回音抵消技术的探讨-厦门科技信息网-厦门科技信息网

1、.：.；- PAGE 6 -回音抵消技术的讨论陈立峰 回波的分类及产生缘由通讯系统中回波包括电学回声和声学回声。在PSTN中，为了降低中心局与用户之间线的价钱，用户线间的衔接采用两线制；而中心局之间衔接采用四线制。在采用的混合电路中，由于阻抗的失配，会不可防止地产生电流走漏。电流走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同，使讲话者听到本人的声音或者回声，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在被受话方听到的同时,也经过多种途径被麦克风拾取到。多途径反射的结果产生了不同延时的回声 ,包括直接回声和间接回声。直接回声是指由扬声器播出的声音未经任何反射直

2、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 ,扬声器与麦克风之间的间隔 、角度 ,扬声器的播放音量 ,麦克风的拾取灵敏度等要素直接相关 ;而间接回声是指由扬声器播出的声音经过不同的途径 (如房屋或房屋内的任何物体 )的一次或多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都会改动回声的通道。因此 ,这种回声的特点是多途径的、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“经过网络衰减的方法。该方法在发送和接纳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。然而,当通讯间隔 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间

3、隔 的添加而添加,最后能够导致话音电平降到无法听清楚的地步。这一缺陷,使得“经过网络衰减的方法的适用性遭到很大限制。20世纪50年代,人们在“经过网络衰减技术的根底上提出了回音抑制器技术。回音抑制器经过开启发送途径或在发送途径上插入较大的衰减来到达控制回音的目的。理想情况下,回音抑制器应在远端用户说话时开启发送途径而在远端用户接纳时封锁发送途径。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一部分远端用户正在接纳的话音同时去除，因此回音抑制器要求通话的双方都很礼貌。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途径,从而使近端用户的话音遭到抑制。以上两种方法都存在

4、较大缺陷和局限性。鉴于“经过网络衰减及回音抑制器方法存在的上述缺陷,人们迫切希望能发明一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顺应滤波方法有望抑制以往方法存在的缺陷,该技术提出后,得到宽广专家与厂家的推行与注重。60年代后期,美国通讯卫星公司首先推出第一批模拟回音抵消系统,但该系统由于体积及制造本钱等缘由,没有得到商业推行。1979年,贝尔实验室研制胜利第一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一个新纪元。自顺应回音抵消实际自顺应回音抵消的根本思想是估计回音途径的特征参数, 产生一个

5、模拟的回音途径, 得出模拟回音信号, 从接纳信号中减去该信号,实现回音抵消。其关键就是得到回声途径的冲击呼应 ,由于回音途径通常是未知的和时变的,所以普通采用自顺应滤波器来模拟回音途径。自顺应回音消除的显著特点是实时跟踪，实时性强。1、自顺应滤波器的构造图 1自顺应滤波器的构造图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，为滤波器的实践输出，也称估计值，。是误差，。由误差经过一定的自顺应滤波算法来调整滤波系数，使得滤波器的实践输出接近期望输出信号。2、自顺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( Acoustic Echo Cancellation)的

6、原理图。图中 y( n)代表远端的信号 , 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 ,接纳到的远端信号作为一个参考信号 ,消回声器根据它由自顺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 。在理想情况下 ,经过消回声处置后 ,残留的回声误差 将为0，从而实现回音消除。图2 AEC原理图回音抵消的主要性能目的收敛速度：滤波器的收敛速度越快越好，使正常通话开场后，通话者很快就觉得不到明显的回波存在。稳态残留回波：即当滤波器收敛到达稳态后的回波输出量，实践中总是希望该参

7、数越小越好。ITU-T G.168对各种回音抵消器产品在包括以上两个主要目的在内的各种目的规定了必需到达的规范。目前常见的自顺应算法研讨与比较常见自顺应滤波算法有：递推最小二乘算法，最小均方误差算法，归一化均方误差算法，快速准确最小均方误差算法，子带滤波，频域的自顺应滤波等等。其中最典型最有代表性的两类自顺应算法就是递推最小二乘算法和最小均方误差算法，以下对几种较常用的算法进展引见：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,是一个加权因子,其取值范围0 1 ,该算法的初始化普通令H( - 1) = 0及P( - 1) = 1/I,其中是小的正数

