自适应回声消除器设计.pdf

第 4 3卷 第 1 0 期 2 O 1 7年 1 O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 No ．1 0 oc t ．2 O1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 0 0 0 9 7 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 1 0 ． 0 2 0 自适应回声消除器设计 李文峰 ， 王 晓辉 ， 孙 小业 西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘 要 针 对救援 通信 系统语 音通 话过 程 中回 声干扰 问题 ， 基 于采 用 归一化 最 小均方误 差 算法 的 自适应 滤 波 器和 语音 检 测模块 ， 设 计 了一种 自适 应 回声 消除 器 ， 介 绍 了该 自适应 回声 消 除 器的 工作 原 理 和设 计 方案 。 测 试结 果表 明 ， 该 自适应 回 声消 除器 收敛速 度 快 ， 可在 1 S内收 敛到 一3 0 d B 以下 ， 基本 消除音频 信号 回声 。 关键词 救援通信 ；语音通信 ；回声消除；自适应滤波器；归一化最小均方误差算法 中图分 类号 TD 6 5 5 文 献标 志码 A 网 络 出版 时 间 2 0 1 7 - 0 9 2 7 1 5 0 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 9 2 7 ． 1 5 0 7 ． 0 2 0 ． h t ml De s i gn o f s e l f a d a p t i v e e c h o c a nc e l l e r LI W e nf e ng， W ANG Xi a ohu i ， S U N Xi a oy e Co l l e g e o f Co mmu n i c a t i o n a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Xi a n 7 1 0 0 5 4，Ch i n a Ab s t r a c t I n vi e w 0 p r ob l e m 0 { e c ho i n t e r f e r e nc e i n v o i c e c omm u ni c a t i on O r e s c u e c o mm un i c a t i o n s y s t e m ，a s e l f - a da p t i v e e c ho c a nc e l l e r wa s de s i gne d b a s e d on s e l f - a d a p t i v e f i l t e r u s i n g n o r ma l i z e d l e a s t me a n s q u a r e a n d v o i c e d e t e c t i o n mo d u l e ．W o r k i n g p r i n c i p l e a n d d e s i g n s c h e me o f t h e s e l f a d a p ti v e e c h o c a n c e l l e r we r e i n t r od uc e d．The t e s t r e s u l t s s ho w t h a t t he s e l f - a d a pt i ve e c ho c a nc e l l e r ha s r a p i d c o nv e r g e n c e s p e e d，whi c h c a n c on v e r ge t o be l o w 一 3 0 d B wi t hi n 1 S ，a n d ba s i c a l l y e l i mi na t e a ud i o s i g na l e c ho． Ke y wo r ds r e s c ue c o mm u ni c a t i o n； v o i c e c o mm u ni c a t i on； e c h o c a n c e l l a t i o n； s e l f - a d a p t i v e f i l t e r ； no r m a l i z e d l e a s t me a n s qu a r e 0 引言 中国煤矿井下作业远离地面， 地形复杂， 环境恶 劣 ， 人员 、 设 备分 散 ， 矿 山安 全 事 故 与 自然 灾 害 发 生 频繁 。当发 生灾 难 后 ， 在 抢 险 救 援 现 场 和指 挥 中心 之间建立稳定 的救援通信系统必不可少l 1 ] 。语音通 信是 救援 通 信系 统基 本功 能之 一 。井下 救 护人员 可 通过语音通话及时上报灾 害现场和救援情况 ， 同时 井下 救护 人员 之 间还 可语 音 通 话 ， 彼 此 配 合 完 成 救 援任务。