（信号与信息处理专业论文）基于dsp的自适应回声抵消器的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 免提式话音通信在移动电话、热线电话、i s d n 网及车载电话的电视电 话会议等多种领域正得到日益广泛的应用，人们对声音通讯系统中的话音质 量提出了越来越高的要求。然而，使用这些系统能达到令人满意的话音质量 并不是一件容易的事情。由于在很多通信情况下会产生回音，这样会严重影 响语音的清晰度。为了得到满意的听音水平，最重要的需求就是使这些系统 具有抗自激和回声信号的能力。因此，回声消除技术也就成为世界各大通讯 公司竞争的热点技术之一。 回声抵消器的基本原理是用一个自适应滤波器来辩识并模拟回声路径 以实现回声对消。由于通信系统及语音信号本身的不固定性，对所采用自适 应算法的性能要求很高，而近年来数字信号处理器的快速发展，也使自适应 滤波器实时、经济地实现成为可能。 本文首先对u s ，n l m s 等自适应滤波算法进行了分析讨论，由于在传 统的l m s ( k a s tm e a ns q u a r e ) 算法中，固定步长选取影响收敛速度与稳态误 差，而且两者不可兼得，因此通过建立步长因子“与迭代次数n 之间的一种 函数关系改进了一种变步长l m s 算法。经计算机仿真验证，该算法性能良 好，明显优于实际中常使用的l ，m s 和m l 订s 算法，并且有较好的实用性。 在理论和仿真研究的基础上，使用德州仪器公司的单片定点 d s p ( t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 ) 构建了回声抵消器的硬件平台，在集成开发环境c o d e c o m p o s e r 中，将该算法应用在实时的声回波对消中，对回声的抑制达到了满 意的效果，实现了语音通信质量的提高。 关键词：自适应滤波；l m s 算法；变步长；回声抵消；d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 l 妯yw o r d s ：a d a p t i v ef j i t e r j n g ；i 朋sa 1 9 0 r i t h m ：v a r i a b l es t e ps i z e ；a 0 0 u s t i ce c h 0 c a n c c l l a t i o n ：d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及国内外现状 1 1 1 课题的研究背景 几乎所有的谈话都是在存在回声的情况下进行的。是否可察觉到或者可 区分，取决于所涉及的时延。如果语音与其回声较短，回声是察觉不到的， 但可理解为频谱失真的一种形式。反之，如果语音与其回声之间的时延较长， 超过几十毫秒，回声就可单独察觉到。声音回波在通信网络的许多地方出现， 损害通信质量，它包含如下情况： ( 1 )电话电路 在电信网中，为了降低电话中心局与电话用户之间电话线的价格，用户 线的连接采用两线制：电话中心局之间连接采用四线制。为了适应四线到二线 或二线到四线的连接，需要使用二线到四线的混合电路。在老式的电话线路 中，混合电路采用调谐变压器实现，它使用电感藕合把一个双工信号分隔成 两个简单信号，在长途信号传输中有利于信号处理，例如信道均衡和放大。 混合电路配置在电话中心局。由于阻抗失配，在混合电路中会产生电流泄漏， 虽然已采用了各种各样的先进混合电路，但是混合电路中产生电流泄漏仍是 不可避免。电流泄漏使得一部分信号的能量反射回信号源，这种反射和信道 延迟结合在一起，使讲话者听到自己的声音或者回波，听话者也听到回波。 决定线路回波影响程度的参数之一是混合电路的损耗，也就是说有多少发射 信号被反射回来。一般情况下，损耗至少为6 d b 。参数之二是信道延迟，如果 信道延迟短，讲话者一般不能辩认线路回波和旁音，而旁音在电话中总是存 在。但是，如果信道延迟超过十几毫秒( 一般是长途电话或者卫星通信) ，那 么会对讲话者产生很大干扰( 如图卜1 ) 。这种由于电器连接中的阻抗不匹配所 产生的回声称为线路回声( l i n ee c h o ) o 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 正向话音 接收数据 l 一一一一一一一1 卣矿一一一j 图卜1 线路回声示意图 ( 2 )免提电话 隧着通信技术的发展，越来越多的通信设备提供了免提功能，这一方面 使通信更加便捷，同时也产生了回声问题。回声是指在通信系统中由某地发 射出去的信号经由某种途径和一定的时间延迟后返回到该地的信号。免提功 能的共同的特点是终端对语音信号具有放大作用，从而在扬声器和麦克风之 间产生了强烈的声耦合，声波回声现象便是由这一藕合引起。在使用免持电话 房间中，从远方传送来的信号( 即远端信号) 通过电话的扬声器播放出来， 声波被墙壁、地板和天花板等反射，这些反射声和直达声都会被电话的传声 器拾取，作为近端信号发送给远端，形成回声。这种回声有一定的延迟，当 延迟超过5 0 毫秒并且没有衰减或只有很小衰减的时候，人们就会感觉到清 晰的回声，这种回声是通过声学途径产生的( 如图卜2 ) ，称之为声学回声 ( a c o u s t i ce c h o ) 衢1 。 