一種活性因子集員成比例子帶自適應(yīng)回聲消除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種活性因子集員成比例子帶自適應(yīng)回聲消除方法，屬于通信的回聲 消除技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信用戶對通話質(zhì)量的要求也越來越高。在通 信系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到回聲干擾的問題。在此問題中，聲學(xué)回聲是影響語音通話質(zhì)量的最主 要因素。因此，消除回聲是提高通話質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。通信過程中的聲學(xué)回聲是指用戶 在通信過程中反復(fù)聽到自己的聲音。這種現(xiàn)象是由聲波反射以及麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器間的聲耦 合產(chǎn)生的。人耳對其非常敏感，延遲IOms的回聲就能被人耳捕捉感知到，超過32ms的回聲 就會對通信質(zhì)量造成極大的干擾。因此，如何采取有效的方法消除回聲，來提高通信質(zhì)量， 成為一個(gè)熱門的研究課題。
[0003]目前，國內(nèi)外消除回聲的方法大致有以下6種：（1)子帶中心削波技術(shù)；（2)移頻 技術(shù)；(3)梳狀濾波技術(shù)；(4)話音控制開關(guān)技術(shù)；（5)話筒陣列技術(shù)；(6)自適應(yīng)回聲消除 技術(shù)。前5種方法因其技術(shù)要求高，手段復(fù)雜，且造價(jià)昂貴，所以在實(shí)際應(yīng)用上受到了限制。 但自適應(yīng)回聲消除技術(shù)因其成本低、效果好，得到了一致認(rèn)可，也是目前國際上公認(rèn)的最有 前景的回聲消除技術(shù)之一。
[0004] 自適應(yīng)回聲消除技術(shù)是利用自適應(yīng)濾波器的一種回聲消除方法。從基本原理 上來看，自適應(yīng)回聲消除是對未知系統(tǒng)進(jìn)行辨識的過程，因此，它屬于系統(tǒng)辨識的一個(gè) 實(shí)際應(yīng)用。以免提電話系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)必須配備有聲學(xué)回聲消除器（AcousticEcho Cancellation，AEC)。免提電話的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之間的空間距離導(dǎo)致來自揚(yáng)聲器的一部 分信號會經(jīng)過房間內(nèi)壁的多重反射進(jìn)入麥克風(fēng)而產(chǎn)生聲學(xué)回聲，這部分信號所傳輸?shù)穆窂?便是聲學(xué)回聲信道，可用房間脈沖響應(yīng)來描述。為了消除這類聲學(xué)回聲，AEC中的自適應(yīng)濾 波器辨識房間脈沖響應(yīng)并得到回聲的估計(jì)值，從而在麥克風(fēng)端減去回聲的估計(jì)值來達(dá)到消 除回聲的目的。
[0005] 在自適應(yīng)回聲消除方法中，傳統(tǒng)的歸一化最小均方（NLMS)濾波器、仿射投影 (APA)濾波器、遞歸最小二乘（RLS)濾波器等，由于其結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，已得到國內(nèi)外研 究者的廣泛關(guān)注。但是，通信中的回聲信道，大多數(shù)都是稀疏信道，這種稀疏信道的脈沖響 應(yīng)大多數(shù)很小，而階數(shù)又比較長。傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波器在這種稀疏信道下的回聲消除收斂速 度慢，穩(wěn)態(tài)誤差大，跟蹤性能差。而實(shí)際中的回聲信號又大多是相關(guān)信號，針對這種情況引 入子帶濾波器，可以提高對相關(guān)信號的處理能力，從而提高收斂速度。