一种无双端会话检测的回声抵消算法

一种无双端会话检测的回声抵消算法 ComputerE,neeringandApplications计算机工程与应用2008,44(15)33 ◎理论研究◎ 一 种无双端会话检测的回声抵消算法 袁佳能,于凤芹 YUANJia—neng,YUFeng—qin 江南大学通信与控制工程学院,江苏无锡214122 SchoolofCommunicationandControlEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China E—mail:yuanjianeng@126.con YUANJia-neng,YUFeng-qin.Echocancelingalgorithmwithoutdouble-talkdetection.ComputerEngineeringand Applications,2008,44(15):33-35. Abstract:Inordertoreducethehighcomputationalcomplexityloadofthedouble— talkdetectorintheechocancellerandsolve thetime-delayproblemwhichleadstothedeteriorationoftheechocancelingperformance,awithoutdouble—talkdetectorsbased onsignaltime-varyingpowerspectrumforacousticechocancelinghasbeenproposed.Withtheassumption,thenearendandthe farendspeechareindependenteachother,thefarendsignalpowerpassingtheimpulseresponseoftheloudspeaker—enclosure— microphone-systemequalstheinputmicrophonespeechsignalpower,thenusingtheLeastMeanSqHareerrorprincipleforthe adaptivefiltertocanceltheacousticecho.Thismethodisdifferentfromthetraditionalmethodswhichneedtodetectthedouble— talkcasesinsolvingtheechoproblemduringthedouble-talkperiods.Throughmakingtheste psizenormalization,theconver- gencetimeofthefiltercoefficientsisreduced.Atthesametime,thefilterbecomesmorerobust. Simulationresultsshowthatthe proposedalgorithmcaneffectivelyworkinalltalkIIIgconditions. Keywords:double-talkacousticechocanceling;Iime—varyingpowerspectrum;costfunction;stepsizenormalization 摘要:为了解决回声抵消器中双端会话检测器计算量大,以及由于其时间的延迟而导致回声抵消性能恶化的问题,提出了一种 无双端会话检测的信号的时变功率谱声回声抵消算法.根据双端会话时近端会话与远端会话相互之间的独立性,推导出远端会话 信号的时变功率通过回声路径的冲激响应系统与麦克风输入信号的时变互功率相等,利用最小均方误差的自适应滤波来估计回 声路径的冲激响应,从而将回声抵消掉.该算法不同于现有的回声抵消算法,它在进行回声抵消的过程中,不需要进行双端会话检 测.通过将该算法的步长进行归一化处理,使得自适应滤波器的系数收敛变快,稳定性变强.仿真实验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,该算法能够在各种会 话情况下进行有效的回声抵消. 