤波器的收敛速度应尽可能快。这样当正常通话开始后，通 话者很快就感觉不到明显的回波存在。 1 5 基于f p g a 实现回波消除器的意义 大规模集成电路的发展为高效硬件实现数字信号处理算法提供了保证，并已经能够 实现片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，特别是现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y , f p g a ) 的出现，使丌发高效率、高可靠性、低成本和易配置的系统成为可能。 f p g a 是可编程逻辑器件p l d 的一大类，它使用一种不同于其他p l d 的可编程逻辑的 形成方法，即可编程的查找表( l o o ku pt a b l e , l u t ) 结构。大部分f p g a 都采用基于静 态随机存储器( s r a m ) 来构成查找表，一个个输入的查找表可以实现个输入变量的 任何逻辑功能。f p g a 器件的产品繁多，如x i l i n x 公司的c x 4 0 0 0 系列、s p a r t a n 系列， a l t e r a 公司的f l e x i o k 系列、c y c l o n e 系列和s t r a t i x 系列等都是典型的f p g a 器件。由 于各个公司f p g a 产品的结构都很相似，只是对于某个功能单元的命名不相同，所以下 面将以a l t e r a 公司的f p g a 产品为例，简要介绍一下f p g a 的组成结构【m l 。 f p g a 器件主要由逻辑阵列块( l o g i ca r r a yb l o c k , l a b ) 、嵌入式存储器块、输入输 出单元和锁相环( p l l ) 等模块构成，在各个模块之间还存在丰富的互连线资源和时钟网 络。每个l a b 包含若干个逻辑单元( l e ) ，进位链、级联链、l a b 控制信号、l a b 局部 互连、l u t 链和寄存器链。l e 是f p g a 器件最基本的可编程单元，它主要由一个u j t 、 一个进位链逻辑和一个可编程寄存器构成，每个l e 的输出都可以连接到局部布线、行 白适应同波消除器研究及其f p g a 实现 列、l u t 链和寄存器链等互连资源。通过对l e 单元进行编程，并利用丰富的互连资源 将各个l a b 连接起来，就能快速实现一个复杂的数字电路系统。f p g a 是超大规模集 成电路( v l s i ) 技术和计算机辅助设计( c a d ) 技术发展的结果，而f p g a 的设计就是利 用电子设计自动化( e d a ) 工具进行开发的过程。一个完整的f p g a 设计包括系统规范、 模块设计与输入、功能仿真、逻辑综合、时序仿真、布局布线和下载调试等步骤。通过 采用自项向下和自底向上相结合的设计方法，利用硬件描述语言进行计算机编程，从而 实现数字电路系统的设计。 f p g a 设计主要采用有限状念机( f i n i t es t a t em a c h i n e ，f s m ) 、串行化、并行化、流 水线等技术。有限状态机是用来控制时序电路的控制器实现方法，是f p g a 设计的基础。 串行化是针对资源有限的情况，对多个功能模块共有的功能单元进行复用，从而降低 f p g a 资源消耗，但同时这也会导致效率下降，一般表现为完成功能所需的时钟周期增 加。并行化是指将功能上不相关的模块同时运行，以提高执行效率，但一般会使系统的 面积增加。流水线设计的实质就是对于无反馈的串行系统，使得每个功能单元在每个时 钟周期都不会闲置，都处于处理数据状态，从而在提高资源利用率的同时，也增加了数 据吞吐量，它是f p g a 设计中最常用的技术。 基于f p g a 的数字电路系统实现能避免纯软件和专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 。