回音抵消技术的探讨厦门科技信息网厦门科技信息网

1、信息技术回音抵消技术 的探讨厦门科技信息网厦 门科技信息网回音抵消技术的探讨陈立峰 回波的分类及产生原因 通信系统中回波包括电学回声和声学回声。于 PSTN 中，为了降低 中心局和 用户之间 线的价格，用户线 间 的连接采用俩线制；而 中心局之间连接采用四线制。于采用的混合电路 中， 由于阻抗的失配，会不可防止地产生电流泄漏。电流泄漏使得壹局部信号 的能量 反射回信号源，这种反射和信道延迟结合于壹起，使讲话者听到自己的 声音或者 回声，听话者也听到回声，即为电学回声。声学回声是指扬声器播出的声音于被受话方听到的同时,也通过多种路径被麦克风拾取到。 多路径反射的结果产生了不同延时的回声 ,包括直

2、接回声和间 接回 声。直接回声是指由扬声器播出的声音未经任何反射直接进入麦克风。这 种回声 的延时最短 ,它同远端说话者的语音能量 ,扬声器和麦克风之间的距离、 角度 ,扬声 器的播放音量 ,麦克风的拾取灵敏度等因素直接关联 ;而间接回声是 指由扬声器播 出的声音经过不同的路径 如房屋或房屋内的任何物体 的壹 次或屡次反射后进入 麦克风所产生的回声的集合。房屋内的任何物体的任何变 动均会改变回声的通 道。因此 ,这种回声的特点是多路径的、时变的。回音控制技术开展历史为控制回音的影响 ,人们最早提出的是“通过网络衰减的方法。该方法于 发 送和接收方向上分别插入壹个衰减器 , 所以 ,回音的衰减比

3、话音的衰减大 2 倍 然 而 ,当通信距离很长时 ,由于话路会经过许多衰减器 ,因此话音衰减随着传输距离的 增加而增加 ,最后可能导致话音电平降到无法听清楚的地步。这壹缺点,使得“通过网络衰减的方法的实用性受到很大限制20 世纪 50 年代 ,人们于“通过网络衰减技术的根底上提出了回音抑制器技 术。回音抑制器通过开启发送路径或于发送路径上插入较大的衰减来到达 控制回 音的目的。理想情况下 ,回音抑制器应于远端用户说话时开启发送路径 而于远端用 户接收时关闭发送路径。然而 ,这很难做到 ,即使是最好的回音抑制 器也经常同时 将远端用户的回音和壹局部远端用户正于接收的话音同时去除， 因此回音抑制器

4、 要求通话的双方均很礼貌。 当远端用户打断近端用户的话时 回音抑制器往往会开 启发送路径 ,从而使近端用户的话音受到抑制。之上俩种方法均存于较大缺陷和局限性。鉴于“通过网络衰减 及回音抑制器方法存于的上述缺陷 ,人们迫切希望 能发 明壹种新技术以便有效地控制回音的影响。 20 世纪 60 年代 ,朗讯科技贝 尔实验室 首先提出回音抵消器技术 ,由于回音抵消器技术的自适应滤波方法有 望克服以往 方法存于的缺陷 ,该技术提出后 ,得到广阔专家和厂家的推广和重视。 60 年代后期 , 美国通信卫星公司首先推出第壹批模拟回音抵消系统,但该系统由于体积及制造 本钱等原因 ,没有得到商业推广。 1979

5、年 ,贝尔实验室研制成功第壹批数字回音 抵 消器产品。数字回音抵消器产品的诞生 , 标志着回音控制技术进入了壹个新 纪元。自适应回音抵消理论 自适应回音抵消的基 本思想是估计回音路径的特征参数 ,产生壹个模拟的回 音路径 ,得出模拟回音信 号 ,从接收信号中减去该信号 , 实现回音抵消。其关键就是 得到回声路径的冲击 响应 ,由于回音路径通常是未知的和时变的 ,所以壹般采用自 适应滤波器来模拟 回音路径。 自适应回音消除的显著特点是实时跟踪， 实时性强。1、自适应滤波器的结构图 1 自适应滤波器的结构图 1 中所示的滤波器的输入是，滤波器的权系数是，为期望输出信号，为滤 波器的实际输出，也称估

6、计值， 。是误差，。由误差经过壹定的自适应滤波 算法来 调整滤波系数，使得滤波器的实际输出接近期望输出信号。2、自适应回音消除的实现原理图 2 给出了单向传输的声学消回声器 AEC(AcousticEchoCancellation) 的原理图。 图中 y(n) 代表来自远端的信号 ,r(n) 是经过回声通道而产生的不期望的回声 ,x(n) 是 近端的语音信号。 D 口的近端信号叠加有不期望的回声。对消回声器来说 , 接收到 的远端信号作为壹个参考信号 ,消回声器根据它由自适应滤波器产生回 声的估计 值,将从近端带有回声的语音信号减去 ,就得到近端传送出去的信号。 于理想情况 下,经过消回声处理

7、后 ,残留的回声误差将为 0 ，从而实现回音消除。图 2AEC 原理图 回音抵消的主要性能指标 收敛速度：滤波器的收敛速度越快越好，使正常通话开始后，通话者很快就 感 觉不到明显的回波存于。稳态残留回波：即当滤波器收敛到达稳态后的回波输出量，实际中总是希望 该参数越小越好。ITU-TG.168 对各种回音抵消器产品于包括之上俩个主要指标于内的各种指 标规定了必须到达的标准。目前常见的自适应算法研究和比拟常见自适应滤波算法有：递推最小二乘算法，最小均方误差算法，归壹化均 方误差算法，快速精确最小均方误差算法，子带滤波，频域的自适应滤波等等。其中最典型最有代表性的俩类自适应算法就是递推最小二乘算法

