聲學(xué)回聲消除算法研究

1、第19卷第1期2004年3月安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)文章編號(hào):1672-2477(2004)01-0024-04聲學(xué)回聲消除算法研究費(fèi)璐璐,王華斌(華東師范大學(xué)電子系,上海200062)摘要:在回聲消除中,自適應(yīng)濾波是核心,而濾波器系數(shù)的更新又是自適應(yīng)濾波的核心.在聲學(xué)回聲消除領(lǐng)域,濾波器系數(shù)的更新最常使用的算法是LMS算法,目前針對(duì)LMS算法有兩種改進(jìn)算法,即NLMS和NBLMS算法.基于TI公司的DSP芯片的硬件資源特點(diǎn)來比較NLMS(NormalizedLMS)和NBLMS(BlockUpdateLMS)算法,為消除聲學(xué)回聲提供選擇依據(jù).關(guān)鍵詞:聲學(xué)回聲消除;NLMS算法;NBLMS算法;中

2、圖分類號(hào):TP301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼(VoiceOverIP),往往出現(xiàn)語音質(zhì)量較差的情況.其因素是多方面的,因此回聲消除對(duì)提高話音傳輸質(zhì)量至關(guān)重要.隨著回聲消除技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前回聲消除研究的重點(diǎn),已由“電路回聲”的消除轉(zhuǎn)向了“聲學(xué)回聲”的消除.TMS320VC5402是TI公司生產(chǎn)的從屬于TMS320C54x系列的一個(gè)工作靈活、高速、具有較高性價(jià)比、低功耗的16位定點(diǎn)通用DSP芯片,目前它在語音處理方面得到廣泛應(yīng)用.本文基于TMS320VC5402的硬件特點(diǎn),對(duì)NLMS算法和NBLMS算法進(jìn)行比較研究,從而為聲學(xué)回聲消除提供選擇依據(jù).1聲學(xué)回聲的產(chǎn)生機(jī)理及其消除原理1.1聲學(xué)回聲產(chǎn)生機(jī)理源自接收器

3、(耳機(jī))的聲波,通過位于聲音路徑上的固體物體反射進(jìn)入手機(jī)的麥克風(fēng)(話筒)中,或揚(yáng)聲器電話中,這就形成了聲學(xué)回聲.如圖1所示.圖1聲學(xué)回聲產(chǎn)生機(jī)理圖2聲學(xué)回聲消除的功能原理1.2聲學(xué)回聲消除原理聲學(xué)回聲消除的功能原理如圖2所示,遠(yuǎn)端的信號(hào)s(n)通個(gè)一個(gè)自適應(yīng)濾波器之后生成信號(hào)e(n),同時(shí)經(jīng)揚(yáng)聲器在近端放出,再經(jīng)麥克風(fēng)拾取后產(chǎn)生我們不需要的回聲信號(hào)e(n).在只有遠(yuǎn)端說話的情況下,e(n)和e(n)經(jīng)過一個(gè)減法器之后,成為剩余回聲信號(hào)r(n),而自適應(yīng)濾波器就是利用剩余收稿日期:2004-01-06),女,北京人,在讀碩士.作者簡(jiǎn)介:費(fèi)璐璐(1978第1期費(fèi)璐璐,等:聲學(xué)回聲消除算法研究25回

4、聲信號(hào)采用LMS算法來調(diào)整自適應(yīng)濾波器的系數(shù),從而消除剩余回聲的.LMS算法會(huì)不斷調(diào)整自適應(yīng)濾波器的系數(shù),而濾波器的系數(shù)的個(gè)數(shù)與回聲路徑有關(guān),例如回聲路徑達(dá)32ms,采樣率為8k,則濾波器的系數(shù)個(gè)數(shù)為256.濾波器的系數(shù)調(diào)整算法如下:(1)信號(hào)y(n)濾波后得到信號(hào)(注意:對(duì)公式參數(shù)的調(diào)整):255en=i=0hi.sn-255i.(1)(2)剩余回聲信號(hào):rn=en-en=en-i=0hi.sn-i.(2)(3)利用剩余回聲信號(hào)調(diào)整濾波器系數(shù).算法推導(dǎo)如下:hn+1i=hni+其中:(r,9h9(2|r|)2e-e)r,9hi9hiN-12(hisn-i)(r),(|r|)=2e-9hi9h