為了利用回聲信道的 稀疏特性，引入成比例思想大大加快了子帶濾波器的收斂速度。然而，定步長濾波器在收斂 速度和穩(wěn)態(tài)誤差存在著固有矛盾，引入集員濾波策略。集員濾波是一類基于預(yù)先定義的誤 差邊界的遞歸估計(jì)算法，尋求產(chǎn)生有界濾波輸出誤差的參數(shù)集合，其精確地依賴這個(gè)指定 的誤差邊界。即，該方法在濾波器輸出誤差有界約束下進(jìn)行推導(dǎo)，主要是通過時(shí)間稀疏的數(shù) 據(jù)選擇性更新來減低計(jì)算復(fù)雜度。同時(shí)，它又改善了定步長自適應(yīng)算法的收斂速度和穩(wěn)態(tài) 誤差之間的固有矛盾，可保證濾波器具有較快的收斂速度和較低的穩(wěn)態(tài)誤差。
[0006] 在目前的稀疏系統(tǒng)辨識的應(yīng)用中，效果較好為成比例歸一化子帶類的自適應(yīng) 濾波算法（PNSAF)和與集員濾波思想相結(jié)合的成比例歸一化子帶類的自適應(yīng)濾波算法 (SM-PNSAF)0 參考文南犬"Afamilyofproportionatenormalizedsubbandadaptive filteralgorithms"（M.S.E.Abadi,S.Kadkhodazadeh,JournaloftheFranklin Institute,vol. 348,no. 2,pp. 212 - 238,Mar. 2011)中提出了上述的兩種算法。這兩種方法 具有將相關(guān)信號分解成相互獨(dú)立的子帶信號的特性，大大加快收斂速度。但是傳統(tǒng)的PNSAF 和SM-PNSAF算法又依賴于預(yù)先設(shè)定的一些參數(shù)，這些參數(shù)影響著算法的收斂速度。因此， 欲得到期望的性能參數(shù)，則需要進(jìn)行很多次的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行選擇，這對實(shí)際應(yīng)用造成了一定 的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是提供一種活性因子集員成比例子帶自適應(yīng)回聲消除方法。該方 法一方面能獲得快的收斂速度和低的穩(wěn)態(tài)誤差，另一方面具有快速的跟蹤能力，對通信系 統(tǒng)的聲學(xué)回聲有很好的消除效果。
[0008] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是，一種活性因子集員成比例子帶自適 應(yīng)回聲消除方法，其步驟如下：
[0009]A、信號的分割
[0010] 將遠(yuǎn)端傳來的信號采樣得到遠(yuǎn)端信號的離散值x(t)，；當(dāng)前時(shí)刻n與時(shí)刻n-L+1之間的遠(yuǎn)端信號離散值X(t)，構(gòu)成當(dāng)前時(shí)刻n的濾波輸入信號X(n)，即X(n)= [X(n)，X(n-1)，? ? ?，X(n-L+1) ]T;L= 512是濾波器抽頭數(shù)，上標(biāo)T代表轉(zhuǎn)置運(yùn)算；
[0011] 將濾波輸入信號X(n)經(jīng)分析濾波器分割成N個(gè)濾波輸入子帶信號X1 (n)，X1(Ii)=
[XiOi),XiOi-I),...，xJn-L+l)]1;同時(shí)，近端麥克風(fēng)拾取的當(dāng)前時(shí)刻n的帶回聲的近端信 號d(n)也經(jīng)分析濾波器分割成N個(gè)近端子帶信號山仏）；其中，i為濾波輸入子帶信號或近 端子帶信號的序號，i=l，2，...，N;
[0012] B、信號的抽取
[0013] 將A步驟得到的濾波輸入子帶信號X1(Ii)經(jīng)抽取器對其進(jìn)行N抽取，即將n= k=KN時(shí)刻的濾波輸入子帶信號X1(Ii)抽出得到濾波輸入子帶抽取信號X1GO,X1GO= [Xl (KN)，X1 (KN-I)，…，X1 (KN-L+1) ]T，其中，K為抽取的序號，k為抽取的時(shí)刻；同時(shí)，將上述 步驟得到的近端子帶信號Cl1 (n)，也經(jīng)抽取器對其進(jìn)行N抽取，進(jìn)而得到近端子帶抽取信號 (Ii (k), (Ii (k) = (Ii (KN)；
