（通信与信息系统专业论文）变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其dsp实现.pdf

5 3 2 5 。8 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 通信与信息系统专业 研究生：李康辉指导教师：何培宇 免提式话音通信在移动电话、热线电话、车载电话及i s d n 网的电视电话 会议等多种领域正得到日益广泛的应用。但是，至今的免提式话音通信仍免不 了受声回波引起的话音失真，甚至啸叫等的干扰，这就大大地降低了免提式话 音通信的质量。由于声回波对消问题尚未得到圆满解决，实现高质量的免提式 话音通信仍是一个极赋挑战性的课题【1 3 j 。 为解决声回波对消问题( a e c ) ，人们提出了各种方案。传统的方法能在 一定程度上抑制回声，但存在抑制比较小、或需要专用房间、限制通信者移动 等缺点。不能给通信者提供一个完全舒适的通话环境。 用自适应辨识l r m ( 扬声器一房间一麦克风) 声回授通道冲击响应的方 法解决声回波对消问题是一种从理论上看上去很完美的方案：即通过对声回授 通道的冲击响应的辨识，产生出同回声相同的信号，再从近端话音和回声的混 合信号中减去回声信号来达到回声对消的目的。但是，系统的实现由于以下三 个原因的影响而变得非常复杂和特殊：一般的l r m 系统的冲击响应有大约数百 毫秒的持续时间：系统必须是自适应的：自适应过程必须采用高度非平稳的语 音信号来完成。这就使得普通的自适应算法无法满足要求，必须采用一些十分 复杂的算法，这样一来，实时性的问题变得十分突出。 变步长解相关自适应声回波对消算法的提出，给自适应声回波对消问题的 解决开辟了新的途径。该算法集变步长算法稳态失调小和解相关算法快速收敛 性为一体，经计算机仿真验证，该算法比实际中常使用的n l m s 算法具有更快 的收敛速度和更稳定的性能，是一种非常具有应用前景的自适应算法。 同时，用1 1 公司的定点d s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ) 及其它相应外设组成了声 回波对消系统，将变步长解相关自适应声回波对消算法应用在该实时声回波对 l 消系统中，经现场验证， 了满意的效果。 关键词：变步长方法， 不仅达到了实对处理的要求，而且对回声的抑制达到 解相关方法，自适应算法，声回波对消，d s p r e s e a r c ha n dd s p i m p l e m e n t a t i o n o f d e c o r r e l a t i n gn l m s w i t hv a r i a b l e s t e p s i z ea l g o r i t h mf o r a c o u s t i ce c h oc a n c e l l a t i o n c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m g r a d u a t e ：l i k a n g h u is u p e r v i s o r ：h ee e r u h a n d s f r e e s p e e c h c o m m u n i c a t i o ni s i n d i s p e n s a b l e i na u d i oa n dv i d e o c o n f e r e n c es y s t e m s ，h o t - l i n et e l e p h o n e sa n dv i d e o p h o n e s ，m o b i l er a d i ot e r m i n a l s a n dd i g i t a li s d nn e t w o r ke t c h o w e v e r ，t h ec o n t r o l ( c a n c e l l a t i o mo ft h e a c o u s t i c e c h oh a sa l w a y sh a das t r o n gi m p a c to nt h ew a n s m i s s i o nq u a l i t yi nh a n d s f r e e t c l e c o m m u n i c a t i o n c o n v e n t i o n a lm e t h o d so fa c o u s t i ce c h oc o n i l o i ( c a n c e l l a t i o n ) ，s u c ha se c h o s u p p r e s s i o no rg a i nc o n t r o l ，m a yl e a dt ot h ed e g r a d a t i o n si ns p e e c hq u a l i t y o rm a k e t h es p e a k e r sf e e lu n c o m f o r t a b l e a d a p t i v ee c h oc a n c e l l a t i o np r o v i d e s ac o m f o r t a b l es o l u t i o nw h o s e c o n