关键词:双端会话声回声抵消;时变功率谱;代价函数;归一化步长 DOI:10.3778/j.issn.1002—8331.2008.15.010文章编号:1002—8331(2008)15—0033—03文献标识码:A中图分类号:TP301 1引言 在信号处理领域中,系统的声回声抵消是一个还未很好解 决的问题.在电视电话会议以及免提式电话终端等场合,扬声器 输出的声音经过场地又进入麦克风,就会构成声回声.通常是由 自适应回声抵消算法所构成的回声抵消器来解决这个问题. 把通话的情形分成三种:远端有会话,近端有会话,双端都 有会话.其中双端会话期间的回声抵消是自适应回声抵消系统 端会话将作为能量 中的一个共同难题I".当双端都有会话时,近 很大的噪声进入到自适应滤波器中,从而导致自适应滤波器抽 头系数发散,使接下来的单边会话回声抵消不能进行.现在常 用的解决方法是使用双端会话检测器来检测会话的状况.当检 测到有双端会话时,就冻结自适应滤波器的抽头系数向量以避 免滤波器系数的不收敛….但是这种方法高性能的双端会话检 测器的实现会大大的加重计算量.而且,由于检测的延迟,可能 使抽头系数冻结在已偏离最优解的系数向量上,使回声抵消性 能急剧恶化121. 本文给出的无双端会话检测的信号的时变功率谱回声抵 消算法是一种不需要对双端会话的状态进行检测,当双端会话 出现时,利用近端会话信号和远端会话信号的时变功率谱通过 滤波器近似相等,来得到估计的回声路径冲激响应系统,从而 将声回声信号从混合的信号中抵消掉.为了增强自适应滤波器 系数的收敛效果与稳定,将步长进行了归一化处理,使系统自 适应滤波器系数收敛变快,稳定性更好.仿真实验证明了该方 法的有效性. 作者简介:袁佳能(1980-),男,硕士研究生,研究方向为自适应信号处理及其应用;于 凤芹(1962一),女,教授,博士,研究生导师,研究方向为非平 稳信号时频 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 . 收稿日期:2007—09—10修回日期:2007—12—07 , 11 ' 342008,44(15)ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用 2信号的时变功率谱回声抵消算法 双端会话发生时,其模型为D,:近端会话输入x(i)信号和 扬声器输出远端会话r()信号,麦克风输入的信号为s(i),通 过场地系统构成的声回声信号为y(i),有: 1 ,,()=hir(i-m)(1) m=O s()()+y()(2) 其中h.是房间回声路径的冲激响应,?是冲激响应的长度,即 场地等效滤波器的阶数.作者提出的无双端会话检测的信号时 变功率普的自适应回声抵消算法结构如图1所示. 扬声器远端会话di) 图1回声抵消信号的时变功率谱算法实现结构图 定义远端会话信号r()的第n时刻,时间间隔为m的自相 关函数为: (n,m)=?r()r(—m)(3)i=O 对式(3)进行?点快速傅立叶变换,得到r()的时变功率 谱为: (n,)=?(n,m)ivm--0 (4) 其中W=e-J2,k是FFT的频率变量,是时间间隔.同理,定 义麦克风的输入信号s()与远端会话信号r()的互相关函数 与时变互功率谱为: n,m)=?s()r(—m)i--O N-l Ssr(n,)=?,n,m)iVm=0 (5) (6) 根据实际会话情况,近端会话信号()与扬声器输出的远 端会话信号r(i)基本上是相互独立的,在0均值的输入信号情 况下,其互相关函数约为.在这个假设下,将等式(1),(2), (5)代入式(6)中,等式(3)代入式(4)中,得s()和r(i)的时变 功率谱之间的关系为: S, (n,)S(n,)(7) 其中是回声路径冲激响^=.h.h:…h.】的?点快速傅立 叶变换的第k点.由等式(7),则进行估计的自适应滤波器系数 向量,远端会话信号r(i)的时变功率谱与麦克风的输入信号 s()及r()的互时变功率谱定义为 n,)=(n)(n,)(8) 其中(n)是自适应滤波器的抽头系数在频域中的第k点的 值,是对实际回声路径冲激响应的估计.n,)是互变功 率谱n,k)的估计值.用估计值代替实际值的误差为: s(n,)=,(,k)一n,)(9) 定义代价函数(准则函数)为: n,k)=研sn,k)s(n,k)】(10) 其中式(1O)中的表示矩阵的共轭转置.