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基于精确块仿射投影 算法的回声抵消系统
? 刘世安 ,彭小娟
()广州航海高等专科学校 航海系通信导航教研室 , 广东 广州 510643
摘 要 :针对回声抵消器的原理和特点 ,采用精确块仿射投影算法 ,设计了一种使用数字信号解决器实现算法的回声抵
消系统 ,最后给出了仿真成果 。改善后的算法提高了稳健性以及自适应辩识系统的稳定性和可靠性 。
核心词 :回声抵消器 ;自适应滤波 ; 仿射投影算法 ;数字信号解决器
( ) 中图分类号 : TN912 文献标记码 : A 文章编号 : 1008 - 6765 02 - 0094 - 03
[ 3 ] ()( ) 随着通信技术的发展 ,免提式语音通信得到了日益广泛NLM S算法和递归 最小二乘 RL S算法 。NLM S其 运算
简朴 ,运算量小 ,但是收敛速度慢 。 RL S则正好相反 ,其收敛 的应用 。免提功效的出现使通信变得更加便捷 ,但是由扬声
器 - 房间 - 话筒构成的声学闭合空间产生的声回声严重影响 速度快 ,但是运算复杂度高 。“块自适应算法 ”大大减少了运
()算量 ,本设计通过对精确块算法 B lock - Exac t和仿射投影算 了通信系统的稳定性和语音通信的质量 ,因此必须采用回声
()法 A ffine P ro jec tion A lgo rithm ,简称为 A PA 的分析和研究 ,提 抵消器来克制或排除噪声的影响 。
(出了一种基于 A PA 和精确块算法的自适应算法 B lock - Ex2 1 回声抵消器的原理[ 4, 5 ] [ 1 ]) ac t - A ffine P ro jec tion A lgo rithm ,简称为 B E - A PA 。典型的回声抵消器都是采用合适的自适应辩识方案 来
2 基于 A PA 和精确块算法的自适应算法抵消回声 ,它由近端语音检测 ,自适应滤波器和残存回声克制
2. 1 精确块自适应算法的原理和实现3个部分构成 。回声抵消器的工作原理是应用一种自适应滤
精确块解决算法 , 在块内每个时刻计算的滤波误差和逐 波器对未知的回声通道进行系统辩识 ,并采用合适的自适应
点迭代算法计算的滤波误差完全相似 , 收敛性能和逐点迭代 算法使冲击响应与实际的回声途径相逼近 ,以得到回声预测
算法完全一致 , 但是计算复杂度大幅减少 。块解决的基本思 信号 ,然后将所得回声预测信号从麦克风接受到的语音信号
想是每个样点都要计算滤波误差 , 而滤波器的滤波系数每经 中减去 ,以实现回声抵消 。
(过 N 个 N 为块长度 )样点才更新一次 , 因此块解决有效地减 1. 1 近端语音检测 当自适应滤波器受到非平稳 相 关 的 语 音
少了计算复杂度 。 信 号 直 接 激 励
2. 2 仿射投影算法 仿射投影算 法 的 收 敛 特 性 和 计 算 复 杂 度 时 ,会恶化大部分算法的收敛性 。另外 ,收敛速度越快的算法
介 于 NLM S和 对近端近端语音也越敏感 。近端语音检测环节的设立增加了
RL S之间 ,具体算法以下 : 算法的顽健性 ,该环节通过一定的算法来判断近端与否有语 T ( ) = d 1e - X w nnn n - 1 音存在 ,若检测到没有语音 ,则能够进行更新操作并进行残存 T - 1 [ 2 ] ( )gδ2 = [ X X +I ] e n回声克制 ,否则自适应滤波器就停止滤波操作和系数更新 。 n n n
μw ( ) +X g= w 3 nn - 1 1. 2 残存回声克制 设立残存回声克制器是为了提高回声抑n n
式中X = [ x xx] n nn - 1 n - P - 1 制度 。通过一定 T T χχχ] x= [ 的算法把通过回声抵消后的信号能量与一种随远端信号能量 n - 1n - N - 1 n n T T dd= [ d变化的阈值进行比较 ,当抵消后的信号能量不大于阈值 ,并且回 d]n - 1 n n n - P - 1 T T 声抵消器处在收敛状态时就让残存回声克制器输出为零 ,这 e= [ ee e]n nn - 1 n - P - 1
