（电路与系统专业论文）立体声回波消除技术的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着多媒体通信技术与语音信号处理技术的发展以及近些年人们对通信系统话音 质量要求的提高，基于麦克风阵列的桌面电话会议系统和视频电话会议系统得到广泛应 用，因此多路回波消除效果成为影响通信质量的关键。 本论文主要针对立体声声学回波消除进行研究，并用m a t l a b 仿真了立体声回波消 除器。 首先，简要介绍了回波产生的原理，回波消除器的工作原理和回波消除器的性能指 标。其次，以较成熟的单路回波消除器为例，分析了单声道回波消除器的自适应模块典 型算法。再次，研究了已有的立体声回波消除器的自适应算法，在此基础上阐述了已有 立体声回波消除算法存在的问题( 解的唯一性和解的失调问题) ，并列举了相应的解决 办法。然后，主要讨论了立体声回波消除器其它模块相应算法。接下来，详细阐述了本 文实现的立体声回波消除器各模块算法，并提出了预处理的改进方法。最后，将预处理 的改进方法用程序加以仿真和验证，并经过主观测试，取得较好的回波消除效果。 关键词：立体声，自适应算法，回波消除，预处理。 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 es t e r e oa c o u s t i ce c h oc a n c e l l a t i o n a b s t r a c t w i t ht h em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，a sw e l la sr e q u i r e m e n t si n c r e a s e do nq u a l i t yo fv o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si n r e c e n ty e a r s ，d e s k - t o pt e l e p h o n ec o n f e r e n c i n gs y s t e ma n d v i d e o c o n f e r e n c i n gs y s t e mh a v e b e e n w i d e l yu s e d ，s om u l t i c h a n n e le c h oc a n c e l l a t i o ne f f e c tb e c o m eak e y t oc o m m u n i c a t i o n q u a l i t y t h ep a p e ra i m e dt or e s e a r c ho ns t e r e oa c o u s t i ce c h oc a n c e l l a t i o n a n ds i m u l a t er e s u l t 、析m t h em a t l a b 。t h ef i r s tc h a p t e rb r i e f l yd e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo fe c h og e n e r a t i o na n de c h oc a n c e l l a t i o n i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et y p i c a la r i t h m e t i co fs i n g l e c h a n n e le c h o c a n c e l l a t i o n ，s u c ha sl m sa n dr l sa l g o r i t h m t h et h j r dc h a p t e rs t u d i e st h ee x i s t i n gs t e r e o e c h oc a n c e l l e ra d a p t i v ea l g o r i t h m ，o nt h i sb a s i sd e s c r i b et h ep r o b l e mo fs t e r e oe c h o c a n c e l l a t i o na l g o r i t h m ( u n i q u e n e s so fs o l u t i o na n dm i s a l i g n m e n t ) ，a n dt h e nl i s t e dt h es o l u t i o n s o fp r o b l e m i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ep a p e rf o c u s e so no t h e r sm o d u l ea r i t h m e t