井上指挥 中心可通过语音通话直接下达救 援指示 ， 协 调 各 项 工 作_ 2 ] 。由于 井 下 空 间 狭 窄 等 因 素， 扬声器里传来的语音极易经过巷道壁 的反射再 次进入麦克风传给说话 者 ， 形成 回声 干扰 ， 降低 了通话质量 ， 影响救援人员与指挥中心之 间的正常 沟通 。鉴 此 ， 本 文设 计 了一种 自适 应 回声消 除器 ， 为 解 决 井下应 急 救援 中语音 通话 时 回声干 扰 问题 提供 应 用 方案 。 1 自适应 回声 消 除器设 计 自适应 回声 消 除器 主要 由语音 检测模 块 和 自适 应 滤波 器模 块组 成 ， 如 图 1所 示 。语 音 检 测模 块 控 制 自适应回声消除器的工作模式 ， 自适应滤波器模 块 用 于产生 真实 回声 的估 计 信 号 ， 通 过 调 整滤 波 器 阶数及权系数 ， 自动跟踪 回声信号变化 ， 实现 回声 收稿 日期 2 0 1 7 0 6 0 2 ； 修回 日期 2 0 1 7 0 9 0 7 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 陕西省科技统筹创新工程计划资助项 目 2 0 1 5 KTC Q0 3 1 0 。 作者简 介 李文 峰 1 9 6 9 一 ， 男 ， 河南襄城人 ， 教授 ， 博士 ， 主要研究方 向为应急救援和矿山信息化技术， E ma i l l i we n f e n g x u s t ． e d u ． e n 。 引用格式 李文峰 ， 王 晓辉 ， 孙小业． 自适应 回声消 除器设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 0 9 7 1 0 0 ． L I We n f e n g ， WANG Xi a o h u i ， S UN Xi a o y e ． D e s i g n o f s e l f - a d a p t i v e e c h o c a n c e l l e r J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 0 9 7 1 O 0 ． 9 8 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 抑制 。 扬 声 器 图 1 自适应 回声 消除器工 作原理 Fi g． 1 W o r ki ng pr i n c i p l e of s e l f - a da p t i v e e c ho c a nc e l l e r 远 端 扬声 器 端 输 入 信号 ．3 g n 经 外 界 环境 干 扰形成回声信号 r n ， 原始语音信号 S n 和 回声信 号 r 叠加 形成 近端 麦克 风端 输入 信 号 d 一 s ” r n 1 自适 应 滤 波 器 根 据 远 端 扬 声 器 端 输 入 信 号 z 经 过 回声 路 径 的特 性 产 生 一个 回声 估计 信 号 ， 近端 麦克风端 输入信号 n 减去 自适应滤 波 器输 出 的 回声估 计 信号 n 得 到误差 信号 e T I 一 d 一 Y 7 2 2 由式 1 、 式 2 得 P 一 S r 一 Y 3 要 使 误 差 信 号 e 无 限 接 近 原 始 语 音 信 号 s ， 就要让 回声估计信号 Y i n 尽可能接近 回声信 号 r ， 从 而实 现 回声 消 除 。 1 ． 1语 音 检 测 模 块 自适 应 回声 消除 器通过 语音 检测 模块 检测 当前 语音 环境 ， 根 据远 端 通 话 、 双 端 通 话 、 近 端 通话 和静 音 4种语 音模 式 ， 分别 选择 对应 的 自适应 回声 消除 、 冻结、 旁路和静默 4种工作模式 。 1 远 端通 话检 测 。计算 远端 信 号 的短 时 能量 E 协和 近端 信号 的短 时能量 E⋯ 之 间 的 比值 ， 如 果 比 值 大 于某一 阈值 阈值 一 般 通过 实验 或 测 试 经 验来 确 定 ， 则判 断为 远 端 通话 语 音 模 式 ， 自适 应 回声 消 除器进 入 自适应 回声 消 除工 作 模 式 ， 即更 新 滤 波器 权 系数 、 开启 滤 波功 能 。 2 双 端 通 话 检 测 。 由 于 近 端 原 始 语 音 信 号 s 和远 端输 入信 号 ．7g 是 相关 的 ， 通 过 计 算 二者 之 间 的互 相关 量 来 判 断是 否 为 双 端 通话 语 音 模 式 。 如 果语音 环 境为 双 端 通话 语 音 模 式 ， 白适 应 回声 消 除器进 入冻 结工作 模 式 ， 即停止 更新 滤波 器权 系数 、 开 启滤 波功 能 。 3 近端通话检测。计算近端信号的短时能量 E ⋯ 、 远 端信 号 的短时 能 量 E ， 设置 合 适 的阈值 a ， 如 果 E ⋯ a E ， 则 判断 为近端 通话 语音 模 式 ， 自适 应 回声 消 除器进 入 旁 路工 作 模 式 ， 即停 止 更 新 滤 波 器 权 系数 、 关 闭滤 波功 能 。 4 静 音 检 测 。