c e p t i s e x t r e m e l ys i m p l e ： i fa ne x a c te l e c t r i c r e p l i c a o ft h el r m f l o u d s p e a k e r - r o o m - m i c r o p h o n e ) s y s t e m i s p r o v i d e d ，t h e d e c o u p l i n g o f l o u d s p e a k e ra n dm i c r o p h o n ec a n b ea c h i e v e dw i t h o u ta n yr e s t r i c t i o n st ot h ee l e c t r i c a c o u s t i cs y s t e m ，a n dm o r ei m p o r t a n t ，w i t h o u ta n yl o s so fc o n v e n i e n c et ot h eu s e r t h ei m p l e m e n t a t i o no fs u c has y s t e mi se x t r e m e l yc o m p l i c a t e dd u et ot h r e e f a c t o r s ：t h ei m p u l s er e s p o n s eo fal r m s y s t e mh a sad u r a t i o no f s e v e r a lh u n d r e d m i l l i s e c o n d s ，t h es y s t e mh a st ob ea d a p t i v e ，a n dt h ea d a p t a t i o nh a st ob ep e r f o r m e d w i t ha s p e e c hi n p u t t h et r a d i t i o n a la d a p t i v ea l g o r i t h m ss u c ha sl m s a n dn l m s c a nn o to b t a i nt h es a i l s t i e dr e s e ti nt h er e a l t i m ea c o u s t i ce c h oc a n c e l l a t i o n p r o c e s s i n g t h e d e c o r r e l a t i n gn l m s 、i mv a r i a b l es t e ps i z ea l g o r i t h m h a sp r o v i d e dt h e p o s s i b i l i t yo ft h er e a l t i m ea c o u s t i ce c h oc a n c e l l a t i o n i t f e a t u r e e b e t t e rs t e a d y - s t a t e m i s a l i g n m e n to fv a r i a b l es t e ps i z em e t h o da n dt h ef a s t e rc o n v e r g e n c er a t eo f t h e d e c o r r e l a t i n gm e t h o dt h a nt h o s e o ft h en l m sa l g o r i t h m c o m p u t e rs i m u l a t i o n r e s u l t sc o n f i r mt h ee f f e c t i v e n e s so ft h i sa l g o r i t h m f u r t h e r m o r e ，a na c o u s t i ce c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e m h a sb e e nm a d eu s i n g t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2a n ds o m eo t h e rd e v i c e s n l ed e c o r r e l 撕n gn l m s 们t hv a i l a b l e s t e ps i z ea l g o r i t h mh a sb e e ni m p l e m e n t e d o nt h i ss y s t e mi nt h er e a l t i m ep r o c e s s i n g i th a sb e e n p r o v e dt h a td e c o r r e l a t i n gn l m s w i t hv a r i a b l es t e ps i z ea l g o r i t h mc a n o b t a i nas a r i s f i e de c h oc a n c e l l a t i o nr e s u l t k e y w o r d s ：v a r i a b l es t e ps i z em e t h o d ，d e c o r r e l a t i n gm e t h o d ， a d a p t i v ea l g o r i t h m ，a c o u s t i ce c h o c a n c e l l a t i o n ，d s p 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 第一章前言 随着入们生活水平的提高，在话音终端实现高质量的免提功能的需求日 益迫切。