i co ft h es t e r e o e c h oc a n c e l l a t i o n t h el a s tt w oc h a p t e r se l a b o r a t et h ed e s i g no ft h es t e r e oe c h oc a n c e l l a t i o n ， b r i n gf o r w a r di m p r o v e m e n t o np r e p r o c e s s ，t h e ns i m u l a t et h em e t h o d ，a n dp r o v eab e t t e re c h o c a n c e l l a t i o ne f f e c tt h r o u g hn o n l i n e a rp r e p r o c e s s k e yw o r d s ：s t e r e o ；a d a p t i v e ；e c h oc a n c e l l a t i o n ；n o n l i n e a rp r e p r o c e s s - i i i 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 童丛垄固瞌蝤哙量本丛盐姿 一 作者签名： 毯盎日期：趟年卫月丑日 导师签名：俪铲魄逍年旦月望日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 学位论文题卧一童丛聋固建滥套技术叠擞 作者签名： 毯鲞日期：j 丞j 年j 生月j 旦日 大连理工大学硕士学位论文 1概述 1 1回波产生原理 回波按照其产生的原理可以分为电学回波和声学回波。 1 1 1电学回波 电学回波主要存在于公共电话网( p s t n ) 中。图1 1 表示了通过公共电话网进行通 信的两个电话用户与电话局之间的连接图。在p s t n 系统中，综合考虑局端与用户之间 成本等因素，从局端到用户的本地环路采用二线制( 既一条线是参考地，另一条线同时 传输收发双向的信号) ；而为了便于信号放大和信号传输，局端之间连接采用四线制( 既 在接收和发送两个方向上，各使用两条线传输信号，其中条是参考地，另一条是信号 线) 。为了实现四线n - - 线或二线到四线的连接，需要使用混合变换装置( h y b r i d ) 。由于 实际使用的混合变换装置中混合线圈不可能做到理想状况，总是存在一定的阻抗不匹 配，不能做到将发送端和接收端完全隔离，所以从四线一侧接收的信号总有一部分没有 完全转换到二线一侧，产生泄露，使一部分信号又传回到四线一侧的发送端，因此产生 回波( 黑色粗体箭头示意) ，这种类型的回波称为电学回波，是回波的主要来源。 一竺一 | 叫f 器i9 i 1 1 2 声学回波 在通信网中，声学回波是因为在某些电话设备中，扬声器和话筒没有良好地隔离， 发出的声音经空间多次反射传回到话筒而产生的，如图1 2 所示，比如在空旷的房间或 者汽车里使用免提电话就有这种情况。 立体声回波消除 伞珂硒同 p 、一 一卜户、本地j 远端 语音 j 信 通信 系统 声回波通路 系统 卅。，? 一吣一 图1 2 声回波原理图 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 音 从上述产生回声的原因可以看出，本端听到的回声是由对端造成的。电学回声是本 端说话的声音转换成电信号传送到对端后从对端的2 4 线转换器泄漏回来的；而声学回 声是信号一直到达对端话机又转换成声音信号后从对方话机的麦克泄漏回来的。 综述，由于回波的存在，严重影响通信质量，尤其是在线路质量较差的情况下，通 话甚至无法正常进行。所以我们必须消除回波。 1 2回波消除研究历史 自从贝尔发明电话起，回波消除就成为世界各国科学家和技术专家们要解决的主要 问题之一。电话发明初，由于通话距离一般很短，故回波危害并不严重；为了控制回音 的影响，人们最早提出的是“网络衰减法”，该方法就是在发送和接收方向上分别插入一 个衰减器，所以，回音的衰减比话音的衰减大2 倍。但随着通话的距离的加长，“网络 衰减法”可能导致话音电平衰减到无法听清楚的地步。到了二十世纪六十年代，人们采 用一种叫回波抑制器的方法来抵消回波。回波抑制器其实就是在从近端到远端的话路中 设置一个开关。当检测到只有远端用户在讲话时，开关断开，于是任何信号都无法传回 远端，自然也就没有回波了；当只有近端用户讲话时，开关合上，于是近端用户的话音 可以毫不受损地传向远端。但当远端和近端用户同时讲话时，回波抑制器就无能为力了。 所以安装回波抑制器的通讯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。六十年代后，随着无线接入网，卫星网等的广泛使用，通话的距离变得更长，更使 信号延迟大大增加，从而回波现象也就更加严重，以自适应理论为先导，d s p 技术为基 础的回波抵消器应运而生，使人们有可能以较低廉的成本享受到真正的全双工、无回波 的通讯服务。