回音抵消技術(shù)的探討-廈門科技信息網(wǎng)-廈門科技信息網(wǎng)

1、- PAGE 9 -回音抵消技術(shù)的探討陳立峰 回波的分類及產(chǎn)產(chǎn)生原因通信系統(tǒng)中回波波包括電學(xué)回回聲和聲學(xué)回回聲。在PSTN中，為為了降低電話話中心局與電電話用戶之間間電話線的價(jià)價(jià)格，用戶線線間的連接采用用兩線制；而而電話中心局局之間連接采采用四線制。在采用的混合電路中，由于阻抗的失配，會不可避免地產(chǎn)生電流泄漏。電流泄漏使得一部分信號的能量反射回信號源，這種反射和信道延遲結(jié)合在一起，使講話者聽到自己的聲音或者回聲，聽話者也聽到回聲，即為電學(xué)回聲。聲學(xué)回聲是指揚(yáng)揚(yáng)聲器播出的的聲音在被受受話方聽到的的同時(shí),也通通過多種路徑徑被麥克風(fēng)拾拾取到。多路路徑反射的結(jié)結(jié)果產(chǎn)生了不不同延時(shí)的回回聲 ,包括括直接

2、回聲和和間接回聲。直直接回聲是指指由揚(yáng)聲器播播出的聲音未未經(jīng)任何反射射直接進(jìn)入麥麥克風(fēng)。這種種回聲的延時(shí)時(shí)最短 ,它它同遠(yuǎn)端說話話者的語音能能量 ,揚(yáng)聲聲器與麥克風(fēng)風(fēng)之間的距離離、角度 ,揚(yáng)聲器的播播放音量 ,麥克風(fēng)的拾拾取靈敏度等等因素直接相相關(guān) ;而間間接回聲是指指由揚(yáng)聲器播播出的聲音經(jīng)經(jīng)過不同的路路徑 (如房房屋或房屋內(nèi)內(nèi)的任何物體體 )的一次次或多次反射射后進(jìn)入麥克克風(fēng)所產(chǎn)生的的回聲的集合合。房屋內(nèi)的的任何物體的任任何變動都會會改變回聲的的通道。因此此 ,這種回回聲的特點(diǎn)是是多路徑的、時(shí)時(shí)變的?；匾艨刂萍夹g(shù)發(fā)發(fā)展歷史為控制回音的影影響,人們最最早提出的是是“通過網(wǎng)絡(luò)衰衰減”的方法。該該

3、方法在發(fā)送送和接收方向向上分別插入入一個衰減器器,所以,回回音的衰減比比話音的衰減減大2倍。然然而,當(dāng)通信信距離很長時(shí)時(shí),由于話路路會經(jīng)過許多多衰減器,因因此話音衰減減隨著傳輸距距離的增加而而增加,最后后可能導(dǎo)致話話音電平降到到無法聽清楚楚的地步。這這一缺點(diǎn),使使得“通過網(wǎng)絡(luò)衰衰減”的方法的實(shí)實(shí)用性受到很很大限制。20世紀(jì)50年年代,人們在在“通過網(wǎng)絡(luò)衰衰減”技術(shù)的基礎(chǔ)礎(chǔ)上提出了回回音抑制器技技術(shù)?；匾粢忠种破魍ㄟ^開開啟發(fā)送路徑徑或在發(fā)送路路徑上插入較較大的衰減來來達(dá)到控制回回音的目的。理理想情況下,回音抑制器器應(yīng)在遠(yuǎn)端用用戶說話時(shí)開開啟發(fā)送路徑徑而在遠(yuǎn)端用用戶接收時(shí)關(guān)關(guān)閉發(fā)送路徑徑。然而,這