本地扬声器 一、 、 声回波通道 ：e 本地声音信号 _ 一平m 尸百僧丐 本地话筒 图卜2 声学回声示意图 随着回声技术的发展，当前回声消除研究的重点，已由线路回声的消除 匿南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 转向了声学回声的消除。声学回声的消除方法主要有以下几种： ( 1 )周围环境的处理 分析声学回声的产生机理，可以知道：声学回声最简单的控制方法是改 善扬声器的周围环境，尽量减少扬声器播放声音的反射“”。例如，可以在周 围的墙壁上附加一层吸音材料或增加一层衬垫以增加散射。理想的周围环境 是其回响时间或r t 一6 0 ( 声音衰减6 0 d b 所需要的时间) 在3 0 0 m s 一6 0 0 m s 之间。 因为这样的环境一方面可以控制反射，又可以不会使讲话者感到不适。改善 环境可以有效地抑制间接声学回声，但对直接声学回声却无能为力。 ( 2 )回声抑制器 回声抑制是使用较早的一种回声控制方法。回声抑制器是一种非线性的 回声消除。它通过简单的比较器将接收到的准备由扬声器播放的声音与当前 话筒拾取的声音的电平进行比较。如果前者高于某个阈值，那么就允许传至 扬声器，而且话筒被关闭，以阻止它拾取扬声器播放声音而引起远端回声。 如果话筒拾取的声音电平高于某个阈值，扬声器被禁止，以达到消除回声的 目的。 由于回声抑制器是一种非线性的回声控制方法，会引起扬声器播放的不 连续，影响回声消除的效果，随着高性能的回声消除器的出现，回声抑制器 已很少用了。 ( 3 )声学回声消除器 声学回声消除的另一方法是使用声学回声消除器( a e c ：a c o u s t i ce c h o c a n c e l l o r ) 。“，a e c 是以扬声器信号与由它产生的多路径回声的相关性为基 础，建立远端信号的语音模型，利用它对回声进行估计，并不断地修改滤波 器的系数，使得估计值更加逼近真实的回声。然后将回声估计值从话筒的输 入信号中减去，从而达到消除回声的目的。a e c 还将话筒的输入与扬声器过去 的输出值相比较，从而消除较长延迟的多次反射的声学回声。根据存储存放 的过去的扬声器的输出值的多少，a e c 可以消除各种延迟的回声。 回声抵消这个课题从贝尔发明电话起就成为科学家和技术专家们要解决 的问题之一。电话发明初，由于通话距离一般很短，故回声危害并不严重： 但随着电子革命时代的来i | 缶，电话自人们生活中扮演者越来越重要的角色， 通话的距离越来越长。近年来的无线接入网，卫星网等的广泛使用，更使信 号延迟大大增加，从而回声现象也就更加严重。回声消除的好坏目前已成为 世界各大通讯公司产品质量竞争的一个重要指标，这种市场需求反过来又促 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 进了回声消除技术的发展。 1 1 2 国内外现状 回波抵消器可以采用模拟电路实现，也可采用数字电路实现。本文介绍 的回声抵消器是数字回声抵消器。数字回声抵消器的理论基础是自适应滤波 器技术。该技术己被广泛地研究了几十年，最早的回声抵消技术可以追溯到 本世纪六十年代中期，该技术应用到回声抵消器上的构想出现；在7 0 年代一 些组织估计了有回声抵消器的通信质量，结论之一就是因为需要大量计算处 理，必须期待更先进的大规模集成器件( l s i 的出现) ；在1 9 8 1 年第1 个应用 超大规模集成器件的回波抵消器产生了，从而改善了它的功能。进入八十年 代后，随着d s p 处理速度和i c 集成度的提高，特别是其成本迅速降低， 自适应回波抵消算法的高效实现得到了解决，回声抵消器的研究和发展逐渐 趋于成熟。 国际电联就回声消除技术先后发布了一系列规范，如g 1 6 4 、g 1 6 5 、 g 1 6 7 等，分别包括电学回声和声学回声的消除，其中1 9 9 7 年公布的g 1 6 8 是关于回声消除的最新规范“。该建议书针对数字回声消除器提出了一般的 设计要求，定义了相关的测试项目，以保证其能够在各种网络条件下提供足 够的回声消除能力。该建议书覆盖了比g 1 6 5 更加广泛的网络情况，包括话 音、传真、残余的声学回声和移动网等不同应用。同时，该建议书还定义了 一系列客观测试项目( 0 b j e c t i v e t e s c s ) ，如果回声消除器通过这此测试，那么当 其安装在网络中，起码就可以完成最低限度的回声消除功能。一个能够通过 此项测试的回声消除器，不应该影响话音信号的传输或其它设备的工作。 回声抵消器的理论基础是自适应滤波器，国外对回波抵消算法的研究已 经有四十多年的历史1 。结构较复杂的自适应滤波器研究工作，由美国斯坦 福大学的b w d r o w 和m h o f f 始于1 9 5 9 年。他们首先发明了最小均方自适 应算法。而英国的d g a b o r 和他的助手们则研制出了自适应滤波器。到2 0 世纪6 0 年代，有关自适应信号处理的理论研究和应用工作更加加强了，研究 范围己发展到自适应控制、自适应滤波( 包括时域和空域) 及其他方面。r l u c k y 在美国贝尔实验室首先将自适应滤波器应用于商用的数字通信中。 1 9 6 5 年，自适应噪声对消系统在斯坦福大学建成，并成功地应用于医学中。 随后国外的许多实验室和专家学者相继提出了许多自适应算法，比较典型的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 1 )滤波结构模块 这个模块根据输入信号的情况形成滤波器的输出。如果输出是输入信号 的线性组合，那么滤波器结构也是线性的；否则就是非线性的。