这样的终端对改善电视电话会议的真切性，增加车辆移动通信驾驶者 的安全性意义重大。声回波对消闯题( a e c ) 的圆满解决是实现高质量的免提式 话音通信的关键，也是近十年来数字信号处理领域个最赋挑战性的问题f l j 。 为解决这一问题，科研工作者们提出了各种方法【2 i ，其中基于回声抑制的 传统方法，有采用方向性强的扬声器和麦克风、降低闭环增益、采用吸声材料、 频移法、麦克风阵、话音控制开关等。这些方法都不需要复杂的对消算法，但 这些方法对回声的抑制有限，有些在对回声的抑制过程中带来了话音质量的下 降，有些需要昂贵的材料，还要限制通话者的移动。总之，它们都不能给通话 者提供一个”完全舒适”的通话环鲥”。 ”完全舒适”的通话环境应满足：1 、对回声的抑制足够大。2 、有适当的音 量且话音失真小。3 、可以进行完全的双向通话。4 、只需在普通的房间，不需 专用的播音室。5 、通话过程中，通话者可自由走动。 在一个声学屏蔽空间，由扬声器一房间一麦克风( l 心由系统通道的声回 授引起的回声啸叫是实现高质量的免提式话音通信的最大障碍。 自适应声回波对消从理论上讲是解决这一问题的最完美的方法。用自适 应方法实对辨识、跟踪l r m ( 扬声器一房间一麦克风) 声回授通道的冲击响应， 产生出同回声相同的信号，再从近端话音和回声的混合信号中减去回声信号就 达到了回声对消的目的。 但由于声回授通道的特殊性和复杂性，在实现实时的声回波对消中，对自 适应算法和d s p 器件的性能提出了极高的要求： l 、酱通房间的u t m 系统的冲击响应持续期高达数百毫秒，使自适应f i r 滤波器的权数巨大，这不仅极大的增加了运算量，而且加剧了收敛速度和失调 的矛盾( 以8 k i - i z 采样为例，2 0 0 毫秒的冲击响应持续期所需权数为1 6 0 0 个) 。 对d s p 器件的运算速度和自适应算法的收敛速度要求极高。 2 、l r m 的传输特性对室内摆设和人的走动变化反映灵敏，要求自适应算 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 法具有良好的跟踪性能。 3 、输入的信号是高度非平稳强相关的语音信号，使用普通的自适应算法收 敛困难，必须提出针对语音信号的高效的自适应算法。 在大量的自适应滤波算法中，最具代表性的是最小均方误差( l m s ) 算 法及其归一化算法( n l m s ) 。由于该算法具有算法简单、运算量小、易于实 现等优点，因此在工程上得到广泛的应用。但该算法只针对权数小于1 0 0 0 的 l r m 系统，当用它来处理相关性较强、权数上千的语音信号时，其收敛速度慢， 稳态误差大，跟踪性能差等缺点便显现出来。为了克服这些缺点，人们对基本 算法作了许多改进，提出了许多新的算法，如解相关l m s 算法( d l m s 算法) ， 仿射投影算法( a p a 算法) 同，变步长l m s 自适应算法嫡噜。d l m s 算法和a p a 算法对强相关信号可获得较快的收敛速度，但a p a 算法的计算复杂度非常大， 要具体实现有很大的困难，而n d l m s 算法的计算复杂度却比a p a 算法小得 多，仅比n l m s 算法增加少量的计算复杂度就可达到快速收敛的效果。在稳 定性方面，n d l m s 算法的稳态失配与n l m s 算法基本相同，而变步长算法却 具有减小稳态失配的优点。 为此，本文提出了变步长n d l m s 算法( 弘( k ) - n d l m s ) ，它结合了 n d l m s 算法在处理强相关信号时比n l m s 算法收敛速度快得多和变步长算 法可减小稳态误差的优点。经计算机模拟验证，变步长n d l m s 算法计算复杂 度只比n l m s 增加t l t , j , 的前提下，得到了更快的收敛速度及更稳定的性能。 而运算复杂度又不大，完全能够满足实时性的要求。 2 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 第二章算法 2 1 自适应声回波对消概述 用自适应的方法实现声回波对消是一种扶理论上看非常完美的方案。只要 能提供一个同回声相同的复制信号，就可以将回声从系统中消掉。 自适应声回波对消原理图见图2 1 。图中远端话音经由未知的l r m ( l o u d s p e a k e r - - r o o m - - m i c r o p h o n e ) 系统构成的声回授通道产生回声，回声 又连同近端话音一起被传输到远端。在一个闭环系统中，当满足一定条件时， 就会产生回声，甚至由此引起啸叫等严重影响通话质量的现象。