4、這很難做到,即使是最好好的回音抑制制器也經(jīng)常同同時(shí)將遠(yuǎn)端用用戶的回音和和一部分遠(yuǎn)端端用戶正在接接收的話音同同時(shí)去除，因因此回音抑制制器要求通話話的雙方都很很禮貌。當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)端用戶打斷斷近端用戶的的話時(shí),回音音抑制器往往往會開啟發(fā)送送路徑,從而而使近端用戶戶的話音受到到抑制。以上兩種方法都都存在較大缺缺陷和局限性。鑒于“通過網(wǎng)絡(luò)絡(luò)衰減”及回音抑制制器方法存在在的上述缺陷陷,人們迫切切希望能發(fā)明明一種新技術(shù)術(shù)以便有效地地控制回音的的影響。200世紀(jì)60年年代,朗訊科科技貝爾實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室首先提出出回音抵消器器技術(shù),由于于回音抵消器器技術(shù)的自適適應(yīng)濾波方法法有望克服以以往方法存在在的缺陷,該該技術(shù)提出后后,得

5、到廣大大專家與廠家家的推廣與重重視。60年年代后期,美美國通信衛(wèi)星星公司首先推推出第一批模模擬回音抵消消系統(tǒng),但該該系統(tǒng)由于體體積及制造成成本等原因,沒有得到商商業(yè)推廣。11979年,貝爾實(shí)驗(yàn)室室研制成功第第一批數(shù)字回回音抵消器產(chǎn)產(chǎn)品。數(shù)字回回音抵消器產(chǎn)產(chǎn)品的誕生,標(biāo)志著回音音控制技術(shù)進(jìn)進(jìn)入了一個新新紀(jì)元。自適應(yīng)回音抵消消理論自適應(yīng)回音抵消消的基本思想想是估計(jì)回音音路徑的特征征參數(shù), 產(chǎn)生一個個模擬的回音音路徑, 得出模擬擬回音信號, 從接收信信號中減去該該信號,實(shí)現(xiàn)回音抵消。其關(guān)鍵鍵就是得到回回聲路徑的沖沖擊響應(yīng) ,由于回音路徑通常常是未知的和和時(shí)變的,所以一般采采用自適應(yīng)濾濾波器來模擬擬回

6、音路徑。自適應(yīng)應(yīng)回音消除的顯著特特點(diǎn)是實(shí)時(shí)跟跟蹤，實(shí)時(shí)性性強(qiáng)。1、自適應(yīng)濾波波器的結(jié)構(gòu)圖 1自適應(yīng)濾濾波器的結(jié)構(gòu)構(gòu)圖1中所示的濾濾波器的輸入入是，濾波器器的權(quán)系數(shù)是是，為期望輸出出信號，為濾濾波器的實(shí)際際輸出，也稱稱估計(jì)值，。是誤差，。由由誤差經(jīng)過一一定的自適應(yīng)應(yīng)濾波算法來來調(diào)整濾波系系數(shù)，使得濾濾波器的實(shí)際際輸出接近期期望輸出信號號。2、自適應(yīng)回音音消除的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)原理 圖 22給出了單向向傳輸?shù)穆晫W(xué)學(xué)消回聲器 AEC( Acousstic EEcho CCancelllatioon)的原理理圖。圖中 y( n)代表表來自遠(yuǎn)端的信號 , r( n)是經(jīng)過回聲聲通道而產(chǎn)生生的不期望的的回聲 , x

7、( n)是近端的語語音信號。DD口的近端信信號疊加有不不期望的回聲聲。對消回聲聲器來說 ,接收到的遠(yuǎn)遠(yuǎn)端信號作為為一個參考信信號 ,消回回聲器根據(jù)它它由自適應(yīng)濾濾波器產(chǎn)生回回聲的估計(jì)值值 ,將 從近端端帶有回聲的的語音信號減減去 ,就得得到近端傳送送出去的信號號 。在理想想情況下 ,經(jīng)過消回聲聲處理后 ,殘留的回聲聲誤差 將為為0，從而實(shí)實(shí)現(xiàn)回音消除。圖2 AECC原理圖回音抵消的主要要性能指標(biāo)收斂速度：濾波波器的收斂速速度越快越好好，使正常通通話開始后，通通話者很快就就感覺不到明明顯的回波存存在。穩(wěn)態(tài)殘留回波：即當(dāng)濾波器器收斂達(dá)到穩(wěn)穩(wěn)態(tài)后的回波波輸出量，實(shí)實(shí)際中總是希希望該參數(shù)越越小越好。I