8、。2、最小均方误差算法LMS最小均方误差算法LMS是一种用瞬时值估计梯度矢量的方法，即 1按照自顺应滤波器滤波系数矢量的变化与梯度矢量估计的方向之间的关系，可以写出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，算法收敛越慢，但稳态误差也越小。为保证算法稳态收敛，应使在以下范围取值：从收敛速度来看，RLS 算法明显优于LMS 算法,但RLS 算法在运算上却比LMS 算法复杂得多,为了减小计算复杂度,并保管RLS 的收敛性能,人们提出了一些改良的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

9、。总的来看,这些以收敛法都是以运算速度换取运算复杂性。于是人们研讨介于两者之间的一种算法, 如共轭梯度法、自仿射投影算法 等。共轭梯度法不需求RLS 中的矩阵运算,也没有某些快速RLS 算法存在的不稳定问题,但它的缺陷是稳态误差比较大。而LMS 算法的优点是运算简便,但它只需一个可调整参数,即步长因子 ,可以用来控制收敛速率, 由于 的选择受系统稳定性的限制, 因此, 算法的收敛速度遭到很大限制。为了加快收敛速度人们提出许多改良的LMS 算法。1块处置LMS算法BLMS为了对付LMS运算量大的问题，在LMS根底上提出了块处置LMSBLMS。它与LMS算法不同的是：LMS算法是每来一个采样点就调

10、整一次滤波器权值；而BLMS算法是每K采样点才对滤波器的权值更新一次。这样BLMS算法的运算量就比LMS的运算量要小的多，但它的收敛速度却与LMS算法一样，详细算法如下：由2式可知，那么可以推出 3将3式带入2式得： 依次类推可得： 2能量归一化LMS 算法NLMS 针对算法收敛时间依赖输入信号功率的问题，将自顺应滤波器系数的调整量用输入信号的功率进展归一化，称为归一化的最小均方算法NLMS，详细算法如下：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归一化块处置LMS算法BNLMS结合以上NLMS和BLMS两者的特点那么有归一化块处置

11、LMSBNLMS。4变步长LMS算法而针对 值, 人们研讨了许多变步长LMS 算法，普通是在滤波器任务的开场阶段采用较大的值，以加快收敛速度，而在后阶段采用较小的值，可以减小稳态误差。这类算法的关键是确定在整个过程中值如何变化或值在何种条件满足下才改动。综合以上，自顺应算法中最简单、运算量最小的是以LMS为代表的一类算法，如NLMS、BLMS算法等，但同时他们也存在着收敛慢的缺陷；与之相反的是另一个极端，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，那么是在运算量和收敛速度之间作适当折衷，从而获得了广泛的运用。回

12、想与展望综上所述，回音抵消的中心就是一个采用自顺应算法的滤波器，虽然以前自顺应信号实际开展迅速，但由于遭到硬件的限制而难以实现，不断到上世纪70年代末80年代初，随着世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生，才将实际广泛地运用到低本钱的实践系统中，从而推进了新实际和运用领域的开展。DSP芯片是以数字信号处置为根底的，具有数字信号处置全部优点：改良的哈佛构造，具有深达6级流水线的构造，公用的硬件乘法器，速度快，精度高，稳定性好，接口方便简单，集成度高，可反复性好，严密性好，最重要的是具有一些特殊的指令构造，如MAX，MIN，FIRS，LMS等指令。其中指令LMS为自顺应滤波器的实现自顺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。随着通讯的开展，通话间隔 也越来越长，使得信号延迟大大添加，回音景象也就更加严重。对回音抵消的需求同时也大大促进了回音抵消技术实际的开展。总之，在回音抵消各种自顺应滤波算法中，根据实践运用，还有很多地方需改