自适应声回波 对消( a e c ) 的基本原理是：用一个自适应滤波器去辨识扬声器与麦克风之间 的声回波路径，通过自适应滤波算法的调整，使其自适应权与声回波房闯冲激 响应相逼近，从而得到一个同回声尽量相同的估计信号，再将估计信号从麦克 风接收到的语音信号中减去，即可实现声回波对消。 图2 1 自适应声回波对消原理图 自适应系统根据应用的目的不同，有不同的结构，在声回波对消的应用中， 是作为系统辨识来应用的( 辨识房间的冲击响应) 。在图2 1 中，信号s k 既作 为自适应处理的输入，也作为未知l r m 系统的输入。为了减少误差信号e k ， 自适应处理器将试图模仿l r m 系统的传输特性。当自适应过程结束后，l r m 系统的传输函数同自适应处理器的传输函数相同。 自适应信号处理算法通常是与准则密切相关的，算法通过调整自适应系统 变步长解相关自逡应声回波对消算法磷究及其d s p 实璁 菠参数蘩达餮爨纯蓉绕瞧鼹鹣嚣鹳。蠢零斑弱孝，鑫逶斑髯法就楚避谴对垂遥 应滤波器权的调整，使误麓信号e k 尽可熊小，从而达到对未知l r m 系统传输 函数的辨识。 密予瞧鼹准瑙黪不嚣，鑫适痤算法逶鬻分走瓣大类：一类莛鍪予误差魏二 除统计特性，用均方误差( m s e ) 作为锻能准粼的算法，这类准璺睽立在大量 数据缓诗特注懿基獭上：爨一粪是基于诿燕弱平方瑟l s ) 灌粼懿磐法，这 裘准剃鼯出韵算法则是针对每个输入信碍进行优化的算法，由于这媳算法大都 在每输入一个样点德时要实时估计一个嗣相关斑阵r 。( n ，n ) 的逆( n 为滤 波器投数) ，当基邋疲滤波器投数上千瓣，诗舞暹矩阵戆运箨蠡楚激大熬( 运 辫鼙为o ( l2 ) 翻) 。鞫丽逛类算法不适用予实时声回波澍消。 由第一类m s e 准爨演瓷漤了我们熟悉懿l m s 算法，l m s 冀法以其实袋 的简萃梭、稳健瞧瓷囊遁威信号处理中得到了十分广泛豹藏糟。l m s 算法可 表示为： y k = w k x k ( 2 1 ) e ；：2 氐一羝( 2 2 w 轩l = w k + 2 斗e k x k ( 2 3 ) 戴中w k = 【h 溉w 。w t x 5 帮磁；f x 淑“。x k - l 7 分凝淹投魏豢和输入信 号向蕊，t 表转黄，d k 为期待信号( 即嶷克风接收信号) 。将l m s 算法中的 斌( 2 3 ) 改为： 强k l = 掣皎+ 2 社e k ) ( i 【( x k v x k ) 2 ，4 ) 即姻化l m s 冀法( n l m s 算法) 。声黼波对消对自遥应滤激箨法的要 慕蘧；牧敛速度浚，诗算裹焱菠，稳定瞧好释稳态失配套。癌予l m s 冀法楚 一种基于梯度下酶的算法，逝输入信号韪强相必的，如语音信号时，自相关矩 阵特征假分散度非常大，饿隧表面等离线远离”正圆”时，簿法收敛困难l 。 囊予n l m s 箕法建声霞液瓣溪上不笈缀妊蔑羰上述各个篓袋，嚣露器要有菱 好的方法来解决这一阔题。 2 2 解糨关l m s 葬法 语凿信号的强相必性是馒n l m s 算法收敛慢的症结所在。如果在利用l m s 簿法之懿先对自适殿系统的输入语音僖芍逃弦蕊交瑗处理，瓣健输入僖号自羹 4 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 中的各个元素相互“去耦”，则可加快自适应过程的收敛速度卜1 。若在l m s 算法中改用输入信号向量的正交分量( 而不是输入信号向量本身) 作权向量调 整，也可以改善自适应过程的收敛性能【8 1 【9 1 ，这就是所谓的解相关l m s 算法 ( 简称d l m s 算法) ，其归一化算法简称n d l m s 算法。 图2 2 采用d l m s 算法的自适应线性组合器 图2 2 表示个自适应线性组合器采用d l m s 算法实现权调整的原理图 图中换矩阵a k 用于对输入信号向量x 。施行正交变换， z t = a k x f x 。一bk x “ ( 2 5 ) 其中x 。为k 时刻的l + 1 个输入构成的输入向量即x f ( zo k 点k 盈k ) ，z t 为 变换后的输出向量，式中相关系数为： bt = x 。t x d x “x ”t ( 2 6 ) 若式( 2 5 ) 等号两边左乘x 。，则可得 x 。z 。= x t k _ i ( 砥一bk ) ( 。) = x 、。一( x 、x 。) ( x 7 。溉一。) ( x 7 。砥，) = 0 ( 2 7 ) 即变换后所得的输出信号向量z 。与前一时刻的输入向量x n 正交。 众所周知，在权向量迭代过程中，l m s 算法是用瞬时值。x 。代替期望 值e 【ekx 勺来作为梯度估计值的。而在d l m s 算法中，权向量的调整则是利 用6k z k 来代替e 【ek 瓦】来完成的。即d l m s 算法的权向量迭代可表示为： 帆= 帆+ 弘8k 己 ( 2 _ 8 ) 在式( 2 8 ) 中，误差输出ek = d k w 7 。再对迭代步长做归一化处理，则可得 归一化解相关迭代式为： w k + l = - w l + u 8k r k z 。k x k( 2 9 ) 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 其实，d l m s 算法只是改变了权向量迭代中权i 周整n z r n t 4 1 。即在l m s 算法中，权值调整是利用通常为各次迭代问相互相关的输入向量x 。进行的， 而d l m s 算法则是利用经解相关后的 而这种权值的调整方向即使从统计 意义上来说，也不一定是能使性能 表面最速下降的负梯度方向。