8、TU-T GG.168對對各種回音抵消消器產(chǎn)品在包包括以上兩個個主要指標(biāo)在在內(nèi)的各種指指標(biāo)規(guī)定了必必須達(dá)到的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。目前常見的自適適應(yīng)算法研究究與比較常見自適應(yīng)濾波波算法有：遞遞推最小二乘乘算法，最小小均方誤差算算法，歸一化化均方誤差算算法，快速精精確最小均方方誤差算法，子帶濾波，頻頻域的自適應(yīng)應(yīng)濾波等等。其中最典型最有有代表性的兩兩類自適應(yīng)算算法就是遞推推最小二乘算算法和最小均方誤誤差算法，以以下對幾種較較常用的算法法進(jìn)行介紹：1、遞歸最小二二乘法(RLLS)RLS 算法的的基本方法為為:K(n) 稱為為Kalmaan 增益向向量,是一個加權(quán)權(quán)因子,其取值范圍圍0 1 ,該算法的初初始化一般

9、令令H( - 1) = 0及P( - 1) = 1/I,其中是小的正數(shù)數(shù)。2、最小均方誤誤差算法（LLMS）最小均方誤差算算法（LMSS）是一種用用瞬時(shí)值估計(jì)計(jì)梯度矢量的的方法，即 （1）按照自適應(yīng)濾波波器濾波系數(shù)數(shù)矢量的變化化與梯度矢量量估計(jì)的方向向之間的關(guān)系系，可以寫出出LMS算法法調(diào)整濾波器器系數(shù)的公式式如下所示： （22） 上式中的的為步長因子子。值越大，算算法收斂越快快，但穩(wěn)態(tài)誤誤差也越大；值越小，算算法收斂越慢慢，但穩(wěn)態(tài)誤誤差也越小。為為保證算法穩(wěn)穩(wěn)態(tài)收斂，應(yīng)應(yīng)使在以下范范圍取值：從收斂速度來看看，RLS 算法明顯優(yōu)優(yōu)于LMS 算法,但RLS 算法法在運(yùn)算上卻卻比LMS 算法復(fù)雜得

10、得多,為了減小計(jì)計(jì)算復(fù)雜度,并保留RLSS 的收斂性性能,人們提出了了一些改進(jìn)的的RLS 算法法。如RLSS 格型算法法,快速RLS 算法,梯度格型算算法,快速橫向?yàn)V濾波器算法等等?？偟膩砜纯?這些以收斂斂法都是以運(yùn)運(yùn)算速度換取取運(yùn)算復(fù)雜性性。于是人們研究介介于兩者之間間的一種算法法, 如共軛梯梯度法、自仿射投影影算法 等。共軛梯度度法不需要RLLS 中的矩矩陣運(yùn)算,也沒有某些些快速RLSS 算法存在在的不穩(wěn)定問問題,但它的缺點(diǎn)是是穩(wěn)態(tài)誤差比較大。而LMS 算法法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)運(yùn)算簡便,但它只有一一個可調(diào)整參參數(shù),即步長因子子 ,可以用來來控制收斂速速率, 由于 的選擇受系系統(tǒng)穩(wěn)定性的的限制, 因

11、此, 算法的收收斂速度受到到很大限制。為為了加快收斂斂速度人們提提出許多改進(jìn)進(jìn)的LMS 算法。（1）塊處理LLMS算法（BLMMS）為了對付LMSS運(yùn)算量大的的問題，在LLMS基礎(chǔ)上上提出了塊處處理LMS（BBLMS）。它它與LMS算算法不同的是是：LMS算算法是每來一一個采樣點(diǎn)就就調(diào)整一次濾濾波器權(quán)值；而BLMSS算法是每KK采樣點(diǎn)才對對濾波器的權(quán)權(quán)值更新一次次。這樣BLLMS算法的的運(yùn)算量就比比LMS的運(yùn)運(yùn)算量要小的的多，但它的的收斂速度卻卻與LMS算算法相同，具具體算法如下下：由（2）式可知知，那么可以以推出 （33）將（3）式帶入入（2）式得得： 依次類推可得： （2）能量歸一一化LM