a s i c ) 实现所存在的弊端；在速度上基于f p g a 实现明显快于纯软件 实现：而在灵活性和成本方面，f p g a 要优于a s i c 实现。本文采用的是a l t e r a 公司推 出的s t r a t i x 系列f p g a ，它内部集成了1 0 个d s p 块，能实现复杂的数字信号处理算法。 1 6 本文主要工作 在研究自适应滤波算法和双讲检测算法基础上，给出自适应回波消除器基于f p g a 平台的系统实现方法、系统验证方法以及仿真结果。通过客观测试验证，给出的实现方 案能够满足g 1 6 8 标准要求，达到令人满意的回波消除效果。本文主要工作如下： ( 1 ) 深入研究了回波效应产生原理和几种回波消除技术，特别探讨了实现回波消除 器的核心算法，即自适应滤波算法和双讲检测( d o u b l et a l kd e t e c t i o n ，d t d ) 算法，并针 对传统双讲检测算法存在的问题，提出基于子带滤波器组技术的双讲检测算法。 ( 2 ) 完成回波消除器的各个功能模块算法，并通过有机结合使之成为实用的算法， 并使用c 语言实现回波消除器的各个功能模块，通过仿真测试，该程序能够在i t u - t g 1 6 8 标准给出7 种典型线路回波通道条件下高效完成回波消除。 ( 3 ) 在c 程序的基础上，对算法进行定点化，并使用v e r i l o gh d l 语言对c 代码进 行优化和移植，进行模块级和系统级的功能仿真和时序仿真，经验证正确后，通过综合 大连理1 ：大学硕士学位论文 得到网表文件，然后下载到f p g a 芯片，最终在a l t e r a 公司s t r a t i xe p l s 2 5d s p 开发板 上实现回波消除器。 ( 4 ) 给出仿真验证平台的设计方案及验证结果。通过硬件平台的仿真测试，本文实 现的回波消除器能够在稳态残留回波和收敛速度这两个主要指标上，都超过i t u t g 1 6 8 标准要求。其它客观指标的现场测试结果均达到甚至超过了1 1 r u - tg 1 6 8 标准要 求。 ( 5 ) 对本文的工作进行了总结，并对下一步的研究进行展望。 9 大连理工大学硕士学位论文 第二章自适应回波消除器的核心算法 实现自适应回波消除的核心是自适应滤波算法和双讲检测( d o u b l et a l kd e t e c t i o n , d t d ) 算法。自适应滤波算法的性能直接影响着回波消除的效果。在选择自适应滤波算 法时，既要保证其产生足够小的稳态残留回波，又要使其收敛速度足够快，同时还要考 虑到算法复杂性，以便在f p g a 平台上实现。另外，近端信号的存在会使自适应滤波器 权值发散，因此一个高性能回波消除器应该具备双讲检测功能。双讲检测功能可对通话 状态进行实时检测，在双讲条件下冻结自适应滤波器的权值更新，并能够准确地区分双 讲状态和回波路径改变两种截然不同的状态，以避免将回波路径改变误判为双讲状态。 2 1自适应滤波算法应用 自适应滤波理论提出于1 9 6 7 年，它可使自适应滤波系统的参数自动地调整到最佳 状态，而且在设计时只需要很少或根本不需要任何关于信号和噪声的先验知识。自适应 滤波器的实现像维纳滤波器那样简单，但滤波性能却几乎如卡尔曼滤波器一样好【“j 。自 适应滤波器的应用主要有如下四种基本类型【12 1 。 ( 1 ) 辨识：数学模型概念是科学与工程的基础。在这类涉及辨识的应用中，自适应 滤波器用来提供一个在某种意义上能够最好拟合未知装置的线性模型。该装置和自适应 滤波器有相同的输入激励。该装置的输出提供作为自适应滤波器的期望响应。如果该装 置具有动态特性，则自适应滤波器所提供的模型是时变的。 ( 2 ) 逆模型：在这类应用中，自适应滤波器的作用是提供一个逆模型，该模型可在 某种意义上最好拟合未知噪声装置。理想地，在线性系统的情况下，该逆模型具有等于 未知装置转移函数倒数的转移函数，使得二者的组合构成一个理想的传输媒介。