在自 适应过程中，对于系统输入为有色 信号的情况，这种解相关算法可以 加快自适应收敛速度，而其相关性 越强，收敛速度越快。而自适应达 到稳态后的输出误差则和l m s 算 法基本相同 ”。 在图2 3 中同时给出了一个具 有两个实权的自适应滤波器权值迭 ( 正交) 信号分量z 。作权值调整的，因 w ， j d l m s 算法 卅 。 扒。 y w 2 图2 3l m s 算法和d l m s 算法投 值选代轨迹的几何解释 代的两条轨迹，以进行自适应收敛速度的比较说明。图中假定输入仅有两个相 关的确知信号向量x i 与x 2 ，两个实权分剐为w l 和w 2 。其中采用l m s 时， 每步权值迭代是在x l 或x 2 方向( 正向或负向) 上进行的，而d l m s 算法则是 在和它们正交( 垂直) 方向上进行的，且后者当权值达到最佳解w ( x l 与x 2 的 05 0 01 0 0 0 1 5 2 0 0 0 o1 0 0 02 0 0 03 0 0 0舢 采样点数 采棒点数 图2 ，4 n t l s 算法和n ) i i i s 算法对相关性不同信号的收敛情况比较 从计算机对输入相关性强弱不同的模拟信号仿真结果来看，在强相关信号 情况下，n d l m s 算法比n l m s 算法快得多，其仿真结果如图2 4 所示：其中输 6 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 入信号为均值为o 的白噪声经系数不同的二阶a r 模型所得到，a r 模型的公 式在图中示出，自适应权为3 2 个，纵坐标为自适应权( 用h 表示) 与模拟房间冲 击响应( 用真实权h 表示、的失配。即： m i s = l1h t - h il h ( 2 1 0 ) 而n d l m s 算法达到稳态后的失配则和n l m s 算法基本相同，这也可从 图2 4 中看得出来。为了进一步改善算法的稳态性，本文采用了变步长的方法。 2 3 变步长d l m s 算法 在自适应算法中，总希望得到较快的收敛速度和较小的稳态失配。而在固 定步长的自适应算法中，减少步长因子u 可减少自适应滤波算法的稳态失配， 而步长因子的减少将降低算法的收敛速度，因此固定步长的自适应滤波算法在 收敛速度与稳态失配方面对步长因子u 的要求是相互矛盾的。固定步长的自适 应算法只是在这两者之间取折襄的做法，不可能解决这两项性能之间的矛盾。 而在声回波对消中，对这两项性能的要求都非常高，为了克服这矛盾，本文 采用了变步长的方法。与固定步长的自适应算法相比，变步长的自适应算法具 有较好的快速跟踪性能【1 0 i ；可使算法在初始阶段或系统参数发生变化时，能 提供大的步长以使算法具有较快的收敛速度和对系统的跟踪速度；而在算法进 入稳态时，保持较小的调节步长以达到较小的稳态失配，从而较好的解决这 矛盾，本文使用的变步长方法n ，为： “( k ) = y ( i - e x p ( 一qi 。i2 ) ) ( 2 u ) 则本文所构建的变步长d l m s 算法为： 。= d 广霄。( 2 1 2 ) u ( k ) = y ( 1 - e x p ( _ nl 。i 。) ) ( 2 1 3 ) w h l = w k + u ( k ) 8k z k = w i + y ( 1 - e x p ( 一口i e kl2 ) k z k( 2 1 4 ) 从 6 可以看出，n 、y 值的选取应遵循的原则为：根据初始误差le 。i 值的 大小来选择a 、y 的值，使得在收敛前提下初始误差ie 。l 所对应的恤( n ) 的 值尽可能大些( 在y 1 t 1 1 8 x 条件下，算法一定收敛， m a x 为输入信号自相 关矩阵的最大特征值) 。如果对收敛速度有较高要求的话，应选择大的n 值； 如果对稳态误差有较高要求的话，选择的a 值不能太大。在具体的实际应用中， 应由实际情况来决定a 的值。本文在近端的接收信号中加一小功率近端模拟话 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 音后，对不同的。的取值情况进行仿真，即： d = y + 0 i , y ! ( 2 1 5 ) 其中y ，y ：分别为远端信号和近端信号，它们的a r 模型分别为： y 、( r 1 ) = o 6 * y 。( n 一1 ) t o 3 * y ( n 一2 ) + o 1 * r 。 ( 2 1 6 ) y ：( n ) = o 6 5 y 2 ( n 1 ) + 0 3 * y ! ( n 1 ) + o 0 5 * r ：( 2 1 7 ) 在式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 7 )1 0 0 中，r 。、r ：都为均值为0 的 白噪声信号。从仿真结果图1 0 。1 2 5 可以看出，在上述条件 呈 下，y 耿1 2 时，q 取t 0 0 0 0 1 0 2 较好。 为了证明该算法之优1 0 一 点，下面将该算法和实际应 o 1 0 0 0 2 第样善。嬖 4 9 9 9 5 0 0 0 用较广的n l m s 算法进行计 算机仿真比较。