CN105391879B - 一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法 - Google Patents
一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，包括：确定算法参数；始化滤波器，在滤波器初始时间内用滤波器步长极大值更新滤波器；先验滤波：去除远端信号向量中距离n时刻最远的数据，将当前远端信号更新至远端信号向量；利用滤波器的前一状态估计当前回声信号，并将估计出的当前回声信号从当前近端信号中滤除，得到先验误差信号；计算算法所需特征值；判断双端通话或回声路径的改变；进行步长更新；后验滤波，更新滤波器状态，根据更新后滤波器状态计算出后验误差信号，即为系统输出。在远端情况下线性回声消除后，基本无回声残留；双端通话下有效地滤除回声并完整清晰地保留了近端语音信号；近端情况不滤波，提高了声学回声消除系统性能，增强了语音质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种声学回声消除方法。特别是涉及一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法。
背景技术
声学回声主要是指从扬声器发出的声音被麦克风重新拾取后再次发送到远端形成的回声。声学回声消除器(Acoustic Echo Canceller,AEC)广泛应用于各种嵌入式设备和各种VoIP应用中，包括各种电信网络设备和终端设备、丰富的软件视频会议和VoIP软件电话等。一般的声学回声消除器至少包含双端通话检测模块(Double Talk Detector,DTD)、线性回声消除两个部分。图1是一个典型的声学回声消除器。
麦克风在时刻n接收的信号为：
d(n)＝y(n)+v(n)+w(n) 1.1
式中：d(n)代表近端信号，y(n)代表远端信号x(n)经过扬声器播放后产生的回声信号，v(n)代表近端语音信号，w(n)代表近端噪声信号。远端信号x(n)经过系统传递函数h滤波后形成回声
y(n)＝hT*x 1.2
其中，
h＝[h0(n)h1(n),...,hN-1(n)]T
x＝[x(n)x(n-1),...,x(n-N+1)]
x是远端信号向量，N为房间冲击响应长度，T代表矩阵的转置。
回声消除的目标就是设计一个自适应有限冲击响应滤波器估计出介于麦克风与扬声器之间的回声路径然后根据这一估计路径得到回声估计信号将其从d(n)中消除，而保留v(n)。
e(n)代表线性回声滤波器消除后得到的误差信号，其中，
L为自适应滤波器长度，实际中一般L<N。一般认为，声学回声消除器处理的场景分为三种情况：远端情况，只存在回声信号而不存在近端语音信号；近端情况，不存在回声，只存在近端语音信号；双端通话情况，回声信号与近端语音信号同时存在。
线性回声消除器主要依靠自适应算法来估计回声路径，其中最简单的自适应算法是最小均方误差算法(Least-mean-square,LMS)，其更新方程是
μ为自适应滤波器的步长，步长越大，滤波器更新速度越快，回声滤除地越干净，反之越慢。后来有人提出了归一化最小均方误差(Normalized Least-mean-square,NLMS)算法，其基本思想是利用输入信号的瞬时能量对步长进行归一化，NLMS算法的更新方程是
其中，|| ||表示2-范数，δ为一正常数。
随后，又有人提出了许多变步长归一化最小均方误差(Variable Step SizeNormalized Least-mean-square,VSS-NLMS)算法，但以上算法在双端通话和滤波器欠定模型(滤波器长度小于实际房屋空间响应长度)环境下，对回声消除器的工作有着很大的干扰。欠定模型双端通话鲁棒的变步长归一化最小均方误差算法(DOUBLE-TALK ROBUSTVariable Step Size Normalized Least-mean-square For Under-modelin,VSS-NLMS-UMDT)是一种新型双端通话鲁棒的回声消除算法，与其它VSS-NLMS算法相比不需要双端通话检测器(DTD)，就能够在欠定和双端通话情况下稳定工作，对近端干扰不敏感，依然保持较小且稳定的稳态失调，并且在实际应用中易于实施与控制，不需要声学环境的任何参数，鲁棒性很强。其提出的控制步长和更新方程是