5、ii=0(|r|2)=2(-(sn-i)r.9hi最終得到LMS算法的濾波器系數(shù)更新如下:hn+1i=hni+rsn-i,-29hni2(|r|),2(3)式中hni是第n個(gè)采樣值計(jì)算后的濾波器第i個(gè)系數(shù).而在實(shí)際的回聲消除過程中,對(duì)濾波器系數(shù)的調(diào)整和更新有兩種方式,一種是每次輸入一個(gè)采樣值,使濾波器的所有系數(shù)更新一次,即NLMS算法;另一種是將濾波器的系數(shù)分為若干塊,每次輸入一個(gè)采樣值,濾波器系數(shù)只是輪回地更新其中一塊,即NBLMS算法.以下將基于TI公司的TMS320VC5402,介紹這兩種算法并對(duì)這兩種算法進(jìn)行比較.2NLMS算法和NBLMS算法2.1NLMS算法在該算法下濾波器系數(shù)的更

6、新過程是,所有系數(shù)在對(duì)一個(gè)采樣值進(jìn)行計(jì)算后,全部被更新.具體算法如下.(4)hn+1i=hni+,Pn其中為適應(yīng)梯度值,Pn為信號(hào)平均能量.Pn=(average(|si|)2,hn+1i=hni+,average(|si|)average(|si|)(5)是歸一化誤差和適應(yīng)梯度值之積,記為nerrormu,是歸一化average(|si|)average(|si|)采樣信號(hào).在TMS320VC5402中采用LMS指令,(1)和(5)可以在同一個(gè)循環(huán)中完成,核心算法的匯編語言如下:式中26安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)2004年STA,3filterptr+|MPY3nrefptr+0%,ALMS3fi

7、lterptr,3refptr+0%;storeoutcoefficient:h(k-1)=A;coef.increment:A=s(i-k-1)/;average(|y(i)|)3T;newcoefficient:A=A+h(k)16;convolution:B=B+h(k)3s(i-k)由此可見,完成上述兩式計(jì)算需要兩個(gè)指令周期,如果不考慮等待周期,則計(jì)算一個(gè)采樣值需要兩倍于濾波器系數(shù)個(gè)數(shù)的指令周期.2.2NBLMS算法該算法將濾波器系數(shù)分為幾塊,濾波器系數(shù)的更新過程是,所有系數(shù)在對(duì)一個(gè)采樣值計(jì)算后,輪回地對(duì)某一塊濾波器系數(shù)進(jìn)行更新.具體算法是:M-1hn(i+M+1)=hni+s(i+M

8、-m-k).average(|si|)m=0average(|si|)假定濾波器系數(shù)個(gè)數(shù)為TAPS,濾波器系數(shù)共分成塊,只是TAPS/BLOCKSIZE個(gè)系數(shù)值得到更新.BLOCKSIZE個(gè)循環(huán),需要BLOC,每一個(gè)循環(huán)需要8個(gè)指令周期.,大約需要的指令周期數(shù)為:(10+BLOCKSIZE)3TAPS/BLOC3NLMS算法與NBLMS算法的比較由于回聲消除的效果除了與算法有關(guān)外,還與濾波器系數(shù)的個(gè)數(shù)、采樣率、削波處理、近端語音信號(hào)檢測(cè)等因素相關(guān),因此對(duì)兩個(gè)算法進(jìn)行比較時(shí),這些因素都取相同值.3.1兩種算法在代碼大小和所需指令周期上的比較兩種算法在代碼大小和所需指令周期上的比較見表1.由此可見

9、:兩種算法在性能上的差異與濾波器系數(shù)的個(gè)數(shù)N和濾波器系數(shù)塊大小有關(guān).表1兩種算法在代碼大小和所需指令周期上的比較算法NLMSNBLMS代碼大小6060指令周期23N+7023M+N/M(M+10)+153.2兩種算法在TI公司提供的DSK板上的運(yùn)行比較此時(shí)語音數(shù)據(jù)從PC機(jī)上存儲(chǔ)好的文件進(jìn)行讀取,兩個(gè)語音文件的采樣率為8k,如圖3所示.圖3兩個(gè)語音文件數(shù)據(jù)第1期費(fèi)璐璐,等:聲學(xué)回聲消除算法研究27情況如圖4所示.顯而易見,NLMS算法在濾波器系數(shù)個(gè)數(shù)為512,回聲延遲時(shí)間為64ms時(shí),其幅值收斂速度比NBLMS算法幅值收斂速度快.圖4兩種算法處理后剩余回聲的幅值4結(jié)論參考文獻(xiàn):1TMS320VC5402datasheetZ.SPRS079E,1998.lishing,1997.3TI公司技術(shù)支持部.自動(dòng)無線系統(tǒng)聲學(xué)回聲消去算法核DB/OL.TI公司網(wǎng)站,1997.(Acoustic-EchoCancellationSoftwareforHands-freeWirelesssystemSPRA1621997)4張勇.給予TMS320C5000系列的c/c+語言硬件程序設(shè)計(jì)M.西安:電子科技大學(xué)出版社,2003.5蘇濤,藺麗華.DSP實(shí)用技術(shù)M.西安:電