[0014] C、濾波器的輸出
[0015] 將抽取后的濾波輸入子帶信號向量X1GO通過自適應(yīng)回聲消除子帶濾波器后得 到輸出子帶信號記為yi(k)，J,.⑷二X,7a_)w(幻；其中w(k)為自適應(yīng)子帶濾波器在k時(shí) 刻的權(quán)系數(shù)向量，其長度為L，初始值W(k) =W(I)為零向量，且W(k) = [Wl(k)，w2(k)，..W1 (k)?，w(k)]T，I= 1，2, ? ? ?，L為權(quán)系數(shù)向量W(k)中的權(quán)系數(shù)W1 (k)的序號；
[0016] D、回聲抵消
[0017]將近端麥克風(fēng)拾取到的k時(shí)刻的帶回聲的抽取后的近端子帶信號Cl1 (k)與對應(yīng)的 自適應(yīng)回聲消除子帶濾波器輸出子帶信號記為yi(k)相減得到消除回聲后的第i個(gè)子帶誤 差信號ei (k)，即ei (k) =Cl1 (k)I1 (k)，并送回給遠(yuǎn)端；
[0018] E、權(quán)系數(shù)向量的更新
[0019] EU活性因子和比例函數(shù)的計(jì)算
[0020] k= 1時(shí)，自適應(yīng)子帶濾波器權(quán)系數(shù)W1GO的活性因子fjk) = ⑴的初始值取 10 4~10 2,初始時(shí)的自適應(yīng)子帶濾波器權(quán)系數(shù)W1GO的比例函數(shù)（J)1(I)與活性因子f\(l) 的初始值相等。
[0021] 當(dāng)k> 1時(shí)，自適應(yīng)子帶濾波器權(quán)系數(shù)W1 (k)的比例函數(shù)巾：(k)有下式算出：
[0022] (J)1GO=Inaxtf1GO,Iw1GOI}
[0023] 其中，I?I為求絕對值運(yùn)算，max為求最大值運(yùn)算。
[0024] 自適應(yīng)子帶濾波器權(quán)系數(shù)W1GO的活性因子fjk)則由下式算出：
[0026] 式中，m為正整數(shù)。
[0027] E2、成比例矩陣的計(jì)算
[0028] 根據(jù)自適應(yīng)子帶濾波器權(quán)系數(shù)^〇〇的比例函數(shù)（^(k)，計(jì)算得出自適應(yīng)子帶濾 波器權(quán)系數(shù)W1GO的成比例矩陣中的第1個(gè)元素gl(k):
[0030] 進(jìn)而得到自適應(yīng)子帶濾波器權(quán)系數(shù)向量W(k)的成比例矩陣G(k):
[0031 ]G(k) =diag(k)，g2 (k) ? ? ?，gL (k)}
[0032] E3、用集員濾波算法得出自適應(yīng)回聲消除子帶濾波器的步長
k時(shí)刻的自適應(yīng)回聲消除子帶濾波器的抽頭權(quán)系數(shù)向量W(k)的第i個(gè)步長Ii1QO:
[0035] E4、權(quán)系數(shù)向量更新
[0036] 計(jì)算k+1時(shí)刻的自適應(yīng)回聲消除子帶濾波器的抽頭權(quán)系數(shù)向量W(k+1):
[0038] 其中，S為自適應(yīng)回聲消除子帶濾波器抽頭權(quán)系數(shù)向量的正則化參數(shù)，其取值為 8G[0. 001, 0. 1]；
[0039] F、令k=k+1，重復(fù)A、B、C、D、E的步驟，直至通話結(jié)束。
[0040] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0041] (1)收斂速度快且穩(wěn)態(tài)誤差低
[0042] 自適應(yīng)回聲消除子帶濾波器的輸出子帶信號yi(n)即為回聲信號的估計(jì)值，將其 與近端麥克風(fēng)拾取、處理得到的帶回聲的近端子帶信號Cl1(Il)相減，即為從近端回送給遠(yuǎn)端 的信號，該信號為消除回聲后的第i個(gè)子帶誤差信號ei (n)。本專利采用子帶自適應(yīng)濾波器， 能將全頻帶的遠(yuǎn)端輸入信號分為多個(gè)子頻帶分別進(jìn)行濾波，再將濾波后的信號組合。因此， 這種方法具有將語音信號這類強(qiáng)相關(guān)信號分解成相互獨(dú)立的子帶信號的特性，從而大大的 加快收斂速度；