根 据 信 息 熵 公 式 ， 当检 测 到 原 始语音 信号 的熵 为零 时 ， 则 判断 为静音 语音 模式 ， 此 时存在 各种 背景 噪 声 ， 自适 应 回声 消 除器 进 入 静 默 工 作模 式 ， 即利用 自适 应滤 波器来 模拟 背景 噪声 ， 然 后 从误 差信 号 中减去该 背景 噪声 的估计 信号 来抑 制 背景 噪声_ 7 ] 。 1 ． 2 自适 应滤 波 器模 块 自适应 滤波 器模块 包 括滤波 器单 元和 自适应 算 法单元 。滤波器单元根据远端输入信号 z n 产生 一 个回声估计信号 n ； 自适应算法单元根据误差 信号 来 调 整 滤 波 器 权 系 数 ， 使 回声 估 计 信 号 逐 步逼 近 回声信 号 r 。 1 滤波 器单元 。滤波器 采 用有 限长 单 位 冲激 响应 F i n i t e I mp u l s e R e s p o n s e ， F I R 滤 波 器 ， 其 输 入和输 出关 系表 达式 为 N-- 1 一∑h k x n 一 是 4 0 式中 N 为有 限信号序列长度； h k 为 回声路径 的 单位 脉 冲响应 。 式 4 的时域 表 达式 为 一 w T 5 式 中 w 为滤 波器权 系数 。 2 自适 应算 法单元 。通 过 自适 应算 法 计 算滤 波器 权 系 数 W ， 使 w X 尽 可 能 接 近 r 。均方误 差 为 EE e ] Er ” 一2 d w T X T w i n ] 6 式 6 是关 于滤 波器权 系数 的二 次抛 物面 函数 ， 调节 滤波 器权 系数 使 均 方误 差 最 小 ， 相 当于 函数沿 抛物 面下 降寻 找最 小值 。 利用 梯 度 信 息寻 找 最小 值 是 一种 常 用 的 方法 ， 最小 均方 误差 L e a s t Me a n S q u a r e ， L MS 算 法 利 用 瞬时误 差信 号 的平方值 来估 计均 方误 差 函数 的梯 度 ， 权系 数更新 式 为 wi n 1 一 y e 7 式 中 为步 长参量 。 当 较 小时 ， 失调 小 ， 但 收敛 速 度 慢 ； 当 较 大 时 ， 收敛 速 度 快 ， 但 失 调 大 。为 解决 这 一 矛 盾 ， 采 用 归 一 化 最 小 均 方 误 差 No r ma l i z e d L e a s t Me a n S q u a r e ， NL MS 算法l g ] ， 即用可变步长参量代替 固 定步 长参 量 ， 权 系数 更新式 为 w 1 一 w X n ， 2 L 十 8 2 0 1 7年 第 1 O期 李文峰 等 自适应 回声 消除 器设 计 9 9 式 中 为 常 数 ， 用 来 平 衡 收 敛 速 度 和 稳 态 失 调 ； 为 较小 的常数 ， 用来 避免 步 长参 量过 大 。 迭 代 开始 时步 长 参 量 比较大 ， 具 有 较 快 的 收敛 速度 。随着 迭代 的进 行 ， 步长 参 量逐 渐减 小 ， 到达稳 态 时 ， 具 有较 小 的失 调 。 1 ． 3软 件 流 程 自适应 回声 消除 器 主 要 通过 软 件 实 现 ， 流程 如 图 2所示 。操作 系统 采 用 L i n u x系 统r 1 ， 编 程 采用 Mi c r o s o f t Vi s u a l C 6 ． 0 。初 始 化后 首 先 进行 语 音模 式 检测 ， 自适 应 回声 消 除器 根 据 不 同语 音模 式 选择 不 同工 作模 式 ， 各 个 不 同工 作 模 式 对 应 滤 波器 权 系 数 的 更 新 与 否 及 滤 波 器 滤 波 功 能 的 开 启 与 关 闭 。 图 2 白适应 回声消 除器 软件 流程 Fi g． 2 S of t wa r e pr oc e s s of s e l f - a d ap t i v e e c h o c a n c e l l e r 2测试 验证 自适 应 回 声 消 除 器 在 多 媒 体 救 援 通 信 系 统口 硬件 平 台 上 进 行 了应 用 测 试 。用 户 通 过 硬 件设备接收远端传送来的语音信号 ， 再经过 自适应 回声消除器对采集的音频信号进行处理。从收敛速 度 和 回声 消 除 效 果[ 1 3 ] 2个 方 面 来 测 试 自适 应 回声 消 除器性 能 。 1 收敛 速 度 。在 静 音 语 音 模 式 下 ， 随机 提 取 一 段背景噪声 ， F I R滤波器的阶数分别设置为 6 4和 2 5 6 。经 自适应 回声消除器处理后 ， 背 景噪声误差 、 均方 误差 曲线 分 别 如 图 3 、 图 4所 示 。可 看 出滤 波 器阶数较大时 ， 收敛速度较慢 ， 但波动较小 ， 稳态失 调 小 ， 自适应 回声消 除器 在 纯 回声 情 况下 ， 在 1 s内 即可收 敛到 一3 O d B以下 。 2 回声消除效果 。在双端通话语音模式下 ， 分别从远端输入信号和近端输入信号 中随机提取一 段通话语音 ， F I R滤波器 的阶数设置为 2 5 6 ， 自适应 回声 消 除器处 理前 后 波形对 比如 图 5所示 。可看 出 经 自适应 回声消除器处理后 的音频信号中基本消除 了回声 。 兽 j I{lj 露 图 3 背景噪声误差曲线 F i g ． 