该系统 输入的延时构成自适应滤波器的期望响应。 ( 3 ) 预测：这里自适应滤波器的作用是对随机信号的当前值提供某种意义上的最佳 预测。于是，信号的当前值用作自适应滤波器的期望响应。信号的过去值加到滤波器的 输入端。取决于感兴趣的应用，自适应滤波器的输出或估计误差均可作为系统输出。在 第一种情况下，系统作为一个预测器；而在后一种情况下，系统作为预测误差滤波器。 ( 4 ) 干扰消除：在最后一类应用中，自适应滤波器以某种意义上的最优方式消除包 含在基本信号中的未知干扰。基本信号用做自适应滤波器的期望响应，参考信号用做滤 波器输入。参考信号来自定位的某一传感器或一组传感器，并以承载信息的信号是微弱 的或基本不可预测的方式，供给基本信号。 白适应同波消除器研究及其f p g a 实现 图2 1 自适应滤波原理框图 f i g 2 ，1 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f a na d a p t i v ef i l t e r 图2 1 描述般的自适应滤波估计问题。图中y 是自适应滤波器的输出信号，d 是 期望响应信号，e 是d 与y 之差，称为误差信号。值得强调的是，期望响应d 可以根据 不同的用途灵活选择。自适应滤波主要包括两个部分： ( 1 ) 滤波部分：自适应滤波器对输入信号u 滤波，产生对期望响应信号d 的估计信 号y 。 ( 2 ) 自适应调整部分：利用误差信号e ，按照一定的自适应算法自动调整滤波器的 参数，使y 逐渐逼近期望响应d 。可见自适应滤波器的参数是随着外部环境的变化而改 变的，经过一段时间的自动调节达到最佳滤波的要求。 从理论上讲，自适应滤波问题没有唯一的解。在图2 1 中，离散时间系统的结构形 式和自适应算法有多种选择，常见的有非递归横向结构( f i r ) 、递归结构( i i r ) 和格形结 构( l a t t i c e ) 。由于f i r 结构具有稳定和简单的特点，所以得到了广泛应用，回波消除器 一般选用该种结构，此时f i r 滤波器系数直接对应回波路径的单位脉冲响应，本文也以 该结构为主进行讨论。对于自适应算法，主要有基于最小均方误差的方法、基于最小二 乘准则的方法和基于卡尔曼滤波理论的方法。下面主要基于横向自适应滤波器对各种自 适应算法进行讨论。 2 2 基本自适应滤波算法 2 2 1l m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) 算法 横向滤波器结构如图2 2 所示。令w ( n ) 表示滤波器系数矢量，即 w ( n ) = w 0 ( ，1 ) ，w t ( n ) ，1 k 一( n ) r ，x ( ，1 ) 表示滤波器的输入信号矢量， 即 x ( n ) = 【工0 ) ，x ( n - 1 ) ，x ( n - m + 1 ) 】r 。w ( n ) 和x ( n ) 含有m 个元素，因此本文中有时也将 又连理j 】：大学硕十学位论文 其表示为w 。( ，1 ) 和x 。( ) 。d ( n ) 为期望输出信号，y ( ”) 为滤波器的输出信号，即 y ( n ) = w 7 ( n ) x ( ，1 ) ；误差为e ( n ) = d ( n ) - y ( n ) 。 图2 2 横向滤波器结构 f i g 2 2 t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo f t h et r a n s v e r s a lf i l t e r 自适应算法的目的就是不断调节w ( n ) ，使输出误差的功率最小。 j ( n ) = n e 2 ( ”) 】= e d2 ( n ) 卜2 w 7 ( n ) p + w7 ( n ) r w q ) ( 2 1 ) j ( n ) 一般称为目标函数或者代价函数。