计算机模拟 图2 5a 取值对收敛情况的影响 条件为：自适应滤波器阶数1 = 3 2 ，未知系统的f i r 系数为3 2 个随机数，产生 远端、近端信号的a r 模型y ( n ) 、y 二( n ) 同上；y 、a 分别为1 2 和i 0 0 0 0 ：采 样点数为1 0 0 0 0 个；其纵坐标为自适应权( h ) 与真实权( h ) 的失配，对仿真结 果分别作2 0 0 个点的平滑处理，如图2 6 所示从仿真结果可以看出，变步长 n d l m s 算法无论在收敛速度还是在稳态失配上都优越于工程中常用的n l m s 算 法。 篮 蔫 10 z f ： 1 d 3 一 一一 01 0 0 02 0 0 d3 0 0 04 蚴5 0 0 0 6 0 0 07 0 0 0舢9 0 0 01 0 0 。0 采样点数 图2 6 几种算法的仿真比较 8 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 在变步长n d l i i s 算法中，计算变步长时，需要两次乘法和一次加法及一次 指数运算，但在实际应用中求u ( k ) 可用查表法近似实现，因而可忽略这一 部分的计算；在计算相关系数b 。时，其分子分母可通过迭代的方法来计算得 到( 这可从4 5 节算法瑷汁中看出) 使得变步长的n d l t s 算法在只比n l m s 算 法增加少许计算量的情况下。获得较快的收敛速度和较小的稳态失配。因而， 本文算法具有算法简单，对强相关信号有收敛速度快，稳态失配小的特点。适合 作为声回波对消算法。 2 4 真实语音的仿真结果 本文对2 2 k h z 的真实语音进行仿真，采用了1 2 8 个真实的房间冲击响应 权，在近端加有一小功率语音信号。为了减少计算以及与真实程序设计情况更 接近，在本仿真中是以输出误差减小到某个值时步长变一次( 减小) 来实现步长 变换的，当输出误差的平方小于o 0 0 0 1 时，步长从l 变成0 4 。仿真结果如图 2 ，7 ，益线经过1 2 0 个点的平滑处理，纵坐标是输出误差的平方。从仿真结果 可以明显看出变步长算法减少了稳态失调。由于语音信号的高度非平稳性，使 得纵坐标收敛过程波动较大。 图2 7 几种算法对真实语音的仿真比较 图2 8 是输出语音波形图。由于变步长算法的稳态改善不易从波形图看 9 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 出，所以在此只比较了n l m s 算法和n d l m s 算法的收敛速度。使用的是采 样率为2 2 k h z 的真实语音，使用了1 0 2 4 个真实房间冲击响应权。最上面的是 原始语音波形，中间是n l m s 算法对消收敛情况，最下面是n d l m s 算法的 对消收敛情况。 本文提出的算法综合了变步长算法在a e c 中稳态失配小的特点，以及解相关 算法在a e c 中收敛速度快和它计算简单的优点。仿真结果表明，在处理强相关信 号时，该算法在收敛速度和稳态失配上都较n l m s 算法有更好的性能。同时。由于 该算法计算量小，因而便于硬件的实现。 采样点数 x 1 0 图2 8n l m s 算法和n d l m s 算法收敛语音波形图比较 0 1 o 1 1 o 1 1 o 1 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 第三章硬件系统平台 3 1 硬件系统概述 本硬件系统由i 块d s p 开发板子系统、1 个扬声器、3 个柱集体话筒、1 个功放电路、1 个信号放大电路、b i o 开关等组成。其电路方框图如图3 1 ， 远端信号经功放电路后送到扬声器，同时也送到主a c 0 2 的输入口，话筒拾取 的信号经放大电路后送从a c 0 2 的输入口，两路模拟信号经a c 0 2 进行a d 变 换后送入d s p 进行处理，处理的结果再送到a c 0 2 经d a 变换后送出。 圈3 1 硬件系统框图 本系统的核心是d s p 开发板子系统，该子系统采用的是1 1 公司的1 6 位定点 d s p 芯片系歹n t m s 3 2 0 c 5 4 x 中的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片构成，该芯片详细介 绍见3 2 节。 在该子系统中，s r a m 与d s p 接口构成3 2 k 字的外部程序存储器和1 6 k 字的外部数据存储器，采用两片c y 7 c 1 9 9 构成3 2 k 扩展的程序存储器，地址 为3 8 0 0 0 h 3 f f f f h ，另两片c y c l 9 9 构成扩展的数据存储器，地址为 4 0 0 0 h t f f f h 。并行e e p r o m 与d s p 接口构成3 2 k b 的引导装载e e p r o m ( 2 9 e e 0 1 0 ) ，可以使d s p 系统成为独立运行系统，其地址范围是8 0 0 0 h - f f f f h 。 采用两片模拟接口芯片t l c 3 2 0 a c 0 2 c 完成两路话音的采集及一路模拟输 出。两片a c 0 2 工作于主从模式，它们通过v c 5 4 0 2 的多通道缓冲串口( m c b s p ) 与d s p 进行数据变换。a c 0 2 的工作状态如采样率、抗混叠滤波器参数、增益 等均可用软件设置。m c b s p 和a c 0 2 的详细介绍见3 3 和3 4 节。 