3 Er r o r c u r v e o f b a c k g r o u n d n o i s e 图 4 背 景噪声 均方误 差曲线 Fi g ． 4 M e a n s q u a r e e r r o r c u r v e o f b a c k g r o u n d n o i s e 3 结语 介 绍 了 自适 应 回声 消 除器 工 作 原 理 及设 计 方 案 。测试 结果 表 明 ， 该 自适 应 回声 消 除器 收敛 速 度 快 ， 可在 1 S内收敛 到 一3 0 d B以下 ， 基本 消除 了音 频信 号 回声 。 目前 ， 自适 应 回声 消 除 器 已成 功 应 用 于多媒体救援通信 系统 中， 下一步将研究复杂度更 低的自适应滤波算法。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] 于雷 ， 陈佳林． 基 于无线移 动通讯 的矿 山应急通 信与 监测系统研究 E J ] ． 中 国安 全生 产科 学技术 ， 2 0 1 4 ， 1 0 增刊 1 3 0 0 - 3 0 3 ． YU L e i ，CHEN J i a l i n ．S t u d y o n mi n e e me r g e n c y c ommun i c at i on a nd mo ni t o r i ng s y s t e m b a s e d o n wi r e l e s s mo b i l e[ J ] ．J o u r n a l o f S a f e t y S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 0 1 4， 1 0 S 1 3 0 0 3 0 3 ． [2 ] 李文峰 ， 唐善 成． 矿山应 急救援 平 台互 联 网应 急救援E M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 1 6 ． 工矿 自动化 2 l 7年 第 4 3卷 幅 S 1 量 0 里一l 一 1 ， 0 一 1 [ 3] [ 4] [ 5] [6 ] [ 7] [ 8] [9 ] 时 ln J l s } lj I _ _ ． 化味盘 f i 语 爵惦 l ， E 二 簟 二二 二 二 二 ． 二 ． 二 二 二 ． 二 二 二 ． 1 4 5 6 7 时问／ I 1 二 二 二二 二 二 二 二 二 二 二 0 2 4 5 6 7 时问／ I 1 化近端输 入信 9 l 0 二 _ L_ 二二． 二二 二二 二 二 ． 0 时问 d iJ 1 化 M J { 消 除 信 d 罔 5 r 1 适 啦 回声 淌 除 器处 Ij 1_『 后波 形 埘 比 Fi g． 5 W av e f o r m s b e f o r e I l l d a f l e r pr oe e s s i n g o f s e l f a da pt i vc 台宏达． 语 通 信系统中的 自适应 川声淌除技 术[ J ． 计 算机仿真 ， 2 0 1 5 ． 3 2 9 2 0 9 2 1 3 ． TA1 Ho ng da ． Ada pt i v e e c ho c a n c e l l a t i on t e c hn i qt le i n s p e e c h s y s l e m j ] ． C o mp u t e r S i mu l a t i o n ． 2 o l ， 3 2 9 2 o9 21 3． AS I AM M S ．C o mme n t s o n ” d e s i g n o f f r ；l c l i o n a l l 1 【 ] j a d a p t i v e s t r a t e g y f o r i n p u t n o n l i n e a r [ 1 0 X J e n k i n s s y s t e ms ” [ 』 ] ． S i g n a l f r o c e s s i n g ． 2 0 i 6 ． j l 9 I R 9 一 J 7 0 ． CHEN Yo n g．W ANG F a n g．W AN J i a n we i ．e l a 1 ． M ASS RAB robus t a da p t i v e b e a mf or mi ng f or g e n e r a l r a n k s i g n a l mo d e l s v i a ma t h e d s I a t i a l [ I 】 ] s p e e t r u m p r o c e s s i n g[ J ] ．Ap p l i e d A c o u s t i c s ， 2 1 1 6 11 l 2 05 21 3． 林 耀 荣 ．自适 应 滤 波 理 论 及 在 回 波 消 除 r 1 1 的 膻 川 fjJ I 究 [ D ] ． 广州 华南理二 r 大学 ， I 9 9 9 ． 梁鸿斌． 手机 V o l P残余 叵 J 声抑 制技 术的研究 [ J ] ． 