例如：可变 有限冲激响应( f i r ) 数字滤波器的模型可以是直接型或者是极联结构。滤 波结构由设计者固定，但是它的参数可由自适应算法调整。 ( 2 )性能标准模块 话南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章自适应声回波抵消概述 回声消除是信号处理的核心问题之一，它的理论基础是自适应滤波。 1 9 6 5 年美国斯坦福大学建成了第一个自适应噪声州酮! 童耋鎏e 霎课j 刚若崩型 望弗翱崔鳞委。嗣但帮蠢掣乞曲刖上帝藿咚i 【! 御构m i 胂薹耄高醺甾鲞罕 毒助述霎名j 萎坤埔嚣名爆瞒| 月旦浔角l 哮莲憾憎裹答骂善副矧； 苦垲塑剧一零摹唷i 目 极大地改善话音通 信质量，使通话双方或多方能舒适地进行异地交谈。此外，将回声抵消器接 入各类现有的大中型会议室或娱乐场所的扩音系统，可消除因大音量激发的 啸叫声。也可将它接入广播电台现有的播音设备中消除热线对话时播音室内 回荡的啸叫声，从而免去对听众所持收音机位置的限制。 1 2 本文研究思路与主要工作 从实用的角度看，一个有效的回声抵消算法应该是高速，高效和简单易 行的。兼顾收敛速度快和易于实现两方面的要求，本课题设计的回声抵消器 应用了一种改进的变步长【ms 算法。该算法继承了l m s 类算法结构简单的 优点，以使之更适合声回声抵消器的要求。 本文主要工作安排如下： 在绪论中比较了线路回声抵消和声学回声抵消的相同和不同之处。主要 介绍了回声抵消算法研究的产生、发展的历史，国内外的研究现状以及其发 展趋势。 第二章对各种自适应滤波算法进行了较为系统的研究，分析了各种算法 之间的联系，并结合实际的声回波抵消算法的应用，重点研究了最小均方误 差“l m s ) 算法、归一化最小均方误差( n l m s ) 算法、工，m s 牛顿算法和递归最 小二乘( r l s ) 算法。 第三章为了解决最小均方i m s 算法的稳定性以及收敛速度和稳态误差 之间的矛盾，改进了一种自适应交步长的l m s 算法，分析了新算法的收敛 特性以及参数选择对算法性能的影响。算法具有较快的收敛速度、鲁棒稳定 性且运算量小，易于实现的特点。并将该算法进行m a t l b 仿真，仿真的 结果与理论分析相一致，证实了算法的收敛性能优于i m s 和n l m s 算法并 且具有较好的实用性。 第四章设计了基于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片的d s p 语音处理系统；语音处 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 。1 自适应滤波器原理框图 2 2 回声抵消的基本原理 回声抵消的基本原理可以概括为：自适应地合成回声，并从有回声干扰 的信号中减去该合成回声。”。 实际上，回声抵消器是噪声消除过程的一种形式。为了说明该原理，参 见图2 2 。它属于免提电话环境。 r 一 远处说话! 者信 “ 误差信 曲)申自 i _ j l 羹鼍 f环 】 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一i 回声消除嚣 西南交通大学硕士研究生学位论文劈1 1 页 图2 2 回声控制系统结构框图 示于图中的两个主要的功能单元是： ( 1 ) 扬声器机壳麦克风( l b m ，l o u d s p e a k e r - e n c l o s u r e - i c r o p h o n e ) ( 2 )回声抵消器( b c ) 图中，远端说话者的信号“( n ) 通过扬声器发出，被麦克风接收，而且与 l e m 的脉冲响应卷积产生一个输出d ) 。“) 由于被周围环境反射，信号 d ( n ) 受到回声的污染。 回声抵消器包含两个部分：( 1 ) 横向滤波器；( 2 ) 自适应和步长控制器。 横向滤波器用脉冲响应w ( n ) 与远端说话者信号“0 ) 卷积得到回声估计，并用 y ) 表示该估值。就所关心的回声抵消器而言，麦克风输出y ) 组成了“期 望响应”。从其输出d ( n ) 中减去滤波器所产生的“合成回声”y 0 ) ，即产生误 差信号e ) 。远端信号“( h ) 与的z ) 起到自适应和步长控制器的作用，以便按 照自适应算法调整滤波器的抽头权值，使得误差信号的均方值最小化。其结 果是，回声抵消器输出误差信号为受污染的本地说话者信号提供了一个估计。 2 3 自适应滤波算法 自适应滤波器最主要的特性就是能有效地在未知环境中跟踪时变的输入 信号，使输出信号达到最优。对实时性要求很强的通信系统，因为话路传输 条件的变化，系统本身一开始并不能完全确定下来，所以运用自适应滤波技 术来实现相关实时信号处理，其效果是明显的。 近三四十年来，随着现代通信不断向更高速、实时的方向发展，对声回 声抵消算法的研究也成为信号处理领域的热点问题。国内外一些学者针对回 声抵消中的自适应滤波器提出了许多有效算法，典型的有传统的基于最小平 方准则的【m s 算法及其变体算法n l m s 等；基于最小二乘方的r l s 算法：快 速横向滤波f r f 自适应算法外波包子带分解的算法以及块算法等。 2 3 1 标准l m s 算法 自w i d r o w h o f f 提出最小均方误差l m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) 算法后， 因其诸多优点得到了广泛应用。l m s 算法是随机梯度算法族中的一负。该算 法在随机输入维纳滤波器递归计算中使用确定性梯度。