利用最小均方LMS (LeastMeanSquare)算法,计算代价函数的梯度,将代价函数 对自适应滤波器的抽头系数求偏导,即: W(n,k)=———一日s(n,k)s(n,k)1= a(n) - 2E[o~(n,k)S(n,k)】(11) 将式(9),(11)代入到最速下降法中【q: Hk(n+1)=(n)--/.tfVJ(n,k)(12) 可以得到抽头权系数更新的递推关系式为: (n+1)=(n)+s(n,).s(n,k)(13) 取一个初值H(1,:),就可以通过式(8),(9),(13)构成的 递推关系式得到自适应滤波器在频域中的系数.将最佳滤波器 系数疗进行离散傅立叶逆变换,得到如图1所示的自适应滤波 器时域中的回声路径冲激响应Jc,远端会话信号r()与其卷积, 得到(),()是对真实回声y()的估计.5()与()相减,就将 回声抵消了,只剩下近端会话互(). 式(12)中,是—个控制滤波器系数稳定性和收敛速度的 待定常数参量,称为归一化步长,当在0~#f<2/[(N-1)尸埘】范 围内,自适应滤波器的系数才收敛,为输入信号的功率.因 此,较大的表示算法有较快的收敛速度(最速下降法式(12)) 但同时也意味着较大发散可能性圈.将进行归—化可以使自 适应滤波算法收敛速度较快,稳定性变强.归一化递推算式 由下式给出: :(n)=:()+ts(n,)l' (n)=—一(14) :(凡) 其中(n)为时间相差为k的第n时刻信号方差的估计.归一 化后的稳定性变强体现在步长随输入的谱功率而进行调节,保 证了自适应滤波器系数的收敛性. 3仿真实验 给出一般场地的回声路径冲激响应模型为m: hi(15) 其中i=O,1,2,…,^L1,ai为随机数,取值范围在0到1之间.自 适应滤波器估计的回声路径冲激响应与回声路径冲激响应模 型之间的比值记为d,其单位为dB,用下式表示: (16) 其中盂表示通过自适应滤波器估计的回声路径冲激响应,h为 模型的回声路径冲激响应. 在仿真实验中,把回声路径冲激响应等效为一个32阶的 有限冲激响滤波器.仿真过程为预先在Mathb中存储两段标 准录音:1S的男声普通话,2S的女声普通话,然后将语音同时 分配给近端和远端,近端会话进行时间为ls,远端会话进行时 间为2S.因此,这个仿真实验是近端有会话,远端有会话,双端 都有会话三种情况的综合.实验中,会话信号的采样频率为 袁佳能,于凤芹:一种无双端会话检测的回声抵消算法2008,44(15)35 8kHz回声抵消算法仿真结果如图2所示.其中图2(a)为 1s的近端会话信号xl(i),图2(b)为2s的远端会话信号2(i), 图2(c)为麦克风输入近端会话与回声的混合信号图2(d)为麦克 风输入信号抵消掉自适应滤波器回声之后的近端会话信号;(). 仿真结果表明,本文提出的信号时变功率谱自适应算法能够在 不需要有双端会话检测器的情况下,有效地抵消掉回声. 1 O 一 1 O tls (a)近端会话 o.2o.4o.6o.81.o1.2l4l61.82.o t/s (b)远端会话 0 一 l 0 t/s (c)麦克风的混合信号 0.1020.3040.50.60.70.8091.0 ,/s (d)抵消后的近端输出 l矧2【HJ声抵消算法仿真结果图 阶数为32,=0.01和将进行归一化处理,分别经l央速 傅立叶逆变换得到.i{,代入式(16),通过迭代,得到冲激响应估 计比值,其模拟冲激响应比值的仿真结果如图3所示.通过分 析实验结果中步长没有归一化以及经过归一化处理后的收敛 效果对比,可以得到:通过归一化处理,滤波器系数的收敛效果 有了明显的改善,收敛变快,跟踪能力变强. 4结语 本文给出了一种较新的无双端会话检测的信号时变功率 '迭代次数 图3时变功率谱算法归一化处理前后结果对比图 谱的回声抵消算法,通过对步长进行归一化处理,使滤波器系 数收敛变快,稳定性变强.它最大的特点是不需要进行双端会 话检测来抵消掉回声.仿真结果表明,这种回声抵消算法能够 在会话的各种情况下,稳定工作,并且具有较好的回声抵消效 果.因此,该方法为当前的回声抵消器算法研究和实现提供了 一 种新的思维. 参考文献: [1]HallackS,PetragliaMR.Performancecomparisonofadaptive algorithmsappliedtoacousticechocancellingIj].IEEEInternational SymposiumonIndustrialElectronics,2003,2:1147-1150. 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