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 由t p s 7 3 h d 3 1 8 芯片提供d s p 所需电源电压；时钟采用外接晶振，通过 软件可编程p l l 设置d s p 的工作时钟为1 0 0 m h z 。在输入引脚b i o 信号处设 置了个开关，用于人工控制对消器处于对消或者直通( 不对消) 状态，以便比 较和测试。 3 2t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 芯片概述 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是n 公司近年推出的新一代的1 6 位定点数字信号处理 器。采用改进型哈佛结构，6 级指令流水线操作，计算和处理速度很高，指令 执行速度可达1 0 0 m i p s ，具有多总线结构，在片存储器和丰富的在片外设资源， 并有一套高度专业化的指令系统。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 主要特点如下： c p u ： 先进的多总线结构，具有1 条程序存储器总线、3 条数据存储器总线以及4 条地址总线 4 0 位算术逻辑运算单元( a l u ) ，包括1 个4 0 位桶形移位寄存器和2 个独 立的4 0 位累加器 1 7 位乘1 7 位并行乘法器与一个4 0 位专用加法器相连，用于非流水线式单 周期乘法累加( m a c ) 运算 比较、选择、存储单元( c s s u ) ，用于v i t e r b i 操作中加法比较选择 指数编码器用于在单周期内计算4 0 位累加器中的指数值 2 个地址生成器，包括8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器算术运算单元( 肌h u ) 存储器： 具有1 6 位1 9 2 k 字可寻址存储空间：6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字数据存储 器以及6 4 k 字i o 空间 v c 5 4 0 2 片内含有4 k 字r o m ，可配置为程序，数据存储器 v c 5 4 0 2 片内含有1 6 k 字d a r a m ( 双寻址在片r a m ) 。d a r a m 分成若 干块，由于在每个机器周期内，允许对同一d a r a m 块寻址( 访问) 2 次，因 此c p u 可以在一个机器周期内对同一d a r a m 块读出1 次和写入1 次。一般 情况下，d a r a m 总是映象到数据存储器空间，主要用于存放数据。但是，它 也可以映象到程序存储器空间，用来存放程序代码。 指令系统： 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 单指令重复和块重复操作指令 用于程序和数据管理的存赭器块传送指令 3 2 位长操作数指令 同时读入2 或3 个操作数的指令 能并行存储和并行加载的算术指令 条件存储器指令 从中断快速返回的指令 指令的执行采用指令预提取、指令提取、指令译码、访问操作数、读取操 作数、执i 亍等6 级流水线并行结构，大大提高了指令的执行速度 在片外设和专用电路： 软件可编程等待状态发生器 可编程的存储器体转换逻辑电路 带有内部振荡器或用外部时钟源的在片锁帽环( p l l ) 时钟发生器。 全双工串行口，支持8 位或1 6 位传送 直接存储器访问( d m a ) 控制器 2 个多通道缓冲串口( m c b s p ) 可编程定时器 可与主机直接连接的8 位并行主机接口( h p i ) 外部总线关断控制电路，以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号 数据总线具有总线保持器特点 电源和功耗： 采用3 3 1 8 v 电压供电 可用i d l e l 、i d l e 2 和i d l e 3 指令控制功耗，以工作在省电方式 c l k o u t 输出信号可以关断 速度： 单指令周期时间为1 0 n $ ，即每秒指令数可达：1 0 0 m i p s 3 3 在片外设：多通道缓冲串口m c b s p v c 5 4 0 2 提供高速双向多通道缓冲串口，它在系统里可以给别的c 5 4 x 和 别的外设提供直接接口。在本系统中，d s p 与外设a c 0 2 之间的通信就是通过 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 在片外设m c b s p 来进行的。缓冲串口( b s p ) 是在标准同步串口的基础上增加了 一个自动缓冲单元( a b u ) 。标准同步串口有2 个存储器映象存储器用于传数据： 发送数据存储器( d x r ) 和接收数据存储器( d r r ) 。每个串行口的发送和接受部 分都有与之相关联的时钟，帧同步脉冲以及串行移位寄存器；串行数据可以按 8 位字节或1 6 位字转换。串行口在进行收发数据操作时，可以产生它们自己 的可屏蔽收发中断( r i n t 和x i n t ) ，让软件来管理串行口数据的传送。 b s p 是一种增强行标准串口。a b u 利用独立于c p u 的专用总线，让串行 口直接读、写c 5 4 x 的内部存储器。这样可以使串行口处理事务的开销最省， 并能达到较快的数据率。