回波消除的好坏目前己成为世界各大通讯公司产品质量竞争的一个重要指 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 标，这种市场需求反过来又促进了回波抵消技术的发展。 国外对回波抵消算法的研究己经有五十多年的历史。美国b e l l 实验室的m s o n d h i 于1 9 6 7 年首先提出了自适应回波抵消技术。之后，回波抵消技术得到了较快的发展。 而国内回波抵消的研究起步较晚，这是与受我国过去电信技术落后、电信设备主要依赖 进口相联系的。但近年来，随着我国通讯技术的发展，这方面的研究工作已显得日益紧 迫。目前己有清华大学、北京邮电大学、华南理工大学、大连理工大学等学校开展了这 方面的研究暇j 。 1 3 回波消除器的工作原理及组成 1 3 1回波消除器的工作原理 回波消除器是根据预先定义的误差最小准则通过自适应算法估计回波路径的特征 参数，产生一个模拟的回波路径，得出模拟回波信号，然后从接收信号中减去该模拟信 号，实现回波消除。由于采用自适应算法，所以可以时时跟踪回波路径的变化。 1 。3 。2 回波消除器的组成 ( 1 ) 自适应滤波器( a d a p t i v e 。f i l t e r ) 自适应滤波器将根据远端信号x ( n ) 已有的输入值估计出一个真实回波的估计值 y ( n ) ，然后再从近段接收信号s i n 中减去此估计值，并将得到的差值e ( n ) 反馈回自适应 滤波器，为下次更新滤波器的权系数值做准备。自适应滤波器是回波消除的核心，可以 有效地降低传回远端的回波电平，并对近端语音几乎没有损害。 ( 2 ) 近端语音检测n v d ( n e a r v o i c e d e t e c t o r ) 近端语音检测顾名思义是检测近端语音是否存在。根据文献 4 】，在电话交谈过程中， 近端语音和远端语音存在的概率分别为4 0 左右，而双方对讲的情况发生的概率为2 0 左右，近端语音的存在是相当频繁的，这时仍需考虑回波消除。 ( 3 ) 残留回波非线性处理n l p ( n o n l i n e a r p r o c e s s o r ) 在实际中由于回波路径是时变的，回波消除器不能将回波完全消除，即存在残留回 波。为了提高回波消除器性能，对残留回波e ( n ) 进行某种非线性处理，可以进一步减小 残留回波。 1 4 回波消除器的性能指标圈嘲 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： 立体声回波消除 ( 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 话者很快就听不到明显回波的存在。 1 ，5 本文的主要工作 本文详细介绍了立体声回波消除器的原理和立体声回波消除器各模块的算法，在阅 读的大量参考文献的基础上对前人的非线性预处理方法进行了改进，验证了此预处理方 法的可行性，并取得了较理想的客观测试与主观测试结果。主要内容安排为 第一章简单介绍回波产生原理，即回波消除器的工作原理和组成。 第二章分析了单声道回波消除器的主要自适应滤波算法。 第三章详细介绍已有的立体声回波消除自适应算法，并讨论已有立体声回波消除自 适应算法存在的问题，并给出解决办法。 第四章讨论立体声回波消除器其它模块的核心算法。 第五章介绍本文实现的回波消除器各模块算法。 第六章展示系统仿真实验结果。 4 大连理工大学硕士学位论文 2 已有单声道自适应滤波器核心算法 2 1自适应滤波器的概念t 自适应滤波器的本质的特点就是它具有自学习，自调整和自适应的能力，即自适应 滤波器能够依据某种预先确定的最优准则，在迭代过程中自动调整自身的参数，去适应 变化的环境，以实现最优准则下的最优滤波【i j 。 输入 图2 1自适应滤波器原理图 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fa na d a p t i v ef i l t e r 图2 1 描述了一般的自适应滤波估计问题。期望信号d 为输入信号x 通过未知系统 的真实输出信号，输出y 为输入信号x 通过自适应滤波器产生的模拟期望信号，误差信 号e 为d 与y 之差。利用误差信号e 按照一定的准则自动调整滤波器的参数，使y 逐渐 逼近d ，来达到对未知系统的辨识。回波消除器就是准照以上原理设计的。本章将主要 讨论基于单声道的横向自适应滤波器的两大算法，l m s 算法和r l s 算法。 2 2l m s ( l e a s t m e a n s q u a r e ) 算法1 1 图2 2 为横向滤波器结构图。w ( 刀) = w o ( 刀) ，w 1 0 1 ) ，。一m + 1 ) r 表示滤波器 系数矢量，1 ) = k 行) ，顶刀一1 ) ，顶，z m + 1 ) r 表示滤波器输入信号矢量。d ( n ) 为期望响 应，y ( n ) 为滤波器输出信号，e ( n ) 为误差信号。 