其中p = 研c ，( h ) x ( ”) 】是期望值d ( n ) 与输入信号 x ( n ) 的互相关；r = 研x ( n ) x 7 ( ”) 】是输入信号x ( n ) 的自相关矩阵。 由式( 2 1 ) 可知，自适应滤波器目标函数j ( n ) 是滤波器权矢量的二次函数。当矩阵r 和矢量p 已知时，可以直接求解权矢量w ( ”) 。对式( 2 1 ) 求导，并令其等于0 ，同时假设 r 是非奇异的，可得到使目标函数最小的最佳滤波权矢量w 。，为 w 。，= r 。1 p ( 2 2 ) 这个解称为维纳解，即最佳滤波系数值。 目标函数，( n ) 是权失量w ( n ) 的二次方程，由此形成一个多维的超抛物曲面，通常 称之为自适应滤波器的误差性能曲面，其形状如同碗型。该曲面具有唯一的碗底最小点， 当滤波器工作在平稳环境下时，这个误差性能表面具有固定的形状。自适应滤波的思想 就是从给定的权矢量w ( o ) ，其对应于误差性能表面上的某一点开始，经过自适应调节不 断调整权矢量的值，使其朝碗底最小点方向移动，最终到达碗底最小点，从而实现最佳 维纳滤波。可见，自适应调整的过程就是一个最佳搜索的过程。 迭代下降的一种简单形式是最速下降法( m e t h o do f s t e e p e s td e s c e n t ) ，该方法是实现 上述最佳搜索的一种常用的性能表面搜索方法，它利用梯度信息分析自适应滤波性能和 跟踪最佳滤波状态。由梯度的定义可知，梯度方向是函数值上升最快的方向。因此如果 自适应同波消除器研究及其f p g a 实现 我们选择j ( n ) 的负梯度方向作为调节量，j ( n ) 将快速下降，最终达到最小值而稳定下 来，实现我们期望的自适应调节目的。最速下降法在每个迭代周期让权矢量的所有分量 发生改变，权矢量是在性能表面的负梯度方向上变化，其迭代公式为 v j ( 咒) ：j i ! ! i ：；i ：一2 p + 2 r w ( ) (23)0 、7 w ( n + 1 1 7 w ( n + 1 ) = w ( ) + 去【v ，( n ) = w ( 厅) + 去 p - r w ( 玎) 】 ( 2 4 ) 上式中的是一个正常数，通常称为自适应步长因子。在实际中，往往并没有r 和 p 的先验知识，估计器的最简单选择是使用基于抽头输入向量的期望响应r 和p 的瞬态 估计，分别定义为 r ( ”) = x ( n ) x7 ( n ) ( 2 5 ) 声( n ) = d ( h ) x ( ”) ( 2 6 ) 因此，梯度向量瞬态估计值为 v j ( n ) = - 2 d ( n ) x ( n ) + 2 x ( n ) x 7 ( n ) 卉( n ) ( 2 7 ) 于是得到一个新的更新抽头向量的递归关系式 卉( 疗+ 1 ) = 卉( 以) + x ( 玎) 【d ( n ) 一x 7 ( n ) 卉( ”) ( 2 8 ) 其中( ：) 表示抽头权向量，以区别最速下降算法得到的结果。等效地，可用三个基本关 系式写出结果如下： ( 1 ) 滤波输出 y ( 盯) = w 。( ”) x ( 盯) ( 2 9 ) ( 2 ) 估计误差 e ( 月) = d ( n ) 一y ( ，1 ) ( 2 1 0 ) ( 3 ) 抽头权向量的自适应 亩 + 1 ) = 亩( 珂) + p ( n ) x ( n )( 2 1 1 ) l m s 算法是一种随机优化方法，人们对其进行了深入的研究，主要有以下三点结论： ( 1 ) l m s 算法是最速下降法的近似，它利用估计的梯度进行调整。因为梯度是函数 的局部性质，从局部看在一点附近下降得快，但从总体上来看可能走许多弯路，只有当 权矢量坐标位于性能表面的主轴上时，梯度的负方向才指向最小点。因此一般情况下， 权向量改变的方向不一定在指向最小值的方向上。由于最速下降并非对整体而言，所以 其收敛速度较慢。 ( 2 ) 为保证l m s 算法的稳定收敛，步长因子t 应满足