l m s 算法的显著特点 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 是它的简单性，它不需要计算有关的相关函数，也不需要矩阵求逆运算。 l m s 算法是线性自适应滤波算法，包括滤波和自适应两个基本过程a 其 步骤为：( a ) 计算线性滤波器输出对输入信号的响应；( b ) 通过比较输出结果 与期望响应产生估计误差；( c ) 根据估计误差自动调整滤波器参数。这两个过 程一起工作组成一个反馈环，如图2 3 所示： 图2 3 自适应横向滤波器框图 考虑对于一个横向滤波器，滤波器的阶数为m ，滤波器的期望输出为 d “) ，其抽头输入向量为u 0 ) a 函o l “g 一1 l ，“+ 1 圩，对应的抽头权 向量为诗b ) 。阮g l 血如i ，谚。一，0 灌。 通过l m s 算法计算这个向量所得的值表示一个估计，当迭代次数趋于无 穷时，该估计的期望值可能接近维纳解w 。 l m s 算法的梯度估计值v j 0 ) 2 p + 2 r w “) ，由相关矩阵r 和抽头输入 与期望相应之间的互相关向量p 得到。 估计器的最简单选择是使用基于抽头输入向量和期望相应的r 和p 的瞬 态估计，分别定义为食0 ) ；u ) l l ”0 ) ，垂0 ) ；u o p b ) ，因此梯度的瞬态估 计为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 钉) = 一2 u g k 如) + 2 h 如k h 如) 奔0 ) ( 2 1 ) 即l m s 算法的更新抽头向量的递归关系式为： 存0 + 1 ) 一讳仁) + 删0 ) 白0 ) 一u 8 以冷白) ) ( 2 2 ) 式中，是一个控制稳定性和收敛速度的待定常数参量，称之为环路增 益参量( 1 0 0 p g a i np a r a m e t c r ) 或步长因子( s t e p - s i z ef a c t o r ) 。 对于标准l m s 算法，步长参数岸分别取为o 0 7 5 。o 0 2 5 ，0 0 0 7 5 。如图 2 4 所示，可以看出其收敛速率在很大程度上取决于步长参数肛。当步长参 数大时( 如芦一0 0 7 5 ) ，均衡器收敛到稳态需要1 2 0 次迭代。当较小时 ( 口。0 0 0 7 5 ) ，收敛速率降低超过一个数量级。也表明平均均方误差的稳态 值随着“的变大而增大。 1 0 f 襄 娄 蒜 05 0 01 0 0 01 5 0 0 迭代次数 图2 4 改变步长参数口时l m s 算法的学习曲线 过去三四十年中，人们一直致力于i m s 算法的研究。其中最引人注目 的是优化理论。迄今己有各种改进型算法被提出来，而这些改进算法一般都 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 可以归结为步长因子口的某种取法。许多研究已证明，n 值与学习曲线的时 间常数成反比，与失调量成正比。即对其的优化只能在收敛速度和失调跫两 个指标之间取折衷，这种思想是以后各种改进算法，例如n l m s 的主要依据。 单纯i _ m s 算法的最大优点是算法简单，但其不足之处也是明显的。对 非平稳强相关的语音信号激励和冲激响应持续期很长的回波通道，u 阱s 算法 在时域直接实现时，辨识计算负担重，收敛速度慢。 2 3 2 归一化l m s 算法( n l m s ) n l 鹅滤波器与标准l 瞒滤波器在结构上完全一样，不同的仅在于权值控 制器的机理。n l m s 算法是对标准l m s 算法性能的一种改进。 n l m s 滤波器是最小干扰原理的一种表现形式，即从一次迭代到下一次 中，自适应滤波器的权向量应当以最小方式改变，而且受到更新的滤波器输 出施加的约束。 n l m s 滤波器的设计准则为约束优化问题：即给定抽头输入向量u 0 ) 和目 标响应d 缸) ，确定更新的抽头向量啼i + 1 ) ，使得增量 脚“+ 1 ) z 啼如+ 1 ) 一啼仁) 的欧式范数最小化，并受制于约束条件 啼8 仁+ 1 ) u g ) 一d g ) 。 考虑新的代价函数j b ) ；0 赫0 + 1 2 + r e h 0 协) 一啼”0 + 1 ) i i ( n ) ) 其中，a 为复数拉格朗日乘子，r e 【| 表示取实部运算，约束对代价函数的贡 献是实值的，l i 旆0 + 1 1 2 表示欧式范数的平方运算，也是实值的。从而，代 价函数是实值的二次函数，表示为： - ，g ) = ( 由0 + 1 ) 一骨如) ) 目( 诗b + 1 ) 一啼g ) ) + r e 防0 ) 一谛”如+ 1 ) u b ) ) 】 通过代价函数 ，仁) 对啼“+ 1 ) 的求导得： i 端t 2 ( 龠+ 1 ) 一南o ) ) 一r u ) 令其为零，得最优解：龠0 + 1 ) = 谛( n ) + 娄a u 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图2 6 具有时变抽头权值的横向滤波器 输出信号 y ( n ) r l s 算法使用指数加权的误差平方和作为代价函数，即有： ，o ) ；薹槲 其中n 是可测数据的可变长度，另外e ( f ) 是期望响应d ( f ) 与i 时刻抽头输 入为”( f l “( f 一1 l ，“( f m + 1 ) 的横向滤波器输出y ( f ) 之差： 已0 ) 置d o ) 一) ，g ) 一d ( f ) 一w 8 g m ) 另外加权因子oc t 1 称为遗忘因子，其作用是对离n 时刻越近的误差加比较 大的权重，而离n 时刻越远的误差加比较小的权重。