8、和最小均 方误差算法，以下对几种较常用的算法进行介绍：1、递归最小二乘法 (RLS)RLS 算法的根本方法为 :K(n)称为Kalman增益向量，入是壹个加权因子，其取值范围0< ?<1，该算法的初始 化 壹般令H(-1)=0及P(-1)=1/凡其中3是小的正数。2、最小均方误差算法 ( LMS ) 最小均方误差算法 ( LMS ) 是壹种用瞬时值估计梯度矢量的方法，即(1) 按照自适应滤波器滤波系数矢量的变化和梯度矢量估计的方向之间的关系， 能够 写出 LMS 算法调整滤波器系数的公式如下所示：(2) 上式中的为步长因子。值越大，算法收敛越快，但稳态误差也越大；值越 小，算 法收

9、敛越慢，但稳态误差也越小。为保证算法稳态收敛，应使于以下范 围取值：从收敛速度来见， RLS 算法明显优于 LMS 算法 ，但 RLS 算法于运算上却 比 LMS 算法复杂得多 ，为了减小计算复杂度 ，且保存 RLS 的收敛性能 ，人们提 出了壹些改良 的 RLS 算法。如 RLS 格型算法 ，快速 RLS 算法，梯度格型算法 ， 快速横向滤波器算法等。 总的来见 ，这些以收敛法均是以运算速度换取运算复 杂性。于是人们研究介于俩者之间的壹种算法 ，如共轭梯度法、自仿射投影算法等。 共轭梯度法不需要 RLS 中的矩阵运算 ，也没有某些快速 RLS 算法存于的不稳定 问题 但它的缺点是稳态误差比拟

10、大。而LMS算法的优点是运算简便，但它只有壹个可调整参数，即步长因子卩能够 用来控制收敛速率，由于的选择受系统稳定性的限制，因此，算法的收敛速度 受到 很大限制。为了加快收敛速度人们提出许多改良的 LMS 算法。( 1)块处理 LMS 算法( BLMS )为了对付LMS运算量大的问题，于LMS根底上提出了块处理LMS (BLMS)。 它和 LMS 算法不同的是： LMS 算法是每来壹个采样点就调整壹次滤波器权值； 而 BLMS 算法是每 K 采样点才对滤波器的权值更新壹次。这样 BLMS 算法的运 算量就比 LMS 的运算量要小的多，但它的收敛速度却和 LMS 算法相同，具体 算 法如下：由(

11、 2 )式可知，那么能够推出( 3 )将( 3 )式带入( 2)式得：依次类推可得：( 2)能量归壹化 LMS 算法( NLMS ) 针对算法收敛时间依赖输入信号功 率的问题，将自适应滤波器系数的调整量用输 入信号的功率进行归壹化， 称为 归壹化的最小均方算法 (NLMS )，具体算法如下：其中a (k)为滤波器的系数，e (n)为误差信号，为固定环路增益，N为滤波器 系数，为参考信号的能量估计。( 3)归壹化块处理 LMS 算法( BNLMS )结合之上 NLMS 和 BLMS 俩者的特点那么有归壹化块处理 LMS ( BNLMS )。( 4)变步长 LMS 算法而针对卩值，人们研究了许多变

12、步长LMS算法，壹般是于滤波器工作的开始 阶段米用较大的值，以加快收敛速度，而于后阶段米用较小的卩值，能够减小稳态误差。这类算法的关键是确定于整个过程中M直如何变化或值于何种条件满足下 才改变。综合之上，自适应算法中最简单、 运算量最小的是以 LMS 为代表的壹类 算法， 如 NLMS 、BLMS 算法等，但同时他们也存于着收敛慢的缺点；和之相 反的是另 壹个极端，是以 RLS 等为代表的各种算法，他们虽收敛速度很快，但 运算量很大；近些年兴起的AP 仿射投影，CG 共轭梯度，FN 快速牛 顿 等算法，那么是于 运算量和收敛速度之间作适当折衷，从而获得了广泛的应 用。回忆和展望 综上所述，回音

13、抵消的核心就是壹个采用自适应算法的滤波 器，虽然以前自 适应信号理论开展迅速，但由于受到硬件的限制而难以实现， 壹直到上世纪 70 年代末 80 年代初，随着世界上第壹片单片可编程 DSP 芯片 的诞生，才将理论广 泛地应用到低本钱的实际系统中，从而推动了新理论和应 用领域的开展。DSP 芯片是以数字信号处理为根底的，具有数字信号处理全部优点：改良 的 哈佛结构，具有深达 6 级流水线的结构，专用的硬件乘法器，速度快，精度 高， 稳定性好，接口方便简单，集成度高，可重复性好，保密性好，最重要的 是具有 壹些特殊的指令结构， 如 MAX ， MIN ， FIRS， LMS 等指令。其中指令 LMS 为 自适应滤波器的实现自适应算法提供了最大的方便。 所以用 DSP 芯片实现 回音抵 消具有很大优势。随着通信的开展，通话距离也越来越长，使得信号延迟大大增加，回音现 象 也就更加严重。对回音抵消的需求同时也大大促进了回音抵消技术理论的发 展。总之，于回音抵消各种自适应滤波算法中，根据实际应用