定义最小均方误差为 y ( 甩) = w r ( 刀) x ( 甩) ( 2 1 ) p ( 玎) = d ( 甩) 一y ( 甩) 一5 一 ( 2 2 ) 立体声回波消除 n ) 蒸 d ( n ) 扫审 未+ ：尉+ 。户 r 、。 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 e ( n ) j ( 胛) = 研p 2 ( 刀) 】- 研d 2 ( ，2 ) 卜2 w7 ( ，2 ) p + w7 ( ) 脚( 门) ( 2 3 ) 其中，p = e f ( 刀) 盅( 刀) 】是期望响应d ( n ) 与输入信号x ( n ) 的互相关；r = e x ( n ) x r ( 九) 】 是输入信号x ( n ) 的自相关矩阵。 由式( 2 3 ) 可以看出，当输入信号x ( n ) 与期望响应d ( n ) 为平稳随机过程时，代价函数 j ( n ) 为权系数矢量w 俐的二次函数。因自相关矩阵r 为正定的，故j ( n ) 图形开口向上， 存在唯一最小值。对式( 2 3 ) 求导，并令导数等于0 ，同时假设r 是非奇异矩阵，可得代 价函数的最佳维纳解为 w o p t 。r p ( 2 4 ) 但实际情况下，很难得到维纳解。因为一方面，我们通常难于得到有关信号和噪声 的统计先验知识，另一方面当r 的阶数较高时，求解r 的逆矩阵有一定难度。所以最 佳维纳解的实现采用迭代法，一步一步的在性能表面上搜索，最终达到最小均方值和实 现最佳维纳解。 l m s 算法进行梯度估计的方法是以误差信号一次迭代的瞬时平方值替代其均方值， 即 j ( ”) = e 2 ( 门) f 2 5 ) 如，= 嬲_ | 耥o w o ，绷，勰o w uj a 【w ( 刀) 】i ( ，2 ) 】研w i ( 刀) 】。 一，( 门) 】j ：2 e ( 以) 害唑：一2 9 ( 厅) x ( 刀) 一a 【w ( 刀) 】 一 ( 2 6 ) 则自适应滤波其权系数迭代公式为 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 w 0 + 1 ) = w ( ，1 ) + 卜v ( 玎) 】_ w ( n ) + 2 肜( x ) x ( ，z ) ( 2 7 ) 关于l m s 算法以下三点值得注意： ( 1 ) l m s 算法的梯度最快下降是对局部而言，但对整体来说并不是下降最快的，所以 l m s 算法的收敛速度较慢。 ， ( 2 ) 自相关矩阵r 的特征值范围( 即争竖) 越大，l m s 算法收敛越慢；反之r 的特征值 m 缸 范围越小，l m s 算法收敛越快。 ( 3 ) 为保证l m s 算法稳定收敛，0 面二。随着的增大收敛速度加快，但误 x ；( 刀) # l 差也随之增大；反之，收敛速度减慢，误差也减少。 此外，改进的l m s 算法，如n l m s ，f e l m s 等，主要目的就是从l m s 算法出发， 试图改进l m s 算法的某些性能，包括改善算法的收敛速度，减小稳态均方误差，降低 计算量等。 2 3r l s ( r e c u r siv e l e a s t s q u a r e ) 算法 递推最d , - - 乘算法是一种在自适应迭代的每一步都求最优的迭代算法，其均方误差 为 ，( 刀) = 力1 z ( 刀) i - 1 ( 2 8 ) 由于r l s 算法在当前的代价函数中，考虑了过去时刻的输入信号，所以输入信号 的相关性对它的收敛速度并无影响。而实际的语音输入信号是强相关性的，所以r l s 算法的这个特点很重要。但r l s 算法中涉及到矩阵求逆，所以运算量相当大，此缺点 严重限制了r l s 方法的应用。 以下为r l s 算法的递推公式， 初始化： = p ( 9 ) = 万_ f ，w m ( o ) = 0 蜘，= 高热 仁9 的 口( 功= j ( 刀) 一w2 ( 刀) x 0 ) ( 2 9 b ) w ( 刀) = w ( n 1 ) + k ( 刀) p ( 疗) ( 2 9 c ) p ( ，z ) = 矿1p ( n 一1 ) 一刀1 k ( n ) x f ( ，z ) p ( 刀一1 ) ( 2 9 d ) 一7 一 立体声回波消除 其中，是( 疗) 是m * i 维的k a l m a n 增益向量，p ( n ) 是自相关矩阵尸( ，? ) 的逆矩阵； 一 r ( n ) = 刀4 x ( k ) x r ( 意) 。a 为遗忘因子，以使算法能适应非平稳环境。初始化万取下的 西 正常数，目的是为了保证矩阵非奇异，防止求逆时溢出。 由于r l s 算法的收敛速度不受语音信号的强相关性影响的这个特点对我们很重要， 但算法的计算量和存储量都很大，难以实时实现，人们相继研究了r l s 的各种快 速算法，包括快速横向滤波器( f a s tt r a n s v e r s a lf i l t e r ，f t f ) 算法【5 】和快速格型_ j q r 分 解( f a s tl a t t i c e q r - d e c o m p o s i t i o na l g o r i t h m ) 算法饽j 。 