b s p 有两种工作方式：非缓冲方式和自动缓冲方式。 当工作在非缓冲方式( 即标准方式) 时，b s p 传送数据与标准串行口一样，都 是在软件控制下经中断进行的。当工作在自动缓冲时，串行口直接与c 5 4 x 内部存储器进行1 6 位数据传输。 m c b s p 特点有： l 双缓冲发送和三缓冲接收寄存器，可保证数据流的连续传送操作 2 对接收和发送有独立的帧脉冲和时钟信号 3 发送和接授通道可达1 2 8 个 4 串行数据可按8 ，1 2 ，1 6 , 2 0 , 2 4 ，和3 2 位传送 5 可按“方式和a 方式压缩 6 可对帧同步信号和时钟信号进行编程设置 7 可编程的内部时钟和帧信号 8 对具有工业化标准的可编程模拟接口芯片( a i c s ) ，和其它以串型方式连接 的a d 、d a 器件可提供直接接口 9 对8 位字节可进行高位和低位优先传输进行选择 m c b s p 的内部框图如图3 2 ，其引脚定义分别为c l k r ：接收时钟信号； c l k x ：发送时钟信号；d r ：串行接收数据；d x ：串行发送数据；f s r 接收 时的帧同步信号；f s x ：发送时的帧同步信号。 串行口收发数据的工作过程为：在发送数据时，先将要发送的数写到 d x r 。若x s r 是空的( 上一个字已串行传送到d x 引脚) ，则将d x r 中的 数据复制到x s r 。在f s x 和c l k _ x 的作用下，将x s r 中的数据移到d x 引 脚输出。一旦d x r 中的数据复制到x s r 后，就可以立即将另一个数据写到 4 变步长解相关自适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 d x r 。 在发送期间，d x r 中的数据9 1 1 1 日j l 复制到x s r 后，串行口控制寄存器( s p c ) 中的发送准备好( x r d y ) 位立刻由0 转换为l ，随后产生一个串行口发 送中断( x i n t ) 信号，通知c p u 可以对d x r 重新加载。 c p u s y n c hr 。n i z a l i 。nc ve n t s f 。 d m a 图3 2m c b s p 的内部框图 接收数据的过程类似：来d r 引脚的数据在f s r 和c l k r 的作用下，移位 至r s r ，然后复制到d r r ，c p u 从d r r 中读出数据，一旦r s r 中的数据复 制到d r r ，s p c 中的接收数据准备好( r r d y ) 位立即由0 转变为1 ，随后产生 一个串行口接收中断( r i n t ) 信号，通知c p u 可以从d r r 中读取数据。 由于串行口是双缓冲的，所以当串行发送或接收数据的操作正在执行是， 可以将另一个数据传送到d x _ r 或从d r r 获得。可以进行快速数据传送。 3 4a i d 、d a 变换器a c 0 2 t l c 3 2 0 a c 0 2 是模拟接口电路( a i c ) 音频处理器，它提供数摸和摸数转换 接口系统。在块单片c m 0 8 芯片上，该器件含有带通抗混叠输入滤波器， 一个1 4 位的摸数转换器( a d c ) ，一个1 4 位的数摸转换器( d a c ) ，一个低通输 k k x r k d d 儿 扎 ：2 2 儿 变步长解相关岛适应声回波对消算法研究及其d s p 实现 出重构滤波器，一个串行数据端口和控制传输器。 内部电路配置和功能参数由将控制信息读入8 个数据寄存器来决定。该器 件的工作模式和应用由这些寄存器的数据决定，其具体内容见参考资料( 1 6 】。 t l c 3 2 0 a c 0 2 的主要功能有： l 将声音信号经过a d c 通道转换成数据格式。 2 为a c 0 2 的串行输入输出端口和数字信号处理器( d s p ) 或单片机之间的数 据传输提供接口和控制逻辑。 3 通过d a c 通道将其接收到的数字信号转换成语音信号。 t l c 3 2 0 a c 0 2 具有两个信号处理通道( a d c 通道和d a c 通道) 和相关的 数字控制。两个通道是同步运行的；d a c 通道的数据接收和k d c 的数据发送 是在相同时间间隔内进行的，数据发送器处于2 s 补偿格式。 a c 0 2 的特点： 通用信号处理模拟前端 单5 v 电压电源 功耗典型1 0 0 m w 信号畸变率典型值7 0 d b 滤波器带宽可编程( 可达1 0 8 k h z ) 1 4 位动态范围的a d c 和d a c 同步采样 串行接口 a c 0 2 具有三种基本的操作模式：单独应用模式、线性可编译码模式、主 从模式。在单独标准模式时。只有唯一a i c 在使用，a c 0 2 为数据传输产生移 位时钟信号和帧同步信号。在线性代码模式时，移位时钟和帧同步信号是由外 部设备产生，定时可为任何标准可编程定时模式。圭从模式时，有片a c 0 2 作为主片产生主移位时钟信号和帧同步信号，其余a i c 作为这些信号的从片。 本文使用的印为主从模式，圭从a c 0 2 之阊的连接以及与d s p 的连接框图见 图3 - 3 。 a c 0 2 是可编程的外设，对它的设置是通过程序来实现的，a c 0 2 的设置 见4 4 节。 自适应声回波对消算 d s p现 图3 3a c 0 2 的主从模式连接 3 5 其它外设 功放电路