通 [ 1 2 ] 信 技 术 ， 2 o 1 1 ， I 7 7 7 1 l 7 1 7 ． LI ANG Hon gbi n． St u dy OU r e s k hml C C ho s up pr t 、 s s i on t e c h n i q u e o f mo t fi l e p h o n e Vo l PE J ． Co mmu n i c a t i o n s Te c h, ol og y． 20l1 ．1 7 7 7l l 7l 7． 曹业丽． 自适 应滤波 器中 L MS算法 的心川 [ J ] ． 仪 器 仪 表 学 报 ， 2 0 0 5 ． 2 6 8 1 5 2 r 1 ． L l 3 j CA Ya l i ．The a ppl i c a t i on of I MS a l gor i t h m i n a d a p t i v e f i l t e r[ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I ns t r un l e nt ， 2 ／ 1 5， 2 6 8I 52 4 5t ． 孙蛸 ． 王 俊 ． 刘 斌． 改进 的 N I MS算法 及 f i 通 预测 中的应用 [ J ] ． 中 电予科学 研究院学 报 ． 2 0 0 7 ， 2 5． 5 07 51 2 ． 8 9 l 0 SUN J t l a n， WAN ；n} j 】 ． I I U I 3 i n ．I mp r o v e d v a r i l h i e s l e p s i z e I M S a l go r i t hm a nd i t s a pp l i c a t i o n i n a d a p l i v e p r e d i c t i o n l J ] ． J o u r l l a l o f C h i n a A e a d e m ． y o f El e c l r oni c s a l l d l nf or m a i t o n l e e hn ol og y． 2 0 07． 25 5 07 5l 2 ． 术延昭． 嵌入式操作系统介绍及选 型原则[ J ] ．【 业控 制 汁算 机 ． 2 0 0 5， l 8 7 1 1 1 2 ． S N Ya nz h a o．【 I 1 t r o 0 uc l i o n ⋯c I 1 1 b e dd e d op e r al 1 n 妊 s y s t e m a n d s e l e c t i o n p r i n c i p l e l J ] ． I n d u s t r i a l o n t r o l 【 、 o n l pL l t er ， 2 005． 1 8 7l 卜 l 2 ． 拿文峰 ． 徐精彩 ． ； 6 l5 学 f { ． 一种矿1 l l】 救援多媒体通信装 置L J J ． 煤矿 发个． 2 O 0 5 ． 3 6 6 2 3 2 1 ． I I W e n f e n g ， XU J i n g c a i Z HENG Xu e z h a o ． A k i n d o f ni t dr me di a c o mmun i c a t i o n de v i c e s f or mi ne r e s t up [ - 『 I ． S a f e t y m C o a l Mi n e s ． 2 0 0 5 ， 3 6 6 2 3 2 , 1 ． 文峰 ． 晓莉 ， 徐 兜慢 ． 等． 多媒体救援 通信 系统 川竹理软仲设 计L J ] ．1 矿 f l 动化． 2 O 1 2 ． 3 8 2 9 一 l 2 ． I I W e nf e n g． FAN ；Xi a ol i ． XU Ke q i a n g， e t a 1 ．I e s i gn of a p l i c a t i on I l l a n ag e n e ll [ s of t wa r e o f mul t i me di a r e s e t l e c o n l n l t l l l i e a l i o n s y s t e m L J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n． 2 Ol 2． 3 8 9 l 2． 陈 志 ． 乐彦杰 ， 张繇 ． 等． 川干 州J 肖 除 系统 的 [ I 适 应延迟什 汁算 法研 究L J ] ． 科学 技术 L j[ ． 2 0 1 5 ． 1 5 3 21 1。9l 9． CHEN Gu o z h i ．LE Ya n j i e ．ZHANG L e i t e l r l1 ． Re s e a r c h O l 1 a da pt i v e{ l e l a y e s [ i mat i u n al g or i d ms u s e d f o r e c h o c a n c e l l a t i o n s y s I _n 1 [ J ] ． S c i e n c e F e c h n o l o g y a nd En gi ne e r i ng． 2 O1 j、 1 5 3 l l2 Ll 9．