12、S 算法（NLMMS） 針對算算法收斂時(shí)間間依賴輸入信號號功率的問題題，將自適應(yīng)應(yīng)濾波器系數(shù)數(shù)的調(diào)整量用用輸入信號的的功率進(jìn)行歸歸一化，稱為為歸一化的最最小均方算法法（NLMSS），具體算算法如下：其中a(k)為為濾波器的系系數(shù)，e(nn)為誤差信信號，為固定環(huán)路增增益，N為濾濾波器系數(shù)，為參考信號的能量估計(jì)。（3）歸一化塊塊處理LMSS算法（BNLLMS）結(jié)合以上NLMMS和BLMMS兩者的特特點(diǎn)則有歸一一化塊處理LLMS（BNNLMS）。（4）變步長LLMS算法而針對 值, 人們研究究了許多變步步長LMS 算法，一般般是在濾波器器工作的開始始階段采用較較大的值，以加快快收斂速度，而而在后階

13、段采采用較小的值，可以減減小穩(wěn)態(tài)誤差差。這類算法法的關(guān)鍵是確確定在整個過過程中值如何變化或值在何種條條件滿足下才改變。綜合以上，自適適應(yīng)算法中最最簡單、運(yùn)算算量最小的是是以LMS為為代表的一類類算法，如NNLMS、BBLMS算法法等，但同時(shí)時(shí)他們也存在在著收斂慢的的缺點(diǎn)；與之之相反的是另另一個極端，是是以RLS等等為代表的各各種算法，他他們雖收斂速速度很快，但但運(yùn)算量很大大；近些年興興起的AP（仿仿射投影），CCG（共軛梯度），F(xiàn)N(快速速牛頓)等算算法，則是在在運(yùn)算量和收收斂速度之間間作適當(dāng)折衷衷，從而獲得得了廣泛的應(yīng)應(yīng)用?；仡櫯c展望綜上所述，回音音抵消的核心心就是一個采采用自適應(yīng)算算法的濾

14、波器器，雖然以前前自適應(yīng)信號號理論發(fā)展迅迅速，但由于于受到硬件的的限制而難以以實(shí)現(xiàn)，一直直到上世紀(jì)770年代末880年代初，隨隨著世界上第第一片單片可可編程DSPP芯片的誕生生，才將理論論廣泛地應(yīng)用用到低成本的的實(shí)際系統(tǒng)中中，從而推動動了新理論和和應(yīng)用領(lǐng)域的的發(fā)展。DSP芯片是以以數(shù)字信號處處理為基礎(chǔ)的的，具有數(shù)字字信號處理全全部優(yōu)點(diǎn)：改改進(jìn)的哈佛結(jié)結(jié)構(gòu)，具有深深達(dá)6級流水水線的結(jié)構(gòu)，專專用的硬件乘乘法器，速度度快，精度高高，穩(wěn)定性好好，接口方便便簡單，集成成度高，可重重復(fù)性好，保保密性好，最最重要的是具具有一些特殊殊的指令結(jié)構(gòu)構(gòu)，如MAXX，MIN，F(xiàn)FIRS，LLMS等指令令。其中指令令LMS為自自適應(yīng)濾波器器的實(shí)現(xiàn)自適適應(yīng)算法提供供了最大的方方便。所以用用DSP芯片片實(shí)現(xiàn)回音抵抵消具有很大大優(yōu)勢。隨著通信的發(fā)展展，通話距離離也越來越長長，使得信號號延遲大大增增加，回音現(xiàn)象也就更更加嚴(yán)重。對對回音抵消的需需求同時(shí)也大大促促進(jìn)了回音抵抵消技術(shù)理論論的發(fā)展?？傊?，在回音抵抵消各種自適應(yīng)濾濾波算法中，根根據(jù)實(shí)際應(yīng)用用，還有很多多地方需