χ样就提高了回声抵消的主观效果 。 其中 w 为系数矢量 ; e为误差 ; d为盼望的输出值 ; n n n n
1. 3 自适应滤波器 μ为输入激励信号 ; P 为投影阶数 ; N 为滤波器的长度 ;为步
μ δ回声抵消重要采用自适应滤波技术 ,通过多种自适应算 长 , 是用于控制算法的稳定性和收敛速度的参量 , 0 << 1。 T 法不停调节 滤波器系数 , 使滤波 器输出逼近未 知系统的输 是一种小的正数 , 作为计算自有关矩阵 X X 的调节参数 。在 n n
μ δ 出 。现在回 声 抵 消 的 算 法 比 较 典 型 的 有 归 一 化 最 小 均 方 时会得到满意的精确度 。仿射投影算法和递归= 1和 = 0
最小二乘法都以增加运算量来提高收敛速度 ,但它的运算量 , , μw = w X g( )4 k + i- 1 k +i k + i - j k +i - j? 却不大于递归最小二乘法 。在计算随机干扰的分布函数时 ,必 j , δ 须考虑算法的稳健 性 , 仿 射 投 影 算 法 是 以 增 加 来 实 现 的 。( )式 4 中 d表达盼望的输出值 ; e是一种向量 , 表达 k + i k + i T T , 在仿射投影算法中 X X 为半正定矩阵 ,显然 , X X 是非奇异 n n n n 在这一步 P 阶方程的以前的误差 。y 表达这些 P 阶方程的 k + i δ的 ,为了得到盼望的信号 ,对 的调节是必要的 。在回声抵消 滤波器输出矢量 ,于是我们能够得到下式 :器中若用 w 表达真正回路的冲击响应 , y表达近端噪声向 i +p - 1 p - 1 rea l n ,, , ( )w = w S X - S X 5 k + i - 1量 。则 d能够表达为 k - 1 k + i- j, j k +i - j k - 1, j k - j??n j = 1 j = 1 T , , d = X w + ynn rea l n ( )式 5 中 S 可由 S 递归得到 ,在每一种块的开始 k + i - 1 k + i - 2 δ越大 ,近端噪声就越小 。在 A PA 中计算前置滤波向量 ,能够设定矢量 S的长度 ,递归公式以下 : k ()g时必须计算输入信号的自有关矩阵 为 P ×P矩阵 的逆矩 n 3 0 , , ) ( 阵 ,每一次迭代它的计算量为 O p,又每一次迭代需要 N P ( )μ6 s = +g k k ,3 P - 1 ( ) ( ) 次乘法 ,因此 A PA 的总的计算复杂度为 p + 1 N + O p。 s| k - 1 1 在大多数状况下 , P < < N ,因此 A PA 的计算复杂度远不大于 ,0 ,g k + i- 1RL S,但是却不不大于 NLM S。 μ( )+ 7 s= k +i - 1, 0si- 1 k + i - 2 ( ) 2. 3 快速仿射投影算法 FA P 和频域精确块快 速仿射投影 , 于是能够导出滤波器输出 y ()算法 B EFA P k + i, a i +p - 1 FA P与 A PA 相比 ,其计算复杂度大大减少 。快速仿射投 ,, , , T T = X w = X w + s +y ( ) k + i - a - 1k + i- 1 k +ik = 1 k + i, a? 影算法在计算过程中不必对每一次采样过程中的 w 进行更 j = 1 n i +p - 1 p - 1 , , 新 。因此 FA P的总的计算复杂度为 4N + 40 P ,尽管其计算复 a a ( )sr-sr8 k + i - 1, j k + i, j k - 1, j k + i, i+ j?? j = 1 j = 1 杂度略有增加 ,但是收敛性却有了很大的提高 。当 P < < N T a ( )式 8 中有关函数 r= xx( ) k + i, j k + i- a - 1k + i - 1 时 , FA P的计算 复 杂 度 只 比 NLM S稍 大 , 为 了 降 低 计 算 复 杂 p - 1 ,,, 度 ,能够采用延迟矩阵向量积 X 的乘积的办法 。 