2 4 小结 综合以上各节，单路自适应算法主要分两类：一类是以算法简单，计算量小，但 收敛速度较慢的l m s 算法，为了改善其缺点，人们相继研究出了n l m s 算法，f e l m s 算法等，使其在保持原有l m s 算法优点基础上，加快了算法收敛速度，减少了稳态误 差。另一类是以计算量较大，但收敛速度较快的r l s 算法，人们为了减少其计算量， 相继研究出了快速r l s 算法，使r l s 算法的计算复杂度降到了与l m s 算法同一数量级。 图2 3 预测误差 f i g 2 3 p r e d i c t i o ne r r o r 大连理工大学硕士学位论文 3已有立体声自适应滤波器核心算法 3 1已有立体声自适应滤波器算法 通 信 网 络 图3 1 立体声回波消除原理图 f i g 3 1 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fs t e r e oe c h oc a n c e l l a t i o n 图3 1 为应用于电信会议系统的立体声回波消除原理图。在右端的发送房间内，用 两个麦克风( m ，l 和m r 2 ) 对同一个语音源( s o u r c e ) 进行采样得立体声信号x l 和x 2 ， 语音源到两个麦克风的m 阶冲击响应特性为g l 和臣。立体声信号经通信网络被传送到 左端接收房间的扩音器( l i l 和l 1 2 ) ，并被同一麦克风m 1 2 所采集形成回波信号d ，两个 扩音器到同一麦克风的n 阶冲击响应特性为h l 和1 1 2 ( 为了简单起见，在左端接收房间 内仅画出了一路回声生成路径) 。如果我们不对回波信号d 做任何处理，回波信号d 将 通过通信网络传送回右端发送房间，如此循环有可能产生不稳定的轰鸣声。一般情况下， 声回波消除器使用系数可调的有限冲激响应( f i r ) 滤波器来模拟左端接收房间的真实 回波路径产生一个真实回波估计值y 。图3 1 用两个l 阶自适应f i r 滤波器w l 和w 2 模 拟左端接收房间两路回波路径。将x l 和x 2 作为自适应f i r 滤波器的输入，并产生模拟 真实回波估计信号y ，从真实回波信号d 中减掉模拟真实回波估计信号y 得到误差信号 e 。 3 1 1两路l m s 算法 两路l m s 算法为一路l m s 算法的扩展，具体公式为 9 立体声回波消除 2 p ( 船+ 1 ) = d ( 以+ 1 ) 一x j ( ，z + 1 ) w f ( ，z ) i 2 1 ( 3 1 ) ：墨：j 2 。w ：。以，j l + 二：曷 g c 咒， 。3 2 ， 其中，为控制收敛速度的变量。因此司以推导出两路l m s 算法收敛条件为 岬 l ( 6 1 2 l + 6 1 2 ) ( 3 3 ) 点( i = l ，2 ) 是输入信号的能量2 7 1 。 两路l m s 算法存在算法收敛慢和对噪声敏感等缺点，严重影响回波消除效果，因 而对两路l m s 算法提出两点改进措旌： ( 1 ) 用两路n l m s 代替两路l m s ，加快算法收敛速度，公式为 w w ：l ( 。n 挖+ + l 。) ，j 1 = ：葛 + c 以， 三： e c 托， 。3 4 、 删2 币面而丽t ( 3 5 ) 其中，a 的范围是( 0 a 2 ) 7 1 。 ( 2 ) 平滑自适应滤波器系数调整量，以提高算法抗噪性能，公式为 a w ( n ) = ( 1 一p ) a w ( n 一1 ) + 胆( 珂) 8 ( 行) ( 3 6 ) 其中，p 为遗忘因子，0 p 1 。 改进的两路l m s 算法公式为 ：篆二：j 二 ：嚣 - + 二c 胛，。( 1 。- 一p p ，) a w w ：, ( 。n 玎- 一1 1 ) ，+ + p 胆x , ：( 。n 甩) ，e p ( 。n 甩) ， 。3 7 ， 3 1 2 仿射投影算法( a p ) 2 订 a p 算法可以从求解一个有约束条件的优化问题导出， 大连理工大学硕士学位论文 ia w m ( 刀+ i ) = w m ( 朋+ 1 ) 一w 肼( 门) p ( n - k ) = w z ( 刀+ 1 ) x m ( n - k ) ( 七= o ，l 一1 ) ( 3 8 ) 要求满足上式条件的w m ( ，z + 1 ) 使得| i w 肼( 力+ 1 ) 1 1 2 最小。最小均方误差函数得： 一l 厂( 玎) - l l a w m ( 玎+ 1 ) i 2 + 以( j o 一七) 一w 乙( 刀+ 1 ) x 吖。一露) ) b o ( 3 9 ) 以为l a g r a n g e 乘子。对式( 3 。