式中，γed是e(n)与d(n)之间的互相关估计，η(n)是滤波器的收敛性统计参数，和分别代表d(n)、和e(n)的能量期望估计，δ、ξ均为一常数。以上参数可由式1.9和1.10得到
γed(n)＝E[e(n)*d(n)]＝λγed(n-1)+(1-λ)e(n)d(n) 1.9
E{·}表示数学期望，λ是一极小正常数，标记表示序列p(n)的能量估计，它可以通过指数递归公式来计算，计算方法是
该算法虽然优势明显，但是仍存在一些严重问题，在实际的应用中，采用VSS-NLMS和VSS-NLMS-UMDT算法只能抵消大概25dB的线性回声，输出信号中还有一些残留回声。这主要是因为该算法的控制步长变化小，导致在远端情况下步长不能足够大，回声就会被滤除地不干净，仍存在很多残留，人耳感觉很明显，严重降低整个系统性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种高性能、稳健、鲁棒的无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法。
本发明所采用的技术方案是：一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，包括如下步骤：
1)确定算法参数：
2)初始化滤波器，在滤波器初始时间M内用滤波器步长极大值μmax更新滤波器，要求M＜L；
3)先验滤波，所述的先验滤波，包括：去除远端信号向量x中距离n时刻最远的数据x(n-L)，将当前远端信号x(n)更新至远端信号向量x；利用滤波器的前一状态估计当前回声信号，并将估计出的当前回声信号从当前近端信号d(n)中滤除，得到先验误差信号ε(n)；
4)计算算法所需特征值；
5)判断双端通话或回声路径的改变；
6)进行步长更新；
7)后验滤波，将步骤6)得到的控制步长代入下式更新滤波器状态
根据更新后滤波器状态计算出后验误差信号e(n)，即为系统输出。
步骤1)所述的算法参数包括：包括语音采样频率fs，滤波器长度L，滤波器状态滤波器步长μ(n)，滤波器步长极大值μmax和滤波器初始时间M，远端信号向量x，当前先验误差信号ε(n)，后验误差信号e(n)，当前近端信号、当前远端信号、当前估计回声信号和当前先验误差信号的能量期望估计和误差信号与近端信号之间的互相关估计γed，收敛性统计参数η(n)，收敛性统计参数期望值expη(n)，收敛性统计参数最小阈值和最大阈值min和max，双端通话或回声路径改变标志flag，以及稳定时间t，算法参数中的n表示当前时刻。
步骤4)所述的计算算法所需特征值包括如下步骤：
(1)计算出先验误差信号ε(n)与当前近端信号d(n)之间的互相关估计γed，当前近端信号的能量期望估计当前回声信号的能量期望估计和当前先验误差信号的能量期望估计
(2)将步骤(1)给出的参数，代入如下公式得到收敛性统计参数η(n)，
(3)定义收敛性统计参数期望值expη(n)，计算公式是
expη(n)＝λ*expη(n-1)+(1-λ)*η(n) 1.13
λ是在0～1/1000之间的正常数。
步骤5)包括，设定当收敛性统计参数η(n)高于收敛性统计参数最大阈值max时判断为双端通话或回声路径发生改变，将双端通话或回声路径改变标志flag置1，由于说话会持续一定时间，所以在一定的稳定时间t内，一直采取滤波器步长μ(n)，定义时间计数器
counter＝t*fs 1.14
稳定时间内每处理一次，时间计数器counter减一，每当收敛性统计参数η(n)高于收敛性统计参数最大阈值max时，双端通话或回声路径改变标志flag置1，重置时间计数器counter；当时间计数器counter减小到零时，表明持续时间结束，双端通话或回声路径改变标志flag置0。
步骤6)中，若判断当前通话状况是处在远端情况下，并且收敛性统计参数期望值expη(n)小于收敛性统计参数最小阈值min时，采取滤波器步长极大值μmax；若双端通话或回声路径改变标志flag为1，在稳定时间内，即时间计数器大于0时，一直选取控制步长公式来控制步长，每处理一次，计数器值减一。
所述的控制步长公式是：
δ、ξ均为一常数。
步骤7)中所述的根据更新后滤波器状态计算出后验误差信号e(n)，是利用更新后滤波器状态估计当前回声信号，并将估计出的当前回声信号从当前近端信号d(n)中滤除，得到后验误差信号e(n)。