即a 对各个时刻的误差 具有一定的遗忘作用。 加权误差平方和的完整表达式为： ，o ) = 宝刀。p ( f ) 一w 8 0 ) i i ( f 1 2 由罢掣；o ，得r 白) w 仁) r o ) ，其解为w o ) 。r 一- 如) r 仁) 。 d w 式中r b ) 。著刀。u ( f ) ”( f ) ，r o ) 。著”。o p ( f ) 。进而得到其递推估计公式： r “) 一旯r g 一1 ) + u “h ”g ) r b ) - a r 一1 ) + u o k 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 使用矩阵求逆引理，可得逆矩阵p ) = r 一1 0 ) 的递推公式： 酬甘，一篆黼 一沁0 1 ) 一k 扣) i i ”( n ) p “一1 ) j 式中，k g ) 为增益向量： 蚺熹 易证，k 0 ) 与p 0 ) 有如下关系： p 0 h 协) - k 0 ) 将以上结果代入w 如) = r 4 0 k 仁) ，简化可得权向量更新公式： 式中 w 如) = w 9 1 + d ：k 9 3 + k 仁h 肝仁) w 仁一1 ) ( 2 5 ) 一w 0 一1 ) + k o k + 如) 。 为先验估计误差。 2 4 本章小结 e “) - d 0 ) 一u 0 ) h ，0 1 ) 一d “) 一w 8 缸一1 k ) 本章对各种自适应滤波算法进行了较为系统的研究，分析了各种算法之 间的联系，并结合实际的声回波抵消算法的应用，重点研究了最小均方误差 ( ( l m s ) 算法、归一化最小均方误差( n l m s ) 算法、l m s 牛顿算法和递归最小 二乘( r l s ) 算法。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 第三章变步长l m s 回声抵消算法的研究 3 1 变步长l m s ( v i a b l e s t e p s iz el m s ) 算法 【m s 算法简单有效，易于实现，但其在收敛速度、时变系统跟踪速度与 收敛精度等方面对值大小的选取要求是相互矛盾的。是控制自适应速度与 稳定性的增益常数，又叫收敛因子或步长因子。”。该算法中步长因子对算法 的性能有决定性的影响。p 较小时，算法收敛慢，但稳态失调误差小。( 假 设其取值在收敛范围之o t p c l 枷，a 。是相关矩阵r 的最大特征值) 较 大时，算法收敛速度快，但稳态失调误差大。可见，该算法在收敛速度与稳态失 调误差之间存在着矛盾，因此，需要改进卢。本文在文献【2 7 ，3 6 ，3 7 】的基础 上改进了一种兼顾收敛性、鲁棒稳定性的变步长的u s 算法简称v s s l m s 算法，它的步长随着瞬时输入功率的变化自适应地调整，具有较快的收敛速 度和很好的稳定性。同时，本文还通过理论论证和仿真研究对该算法进行了 详细的分析。 3 1 1 算法的推导 l m s 算法采用了平方误差的瞬时梯度近似均方误差梯度，在n + 1 时刻， 其权值修正量6 谛( h + 1 ) 正比于，l 时刻的误差面梯度估计奇( n ) ，即： 6 骨( n + 1 ) t 膏( n + 1 ) 一亩( n ) 一一委审o )( 3 1 ) 审( n ) - u ( n ) e 0 )( 3 2 ) 考虑到原算法在权修正量与梯度估计之间人为地引入了一个时延，为了 校正这个时延，可以用现时的梯度估计代替前一时刻的梯度估计，即把式( 3 1 ) 修改为： 6 谛( n + 1 ) 。一昙审( n + 1 )( 3 3 ) 式( 3 - 3 ) 用瞬时梯度信息可表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 讳( n + 1 ) 暑骨( 凡) + 卢u ( + 1 ) e + ( 九+ i )( 3 4 ) 【，+2u(凡+1)u”(，l+1)】谛(托+1)=龠(n)+肛u(n+1)d+1)( 3 5 ) 其中i 为l l 阶单位矩阵。因而有 龠( n + 1 ) 一【，+ 2 肛u ( n + 1 ) u ”( n + 1 ) 】- 1 【啼( ，1 ) + p u ( n + 1 ) d o + 1 ) 】( 3 6 )利用矩阵求逆引理： 【 + a 朋圩r 1 鲁4 _ 1 + 卢4 1 上璩甘a 1 其中，a为非奇异ll阶方阵，b为l维列向量，标量口，口满足如下关系：a 一1 + 口一日汀爿。1 占 将矩阵求逆引理应用于式( 3 6 ) ，有： 啼(+1)i谛(n)+了jj；五育_i二翻u(蚪+1)【d(n+1)一谛“(，1)u(，l+1)】- 谛( 以) + 妇0 + 1 ) u _ + 1 ) 0 + 1 ) (37)式中：( n + 1 ) - 【d ( ，l + 1 ) 一啼”( 雄) u ( n + 1 ) 】 芦”驴i孑茁而上面的式( 3 7 ) 就是导出的变步长u s 算法的权系数更新公式。显然， 0+1)是用前一时刻的权值对现在的数据进行处理所产生的误差输出，而自适应步长+1)是可变的收敛因予，它随着输入信号功率 一(h+1)u(，l+1)的变化而调整，加快了收敛速度使s算法的性能有了很大的改进。