9 ) 求导，并令导数为0 ，得 w m ( n + i ) = w f ( ，2 ) + m | v ( 胛) ( x 磊( 以) x mj v ( ，z ) + 留) - 1p ( 珂) ( 3 1 0 ) 其中为步长控制因子0 t 2 ，万为大于零的很小常量。 ，( 刀) = x ( 珂) ，x ( n - 1 ) ，x ( n - n + 1 ) 】( 避免矩阵求逆可将其正交化) 。 3 1 3 子带分解算法 子带分解原理图如图3 2 所示。 m a k i n o 证明对原始信号作子带分解并下采样相当于对原始信号做了白化处理【2 6 】，各 子带中的信号更接近白色信号，可有效加快算法收敛速度和减少计算复杂度。文献 【2 3 】 2 4 】证明仿射投影算法在立体声回波消除过程中是很有效的子带分解算法。 综述，子带分解技术的优点是可以有效降低计算复杂度，加快算法收敛速度。 立体声回波消除 图3 2 子带算法结构图 f i g 3 2 t h ef r a m e w o r ko fs u b b a n d 3 1 4 小结 两路l m s 算法由单声道扩展而来具有计算量小，实现简单的特点，但此算法的收 敛性受立体声左右声道语音相关性影响很大，因此回波消除效果不理想，但改进的平滑 归一化l m s 算法具有较快的收敛速度和较好的抗噪性能：仿射投影算法具有计算量较 小，抗相关性较强，收敛速度较快的特点；子带算法具有有效降低计算复杂度，在一定 程度上改善收敛特性等特点。 3 2 已有立体声自适应滤波器算法存在的问题 当发送房间为线性时不变系统时： x ：( ，z ) 木9 2 m = x ；( 厅) 木g l ，m f 3 11 ) 误差信号为+ g ( 功= d ( 理) 一“刀) = d ( 投) 一w 五“( 刀) x 1 2 2 材( 力 ( 3 1 2 ) 其中，w 1 2 , 2 l ( 门) ：【w 乙( 行) 1w 乙q ) 】r ，1 1 2 2 m ( 门) ：【x 0 ( 玎) lx t ：朋( 玎) r 。 大连理工大学硕士学位论文 代价函数为 j ( n ) = e i e 2 0 ) 】 = 研d 2 ( ，z ) + w 乙。2 ( 甩) x 1 2 , 2 m ( ，2 ) x 乙。2 m ( 门) w 1 2 ，2 ( n ) - 2 d ( n ) x r 2 ，2 时( 胛) w 1 2 ，2 ( ，2 ) 】 = e d 2 ( ，z ) 】+ w 五m ( 珂) 如w 1 2 2 ( n ) - 2 p 出w 1 2 m ( ，z ) 其中， 耻x t z 埘一加臣甜胪m 磁埘。 对公式3 1 3 求导，并令导数等于0 得， r 。c 刀，i ：芝葛l = p 出iw 2 ，工( 疗ji ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 3 2 1解的唯一陛问题u 钏 方程是否有解关键看l 与m 的大小关系 ( 1 ) 如果三m 令u 2 。l = g l ，o ，0 ，一g z , 0 ，0 】r 包含2 ( l - m ) 个0 元素，得r 。u 2 l ，l = 0 2 叫，所以r 。 不可逆，公式3 1 4 没有唯一解。w 。( 汪1 , 2 ) 无法收敛到真实的h ，( f - 1 , 2 ) ( 2 ) 如果l 口1 一 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 如果口r ( 一十1 ) 口，曲 ( 3 。2 4 ) 一 - 善 q q = = 乙) n l p 算法不工作 n l p 算法工作 4 22 基于双方语音检测的非线性处理算法 非线性处理将影响近端语音质量，所以此时非线性处理应该停止。具体过程为 基于双方语音检测的非线性处理算法的伪代码可表示为： f 45 1 j ，( ( 删 0 厶“加其他 ( 5 4 ) f a = o 3 + 0 2 宰r a n d ( 1 ) r o u t ( ：，1 ) = d a t a 一r ( ：，1 ) 一口+ ( d a t a 一三尺( ：，1 ) + a b s ( d a t a 一三r ( ：，1 ) ) ) 2 ( 5 5 ) ir o u t ( ：，2 ) = d a t a 一三r ( ：，2 ) 一a 宰( d a t a 一三r ( ：，2 ) + a b s ( d a t a 一上r ( ：，2 ) ) ) 2 大连理工大学硕士学位论文 文献 2 9 】改进的非线性变换函数厶( x ) 和非线性变换程序实现如式5 6 和式5 7 所示， 林耀荣的改进方法使输入信号的相关性降低到8 0 左右，并保留了对语音质量影响小的 优 点。 删砌= 裂加 森c x ：c ，z ，= 言2 ，2 羹箸。 。