若定义修正滤波向量sx则有滤波 = w -z k - 1, j k - jk - 1k - 1 ? j = 1 ()对于 B EFA P,一种基本的滤波向量在块内 块长为 N 2 , 器输出 w为 k + i, a () 是固定的 ,它能够被看作是 N 点快速卷积 频域 。由于滤波 1 , T T a 向量在有些块内是固定的 ,不是每次都进行更新 ,因此频域的 w = xz+ sr( ) k + i, a k + i- a - 1k - 1 k + i- 1 k + i Ta 滤波操作计算量就明显减少了 。减小 N 能够减少系统时延 。 1 i + p + 1 。的向量长度均为其中 s r和 k + i- 1 k + i 要得到精确的 B EFA P,就要对块内快速卷积得到的余项修正 ()精确块仿射投影算法是由传统的仿射投影算法 A PA 导 进行计算 。即使块内修正的计算复杂度是增加了 ,但是由于 出的频域算法 ,任何合用于 A PA 的参数调节都 合用于 B E - 参数的可选择性 ,整个滤波操作的计算复杂度不会高于 FA P。 δA PA ,并且对参量 的调节范畴远不不大于 B EFA P。B E - A PA 的 B EFA P总的计算复杂度为 : 计算复杂度与 B EFA P相近 ,然而它含有 B EFA P所无法比拟
的优点 ,在应 用 参 数 调 整 时 它 能 维 持 传 统 的 仿 射 投 影 算 法 M 1 6M log- 7M - 31 2 1 2 1 6N + 15P - 4 + 10 P + ()A PA 的收敛性能 , FA P 和 B EFA P 则不能 。使用 A PA 可 以 2 N 1 使收敛速度达成抱负的效果 ,但是抗干扰能力弱 ,在随机干扰 M 2 2 6M log- 7M - 31 2 2 2 P - P + + 的分布函数是重尾时 ,它是不稳健的 。B E - A PA 的使用提高 N N 22 了算法的稳健性 ,本设计结合 A PA 和精确块算 法实现的 B E= N + N - 1 。式中 N 和 N 为频域算法的块长 , M 1 2 ii - A PA 自适应算法 , 对自适应滤波器使 用 A PA , 而对其 系数 () 2. 4 精确块仿射投影算法 B E - A PA 的更新采用精确块算法 ,这样在增加自适应滤波器的收敛速 B E - A PA 是基 于 B EFA P 的 , 与 B EFA P 相 比 不 同 的 是 : 度的同时有效地减轻了计算的复杂度 。 B E - A PA 的误差向量只需要在第一次进行计算 ,而不是在每 3 基于 D SP的精确块仿射投影算法的回声抵消系统设计一步都需要重新进行计算 。这种新的办法不必对全部的方程
都进行滤波操作 ,其计算复杂度为 : M 1 6M log- 7M - 31 2 1 2 1 6N + 15P - 5 + 11 P + 2 N 1 M 2 2 6M log- 7M - 31 2 2 2 P - P + + N N 22
公式表明尽管需要计算全部误差矢量 ,但所需的运算量 只比 B EFA P略有增加 。以 i表达块长为 N 的块内的一种样 2 图 1 系统原理框图 本点 。则能够得到以下公式 : 本文设计了一种使用该算法的基于 D SP的回声抵消系 ,, T = xw y k + ik + i- 1 k + i统 。本系统采用性价比较高的定点 D SP芯片 TM S320VC5402 [ 6 ] ,,完毕回声抵 消 算 法 及 相 关 控 制 功 能 ; 采 用 AD1849 K音 频 e= dy k + ik + i k + iCOD EC芯片及其外围电路来进行音频 A /D 和 D /A 转换 ; 外 ,, T g= [ xx]w k + ik +i k + i k + i
部 EPROM 采 用 AM 27C512 芯 片 构 成 64 K ×8 的 存 储 空 间 。
因 为 TM 320VC5402 芯 片 的 电 源 有 两 种 , 所 以 采 用 了 1024, 设定投影阶数为 p = 8, 块长度为 N = N = 8 ,对输入 1 2