312算法的仿真在lms算法中，芦的选取必须在收敛速度和失调之间取得较好的折中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 法在取不同的值下的均方误差学习曲线。其中变步长l m s 算法的p 分别 取值0 5 ，1 和2 时的学习曲线。从图3 - 2 上还可以看出，当取值较望hi 饕型矗於窨妻瑟鞭貉越移雇# 秸j 鳍鞘蠢露嗣掣缓：勇匿羽崭羹塌薹描嗡 制瑙落篷满剿幂：器蛩鉴彰氡州霸翻；嚣那叁职回霎曼新蝼。m 弹斐晕簿 鳇囊垡尹鏊鐾蘸囊囊鬈秀薹薹二 蓁 雾 嚣 一4 ) 2 3 4r l s 算法 最小二乘( l s ) 法是一种典型的有效的数据处理方法。它的提出和应用 可以追溯到1 7 9 5 年，是由著名学者高斯提出的，高斯认为，根据所获得的 观测数据来推测参数时，未知参数最可能的值是这样一个数据，即它使各项 实际观测值和计算值之间的差的平方乘以度量其精度的数值以后的和为最 小。这就是最小二乘法的最早的思想。 递归最小二乘算法( r l s ) 是最小二乘算法的一类快速算法。即给定n 一1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 一般放置于带有数字或模拟线路接口音频终端内部。该协议提出了a e c 必须 遵守的一些设计要求，定义了相关测试项x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 3 2 2 处理单元 处理单元包括终端内所有用于信号处理功能的部分。一般的信号处理功 能包括以下几个方面： ( 1 1 音频信号的线性刽d 和d a 转换 ( 2 ) 执行声回声控制的信号处理 ( 3 ) 执行其他功能的信号处理，例如噪声抵消，空间回响的消除等 ( 4 ) 音频信号一些编码格式的转换处理 3 2 3 电声转换器和相关辅助电路 电声变换器包括麦克风和扬声器；辅助电路可能包括放大器、开关及电平 转换器等用户可操作或可自动调节的设备，它们共同成为终端的必要组成部 分。 3 3 基于变步长l m s 回声抵消器的结构规划 参考g 1 6 7 关于a e c 的设计要求，本设计对采用变步长自适应方案的回 声抵消器作了如下结构规划。 3 3 ，功能方框图 本设计采用的a e c 功能框图如图3 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 图3 4 回声抵消器的功能方框图 框图功能说明： 近端麦克风信号先经过预放大后作为用户接口s i n 的输入，然后经由a 佃 转换器件完成语音编码等转换，送入d s p 作算法处理，最后经网络接口s o u t 发送至远端。扬声器1 为本地语音的放大输出。 远端信号经由网络接口r i n 到达本地，先进入d s p 进行算法处理，然后 经过d a 转换器件进行解码等转换，最后经扬声器r o u t 放大，在本地形成 语音。 整个回声抵消算法以及相关控制功能全部由信号处理单元d s p 软件实 现。 3 3 2 回声抵消器各部分的组成及说明 为了达到抵消回声的目的，一般来说，自适应回波抵消器( 见图3 - 5 ) 应 该包括自适应滤波，控制单元，语音检测，非线性处理和舒适噪声产生五个 基本功能模块。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 图3 5 回声抵消器的组成 回声抵消器是远端语音信号y 例和近端输入信号s ( n ) 的一个横向滤波器， 其中y 是参考输入信号，s 由两部分组成：参考输入信号y m 的回声信 号，佛，和来自近端的语音信号z 似，。自适应滤波器输出的是预测出的回声信 号：r 甜f 例，近端信号s m 和预测出的回声信号的差值是误差信号e 例误差信 号e m 要回馈到滤波器中用于调整该横向滤波器的系数一，调整系数的目的 是要使实际的回声信号和预测出的回声信号之间的均方误差最小。下面简单 介绍一下各模块的功能。 1 自适应滤波 自适应滤波器是回声抵消器的核心部分，它用于产生一个与真实声回波 相类似的模拟回波，真实回波与模拟回波相减后，可以大幅度的降低传回远 端的回波电平，这种抵消声回波的方法对近端语音信号几乎没有任何损伤。 自适应滤波部分同时受到控制单元的约束，在特定的条件下进行滤波器滤波 系数的更新或停止滤波器滤波系数的更新。 2 控制单元 控制单元同时从远端和近端采集信号，以确定当时两端信号的状态，根 据语音检测的结果以确定自适应滤波部分，非线性处理部分和舒适噪声产生 部分是否工作。 3 语音检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 即有声无声判决，是自适应滤波算法的重要前提和基础，其结果直接决 定了是否需要滤波、替换系数、既滤波又替换系数或停止自适应滤波。在 a e c 中采用了三个语音检测器，即远端语音检测器、近端语音检测器、双向 讲话检测器。 ( 1 ) 远端信号检测 当远端信号功率较小时，容易导致滤波器发散，因此，回声抵消器需要 具有远端信号检测的功能，已确保远端信号功率满足自适应算法的要求时， 才进行滤波器权系数调整。 ( 2 ) 近端信号检测 当近端有信号时，自适应滤波器进行调整所用的误差信号不再仅仅是抵 消后的残留回波，还包括近端语音信号，这时应暂停自适应滤波器的调整， 否则容易引起自适应滤波器的误调，甚至导致其发散，因此，回波抵消器也 必须有近端信号检测功能，以确保自适应滤波器的正常工作。 ( 3 ) 双讲检测 远端或近端语音检测器检测是否只有远端或近端在讲话，而双讲检测 ( d o u b l et a l kd e t e c t i o n ，d t d ) 则主要检测通话双方是否同时在讲话。 4 残留回波的非线性处理 在实际应用中由于种种原因不能将回波完全抵消，即存在残留回波，为 了提高回波抵消器的性能，在残留回波功率小到一定程度后，对其进行某种 非线性处理，可以进一步减小残留回波的功率。 5 舒适背景噪声产生 对残留回声进行非线性处理后，常常给远端听者一种完全寂静的感觉， 远端听者会误认为线路中断，为避免这种情况发生，需要给听者提供一个与 近端背景噪声电平相适应的噪声，该噪声称为舒适噪声。 回声抵消器要具有良好的性能，不仅仅要实现回波抵消，还要完成语音 信号的检测，残留回波的非线性处理，以及产生舒适噪声等许多功能。工作 中，我们对回声抵消器的实时性有很高的要求。因此，对系统的计算速度和 存贮容量有较高的要求。 3 。4 本章小结 本章为了解决最小均方u s 算法的稳定性以及收敛速度和稳态误差之 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 贾 间的矛盾，研究了一种自适应变步长的l m s 算法，分析了新算法的收敛特 性以及参数选择对算法性能的影响。算法具有较快的收敛速度、鲁棒稳定性 且运算小易于实现的特点。并将该算法进行m 灯乙b 仿真，计算机仿真的 结果理论分析相一致，证实了算法的收敛性能优于l 1 s 和n l m s 算法并且 具有较好的实用性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 控制逻辑由控制逻辑模块完成，所选用的可编程逻辑器件可以在线或离线更 改控制逻辑，便于系统升级。a d 转换器负责按设定的采样率、精度和增益 将模拟信号转化为数字信号，通过串口传输给d s p 处理器。系统使用标准的 j t a g 接口和开发机接口。 图4 1 系统的组成原理框图 4 2 硬件系统的实现 4 2 1t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 黍孑介 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 数字信号处理器( 以下简称c 5 4 0 2 ) 是t i 公司生产的新一 代定点d s p 芯片，时钟频率1 0 0 m h z ，性价比极高，是目前定点d s p 的主流 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 产品。它具有一个4 0 位的算术逻辑运算单元，内含两个累加器和一个4 0 位 的桶形移位器，能在单周期内完成3 2 位操作数的加，减法运算。c 5 4 0 2 片内 有8 条数据或地址总线，构成增强型哈佛结构的总线系统。指令按流水线方 式执行，能在单周期内完成读两个操作数和写一个操作数的操作。为了充分 利用这种多总线结构和流水线操作的优点，t i 公司专门开发了一套并行指 令，能在单周期内执行一次存储力口载操作和一次算术运算。 c 5 4 0 2 内部有1 6 k 5 1 6 b i t sd a r a m 和4 凸1 6 b i t sr o m ，可以作为程序存 储器或数据存储器，另外还有两个多通道缓冲串行口、一个8 位h p i 接口、 两个1 6 位定时器、一个六通道d m a 控制器和一个p l l 时钟发生器。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 的主要特性如下：模块组成： a 中央处理单元( c p u ) c p u 包含下列单元： 1 4 0 位算数逻辑单元( a l u ) ，包括一个4 0 位的桶式移位器和两个独立 的4 0 位累加器。 2 1 7 位乘1 7 位并行乘法器和一个4 0 位专用的加法器，用于非流水线的 单周期乘法，累加操作。 3 比较、选择、存储单元( c s s u ) ，用于维特比算子的加法和比较选择。 指数编码器，用来在一个单周期内计算一个4 0 位累加器中数值的指数。 4 两个地址产生器，包括八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元。 b 内部总线结构 c 5 4 x 有八条1 6 总线，包括四条程序，数据总线和四条地址总线，因此， 可以在每个指令周期内产生两个数据存储地址，大大提高了并行数据处理的 速度。 c 特殊功能寄存器 c 5 4 x 共有2 6 个特殊功能寄存器，用于对片内各功能模块进行控制、 访问和其他管理。这些寄存器位于一个具有特殊功能的c p u 映射存储区内。 c 5 4 0 2 的特殊功能寄存器映射到在片上d r a m 的0 0 一1 a 单元。 d 存贮器 存贮区分为r a m 和r o m 。r a m 又分为d r a m ( 每个指令周期内进 行两次存取操作) 和s r a m ( 每个指令周期进行一次存储操作) 。d r a m 除了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 进行双操作，还可以当作单操作使用。c 5 4 0 2 片内有1 6 k 双访问随机存取 存储器( d r a m ) 。 存贮区是存贮程序和数据的，既可以分布在片内，又可以在片外。一般， 程序空间定位在r o m 中，数据空间定位在r a m 中。但数据空间不一定 只定位在r a m 中，也可以在r o m 中。