5 6 ， f 口= 0 3 + 0 2 木翮故1 1 r o u t ( ：, 1 ) = d a t a 一r ( ：，1 ) 一口木( d a t a l r ( ：, i ) + a b s ( d a t a 一上尺( ：，1 ) ) ) 2 ( 5 7 ) ir o u t ( ：2 ) = d a t a l r ( ：，2 ) 口拳( d a t a 一三r ( ：，2 ) + a b s ( d a t a 一职( ：，2 ) ) ) 2 文献 2 3 】的非线性变换函数厶( x ) 和非线性变换伪代码程序实现如式5 8 和式5 9 所 示，文献 2 3 】改进方法的效果与b e n e s t y 和m o r g a n 的半波整流效果相同。 叠( x ；( 刀) ) = 吾刀耋笔 孑七 础) 2 专。涨( 矿删l 隆8 ) b e g l n 珊) 2 丸z 肌i x , ，( 旷姒力) l ( 5 9 ) 当x 。( 玎) 虱七) 时，x ，( 阼) = 0 ，( i = 1 , 2 ) e n d 本文在文献 2 9 】的基础上对文献 2 3 】的非线性预处理方法进行了改进，其非线性变 换函数和非线性变换伪代码如式5 1 0 和式5 11 所示，并在变换之后加入了舒适噪声迸 一步降低两路语音的相关性 立体声回波消除 圳咖裂撕忙 胁加) ) - 裂9 可 瓣专。融旷剐刮 f 5 1 0 1 b e g i n 礅) 2 吉。涨p 咖) i 当( n ) 一j ( i ) 时，z 2 ( h ) = 0 。! 万i 丽= 丽磊刁氚忑而了磊丽磊 。o 一。面。4 ；f 一一。面一面一面f 而f 百百_ 赢面r 面 。：丁磊刁i 玎兀磊珂x 习丽万磊 o ，蕊面一百r 1 i 一面百1 磊1 面r 百再百矿i ) 。 。：岛7 。“酬一i f ! 丁r 几_ 。酊4 。”5 7 ；_ m i ，一m 1 + ，囊 。产矿育靠百i 孺磊i 扩丽靠丽厂 “褂：“。一0 y 0 “丁p o 籼。“肾1 l 忡i i 。鞠一 。f 。1 _ _ 嚣古嘴i 瑟磊： 亩嵩丽瞄广。蠢 图53 非线性预处理敲果图 f i g53 t h ee f f o r t o f n o n l i n e a r p r e p r o c e s s 大连理工大学硕士学位论文 图5 3 表明了预处理前，加入随机噪声，进行半波整流，林耀荣，周元健与本文所 提出的改进算法的预处理之后立体声左右声道相关性。可以看出本文提出的改进算法在 基本不被感知的情况下明显降低了输入立体声左右声道的相关性。 表5 1各种预处理方法每帧增加计算量对比( 1 6 0 点) t a b 5 1i n c r e a s ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t i e so f a l lp r e p r o c e s s e s 5 3 本文实现的自适应滤波算法 在第三章的基础上，本文实现计算量较小的两路n l m s 和a p 算法作为回波消除器 的自适应滤波器核心算法，并通过大量实验仿真了不同参数的n l m s 与a p 算法的回波 消除性能。 5 4 本文使用的近端语音检测算法n 羽 文献 1 3 】在文献 1 2 的基础上改进了近端语音检测相关函数算法，并简化了近端语 音检测模块，此方法利用远端语音和近端语音同时存在时，它们的相关性的差异来调整 自适应滤波器的步长因子，此方法不需要设置近端语音门限，减少了比较判决，克服了 因近端语音门限设置不准而引起的误判和漏判，提高了近端语音检测的准确性。具体算 法如下：定义远端语音和近端语音的相关性为 因为在实际情况下x ( n ) 和d ( n ) 可以认为是零均值的，所以式4 4 可以化简为 l e ( x ( n ) s i n ( n ) ) p x s t n2 | 面丽丽丽 ( 5 1 2 ) 立体声回波消除 将式5 1 5 加入自适应滤波器权系数更新公式中得： w ( ”+ 1 ) ：w ( h ) + 2 ! ! ! l ；! l 二一 x t ( n ) x ( ”) + ( 二二监) + 5 p d 一 ( 5 1 3 、 卢为一常数。当p 商。斗i 时，近端信号和远端信号的相关性很大，所以近端语音不存在， 此项不影响滤波器权系数更新；当p m 斗0 时，近端信号和远端信号的相关性很小，所 以近端语音存在，此项将使分母趋于+ m ，滤波器权系数将停止更新。 o 。一p _ 0 十- 一 r 而卜 1 备* 口e 225 t # 镕* 镕 x l o 。：万再确而而俪丽丽丽稀丽两丽而啄而而 一i 五五磊1 磊6 忑磊2 磊丁25 了= 。i蕊蕊甄砸五盈五蕊坠砸：萄五=0 。55 2253 自镕应滤波0 输m 信号自n 音* f 信 回畦关性 。1 0 5 图54 近端语音检测 f i g5 4 n e a r v o i c e d e t e c t 表52 基于双方语音检测的非线性处理 f i g5 2 n l pb a s e d o t l f v da n d n v d 条件状态滤波器系数 双方语音存在 仅近端语音存在 仅远端语音存在 非线性处理不工作 非线性处理不工作 非线性处理t 肝 不更新 复位 更新 大连理工大学硕士学位论文 5 5 本文采用的噪声产生算法 本文采用混合同余法产生白噪声。 