[0043] (2)傳統(tǒng)的自適應(yīng)濾波算法不考慮回聲信道的結(jié)構(gòu)如何，為所有的系數(shù)賦予相同 的步長參數(shù)，小系數(shù)能在較少迭代后收斂到其最優(yōu)值，而大系數(shù)需要更多的迭代次數(shù)才能 收斂到最優(yōu)值，而算法的最終收斂時(shí)間取決于最大系數(shù)收斂所需要的迭代次數(shù)。本發(fā)明使 用的成比例自適應(yīng)算法為大系數(shù)賦予較大的步長參數(shù)以加快大系數(shù)的收斂，從而加快了自 適應(yīng)濾波器的整體收斂速度；
[0044] 對于固定的全局步長參數(shù)，收斂速度和溫差誤差是一對不可協(xié)調(diào)的矛盾，即大的 全局步長有快的收斂速度和大的穩(wěn)態(tài)誤差。而小的全局步長有慢的收斂速度和低的穩(wěn)態(tài)誤 差。本發(fā)明中的集員濾波策略保證了自適應(yīng)回聲消除子帶濾波器的收斂速度快，同時(shí)穩(wěn)態(tài) 誤差小，而且大大降低了計(jì)算復(fù)雜度；
[0045] (3)躍變系統(tǒng)的跟蹤能力強(qiáng)
[0046] 在實(shí)際情況下，揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)的相對位置、角度和環(huán)境等都可能隨時(shí)發(fā)生變化， 聲學(xué)回聲信道的脈沖響應(yīng)也會相應(yīng)地發(fā)生改變，因此對躍變系統(tǒng)的跟蹤能力是回聲消除器 一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。本發(fā)明各子帶的活性因子為獨(dú)立的活性因子（即每個(gè)濾波器系數(shù)具 有不同的活性因子），它由當(dāng)前時(shí)刻抽取操作的權(quán)系數(shù)和前一時(shí)刻抽取操作時(shí)的比例函數(shù) (權(quán)系數(shù)的絕對值和活性因子的最大值）各取二分之一，求和得到，進(jìn)而由獨(dú)立活性因子計(jì) 算出下一時(shí)刻抽取操作的權(quán)系數(shù)，使得權(quán)系數(shù)能夠更快速地逼近回聲信道。由于引入的獨(dú) 立的活性因子顯著提高了自適應(yīng)回聲消除濾波器對躍變系統(tǒng)的跟蹤能力，所以本發(fā)明很好 地滿足了回聲消除濾波器器對躍變系統(tǒng)跟蹤能力強(qiáng)的要求。
[0047] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
【附圖說明】
[0048] 圖1是本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)的稀疏信道圖。
[0049] 圖2和圖3分別是PNSAF、SM-PNSAF和本發(fā)明（IAF-SM-PNSAF)在一階相關(guān)信號和 真實(shí)語音信號為輸入信號時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)的歸一化穩(wěn)態(tài)失調(diào)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 實(shí)施例
[0051] 本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】是：一種活性因子集員成比例子帶自適應(yīng)回聲消除方 法，其步驟如下：
[0052] A、信號的分割
[0053] 將遠(yuǎn)端傳來的信號采樣得到遠(yuǎn)端信號的離散值x(t)，；當(dāng)前時(shí)刻n與時(shí)刻 n-L+1之間的遠(yuǎn)端信號離散值X(t)，構(gòu)成當(dāng)前時(shí)刻n的濾波輸入信號X(n)