TPS73HD301 双 路 电 源 输 出 芯 片 来 供 电 ; 并 且 采 用信号以 8 kH 的频率进行采样 。白噪声以相对于平均 语音信
ID T74FCT16245总线电平转换芯片来完毕 3. 3V 供电 D SP与号 - 40 dB 的水平加到麦克风上 。图 2为三种算法的 M SE仿
5V 供电的 EPROM 的接口 。原理框图如图 1所示 。真成果 。
4 仿真成果实验中脉冲响应每秒变化一次 ,曲线是 50 次实验的平均 对逐点仿射投影算法 ,直接块解决投影算法和精确块快 成果 ,实验表明 ,逐点投影算法和精确块投影算法的收敛曲线 速投影算法的收敛性能进行了仿真 。回声抵消是通过计算机 是重叠的 ,这就证明了 B EFA P和 FA P 的收敛速率是同样的 , 仿真实现的 ,未知系统是从话筒到麦克风的回声通道 ,仿真条 另外还能够看到其收敛速率快于直接块解决投影算法 。 件以下 :真正的回声冲激响应和自适应滤波器的长度为 M =
图 2 三种仿射投影算法收敛曲线
结束语 5 出版社 , .
本文介绍了回声抵消的基本原理 ,通过对精确块算法和[ 4 ] Gee rt Rom bou ts and M a rc Moonen . A sp a rse b lock exac t af2 仿射投影算法进行分析和研究 ,提出了采用该算法的声回波 fine p ro jec tion a lgo rithm. IEEE Tran s. Sp eech and A ud io
( ) 抵消系统 。算法充足考虑了语音信号的特性 ,并设法减少计 P roce ssing. . 10 2: 100 - 108. 算量 ,解决了抗干扰能力弱的缺点 ,提高了稳健性 。该算法应 [ 5 ]M. Tanaka, S. M ak ino and J. Ko jim a. A fa st affine p ro jec tion 用于回声抵消器 a lgo rithm fo r adap tive filte ring. IE ICE Tran s. EA. 1995. E78 ,对于提高回声抵消器的稳定性和可靠性具
( ) 有很大的实用意义 。 - A 10 : 1355 - 1361.
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The echo neutra liza t ion sy stem ba sed on prec ise m odule a ff ine pro jec t ion a lgor ithm
L IU Sh i - an , PEN G X iao - juan
( )Guangzhou N aviga tion Co llege, Guangzhou 510643, ch ina
A b stra c t: A cco rd ing to the p rinc ip le and cha rac te ristic s of the echo neu tra lize r, u sing the p rec ise modu le affine p ro jec tion a lgo rithm , the au tho rs de signed an echo neu tra liza tion system wh ich u se s the d igita l signa l p roce sso r to rea lize a lgo rithm and gave the a rtific ia l re2 su lt. The imp roved a lgo rithm ra ised the stab ility and re liab ility of adap tive iden tifica tion system.
Key word s: echo neu tra lize r; adap tive filte r; affine p ro jec tion a lgo rithm; d igita l signa l p roce sso r