5 6 本文采用的非线性处理算法 本文实现了基于远、近语音检测的非线性处理算法。非线性处理将受到近端语音和 远端语音的控制，所以必须根据近端语音和远端语音存在与否来动态调节非线性处理的 工作状态转换。其工作状态转换应注意以下几点： ( i ) n l p 应快速的从工作状态向不工作状态转换，以避免近端语音起始段被非线性 处理所滤除，而无法传送到远端。 ( 2 ) n l p 应缓慢的从不工作状态切换到工作状态，以避免正常发音的间歇停顿所引 起的状态频繁切换。 立体声回波消除 6 实验结果 本实验支持不同采样率的立体声w b v 文件，包括8 0 0 0 h z 和1 6 0 0 0 h z 。 61 滤波器参数选择 本文选择了一段4 0 秒钟的立体声语音文件作为滤波器参数选择的测试文件，如图 ( 6 1 ) 。 。* * 节”脚仆 十弗渺 竹枷槲 1。05i 一1 ir一。)3，。 ，* 十i 6 * h m一 。卅- 卅 十咿坶聃帅m枷 1 -。i_ii五了1 # ，十i * * ， 图6l 立体声左右声道波形图 f i 9 61 t h es t e i i e o l e ra n d 咄m w a v e f o r m 6 11n l m s 算法参数选择 出于对回波消除嚣的实事性能考虑，本文对测试文件进行了不同滤波器阶数( 6 4 阶到3 2 7 6 8 阶) 和不同收敛步长“( o0 1 到1 ) 的回波消除计算，并统计了回波消除器 不同滤波器阶数所消耗的时间如( 表61 ) 所示。 表6 ，ln l y s 算法时间统计 t a b61 n l m st i m ee x h a u s t 考虑到回波消除器性能与回波消除效果和本文实验结果，n l m s 算法滤波器阶数选 为1 0 2 4 。 大连理工大学硕士学位论文 6 1 2a p 算法参数选择 为了得到较优的回波消除性能，本文对测试文件进行了不同滤波器阶数( 5 4 阶到 1 0 2 4 阶) ，。不同投影阶数( 2 阶到5 1 2 阶) 和不同收敛步长( o 0 5 到1 ) 的组合回波 消除计算，并统计了回波消除器不同滤波器阶数所消耗的时间如( 表6 2 ) 所示。 表6 2 aa p 算法时间统计 t a b 6 2 aa pti m ee x h a u s t 滤波器阶数计算时间( s ) 6 4 1 2 8 2 5 6 5 1 2 1 0 2 4 1 6 2 1 3 1 7 5 3 7 1 9 3 2 2 2 2 6 1 5 3 5 3 。2 9 表6 2 ba p 算法时间统计 t a b 6 2 ba pti m ee x h a u s t 投影阶数计算时间( s ) 21 9 7 2 9 82 1 4 0 9 3 22 7 6 3 1 1 2 82 1 2 3 7 7 5 1 25 0 6 8 0 5 3 综述，考虑到回波消除器实事性能与回波消除效果，本文实验a p 算法滤波器阶数 选为2 5 6 阶，投影阶数选为3 2 阶。 6 2 算法仿真 6 2 1 n l m s 算法仿真实验结果 n l m s 的仿真实验结果如图6 2 、6 3 和6 4 所示。n l m s 受输入信号相关性影响 很大，故回波消除效果不很理想。但从图6 4 可以看出远端语音回波变小了。 立体声回波消除 i 忡；j 卜 12 3 。， 。1 饕小搿。4 。5 m 目o u i s o 图62 语音波形、预处理后波形，近端房问冲激响应 f i g6 2v o i c e w a v f o r m , e o w a w o r m ，r o o m i m p o n s er e s p o n s e 图63n l j i s 立体声回波梢除效果 f i g6 3 t h ee f f e c t o f n l m ss k r e c h oc a n c e l l a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 亘 目 e c h or m u ml 0 s se n h n t - 5 一 0 0 5115225 3 t m e l 8 日c 1 矿 图64n l 啷回渡返回损耗增益 f i g 6 4n l m se c h o m m m l o s se n h a n c e m e n t 62 2a p 算法仿真实验结果 a p 的仿真实验结果如图65 、6 6 和6 , 7 所示。a p 算法的收敛速度和计算复杂度 介于n l m s 算法和r l s 算法之间，具有收敛速度较快，计算复杂度较低等优点。 j 件h 卅一性帆j 图65 语音波形、预娃理后波形，近端房问冲澈响应 f i g 6 5v o i e w a v f o r r a , p r e p r o c e s s w a v f o r m ，l o o m i m p o n r e s p o e e 贬一 哑 立体声回