通过不同配置可以将数据空间映 射到r o m 中。程序空间也不一定只在r o m 中，也定位在r a m 中。当 运行程序时，可以用自动加载的方法将程序载入片内快速d r a m 中，提高 运行效率。不同c 5 4 x 的r o m 容量有不同配置。不同c 5 4 x 的d r a m 和 s r a m 的容量、存储速度不同。c 5 4 0 2 片内有1 6 k 的d r a m ，4 k 已经固 化的r o m 。c 5 4 0 2 最大可以访问6 4 k 字的数据空间，可以访问1 m 的程 序空间。除了可以访问数据空间与程序空间外，c 5 4 x 还可以管理6 4 k 字 i o 空间。 e 片内外设 c 5 4 x 的片内外设依据型号各有不同。c 5 4 0 2 的外设具有如下特点： ( 1 ) 主机通信接口( h p i ) h p i 提供c 5 4 x 与主处理器之间通信的并行接口，实质是通过 c 5 4 x d s p 的片内存储器实现c 5 4 x 和主处理器之间的数据交换。不同型号 的c 5 4 x 的h p i 功能和配置不同。 ( 2 ) 串行接口 c 5 4 x 的串行接口随器件的不同而不同，共有四种不同的串行接口：同 步串行接口，带缓冲的同步串行接口，时分复用串行接口和多通道缓冲串行 接口( m c b s p ) 。c 5 4 0 2 有两个多通道缓冲串行口。 ( 3 ) 定时器 c 5 4 0 2 带有两个1 6 位定时器。定时器可以有一个专门的状态位编程实 现停止、重启动、复位和禁止。 ( 4 ) 直接存储器访问控制器( d m a ) d m a 控制器不需要c p u 的参与，完成存储器映射区之间的数据传输。 d m a 具有6 个互相独立可编程的传输通道，允许有6 种不同内容的d m a 传输。 f 中断 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 c 5 4 x 具有丰富的中断系统，最高中断深度达九级。中断分为不可屏蔽 中断与可屏蔽中断。可屏蔽中断又有硬中断，软中断。 与t m s 3 2 0 c 5 4 x 的硬件相适应，c 5 4 x 的软件是其一大特色。c 5 4 x 的 软件是为信号处理专门设计的。c 5 4 x 具有丰富的指令集和灵活的寻址方式。 其中，有六条流水线操作，有硬件中断可进行九级中断，而且大部分中断可 以通过软件灵活的控制。c 5 4 x 的中断可以由硬件驱动或软件驱动。c 5 4 x 系列d s p 为用户构建系统提供了灵话丰富的中断资源。 4 2 2 外部存储器的扩展 tms320vc5402内部的16k字的dram存储器，在默认的状态下，既 可以映射到程序空间，也可以映射为数据空间，但它内部没有非易失存储器以保护代码。因此必须外扩非易失存储器。根据系统设计用途和使用目的不 同，可选择不同的b o o t l o a d e r 方式，因而外扩存储器类型不同，所配置的空 间也不同。在本系统的设计中，选择使用并行1 6 位引导方式，这样所扩展的 非易失存储器，必须配置到数据区，来保存程序源代码。tms320vc5402系 统进行外部程序存储器扩展的主要原因是内部的程序区容量不够使用，或者 是内部的存储器被单一用做数据区使用，这时也必须外扩以加载运行程序。本系统在设计时同时外扩了程序区和数据区存储器。在选择具体的芯片 时，主要考虑了以下的系统要求：低电压工作、接口速度、容量、时序要求等 因素。tms320vc5402内部设有软件可编程等待发生器，对不同的地址空间 可设置不同的存取等待周期，以便和不同速度的器件接口。设计接口的重点 是接口时序的分析设计，然后由控制逻辑生成所要求的控制时序。( 1 ) 程序区接口设计 s r a m 采用的是c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 ，c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 是c m o s型的异步静态ram，33v供电，容量为64k字。存取速度为12ns，最高工 作频率可以达到80mhz，最大峰值功耗为576mw，满足系统使用要求。对读写控制时序，应该保证在控制信号的有效期到达后，数据由足够长的保持时间和裕量，以保证读写的可靠性。设计中使得5402内部的16k双操作存储器既可以映射到程序区，又可以映射到数据存储块的存储器。在程序区的高端有4k的内部rom，其内存放着启动代码等。设计中将cy7c1021v33(64均作为程序区。这样程序存倍 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 区地址分配如下： 0 0 0 0 h 3 f f f h 内部的存储区( 0 v l y = 1 ，m 洲p = 0 ) ，1 6 k 4 0 0 0 h e f f f h对应c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 的4 0 0 0 h e f f f h 4 4 k f 0 0 0 h f f f f h内部的4 k 固化存储区，4 k 1 0 0 0 0 h 以上保留 ( 2 ) 数据区接口设计 f l x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第38页 生产的m a x 7 0 0 0 s 系列的e p l d 器件。m a x 7 0 0 0