本发明的一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，是一种高性能、稳健、鲁棒的回声消除方法，通过收敛性统计参数和其期望值选择不同的控制步长调整方法，实现在大部分远端情况下选择大步长更新滤波器，其余时间则选择小步长更新滤波器，从而实现有效、干净地滤除回声。与其它方法相比，本专利所提方法在远端情况下线性回声消除后产生的误差信号小得多，基本无回声残留；双端通话下有效地滤除回声并完整清晰地保留了近端语音信号，稳态失调小；近端情况不滤波，提高了声学回声消除系统性能，增强了语音质量。
附图说明
图1是一个典型的声学回声消除器示意图；
图2a是远端语音信号时域图；
图2b是近端信号时域图；
图2c是近端语音信号时域图；
图3a是VSS-NLMS处理结果；
图3b是VSS-NLMS-UMDT处理结果；
图3c是本发明一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法的处理结果；
图4是本发明实施例处理流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法做出详细说明。
本发明的一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，是基于声学回声消除VSS-NLMS-UMDT算法，利用收敛性统计参数和其期望值标定出声学回声消除系统中绝大部分远端情况，从而在此期间选取大步长更新滤波器，实现有效、干净地过滤回声，而其他情况选取VSS-NLMS-UMDT算法的控制步长，提高声学回声消除系统性能。
本发明的一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，包括如下步骤：
1)确定算法参数：
所述的算法参数包括：包括语音采样频率fs，滤波器长度L，滤波器状态滤波器步长μ(n)，滤波器步长极大值μmax和滤波器初始时间M，远端信号向量x，当前先验误差信号ε(n)，后验误差信号e(n)，当前近端信号、当前远端信号、当前估计回声信号和当前先验误差信号的能量期望估计和误差信号与近端信号之间的互相关估计γed，收敛性统计参数η(n)，收敛性统计参数期望值expη(n)，收敛性统计参数最小阈值和最大阈值min和max，双端通话或回声路径改变标志flag，以及稳定时间t，算法参数中的n表示当前时刻。
2)初始化滤波器，为了满足自适应滤波器系数已经收敛到某一水平，在滤波器初始时间M内用滤波器步长极大值μmax更新滤波器，要求M＜L，M仅影响系统最初的收敛速率。
3)先验滤波，所述的先验滤波，包括：去除远端信号向量x中距离n时刻最远的数据x(n-L)，将当前远端信号x(n)更新至远端信号向量x；利用滤波器的前一状态估计当前回声信号，并将估计出的当前回声信号从当前近端信号d(n)中滤除，得到先验误差信号ε(n)；
4)计算算法所需特征值；
所述的计算算法所需特征值包括如下步骤：
(1)计算出先验误差信号ε(n)与当前近端信号d(n)之间的互相关估计γed，当前近端信号的能量期望估计当前回声信号的能量期望估计和当前先验误差信号的能量期望估计
(2)将步骤(1)给出的参数，代入如下公式得到收敛性统计参数η(n)，
(3)η(n)仅能够代表滤波器的当前状态，跳跃性较大，不能很好地跟踪描述滤波器。为了更好地统计滤波器的收敛性，从而定义收敛性统计参数期望值expη(n)，计算公式是
expη(n)＝λ*expη(n-1)+(1-λ)*η(n) 1.13
λ是在0～1/1000之间的正常数。
5)判断双端通话或回声路径的改变；
包括，VSS-NLMS-UMDT算法中残留回声过大，主要体现在远端通话情况下滤波器过滤回声不彻底。实验研究发现，由于滤波器在远端情况下稳定收敛，收敛性统计参数期望expη(n)大部分时间将处在某一极小值min以下，波动很少；而在双端通话或回声路径发生改变时，由于滤波器不稳定，η(n)将明显波动高于极小值，并会间断出现抖升至高于某一极大值max的情况。因此，设定当收敛性统计参数η(n)高于收敛性统计参数最大阈值max时判断为双端通话或回声路径发生改变，将双端通话或回声路径改变标志flag置1，由于说话会持续一定时间，所以在一定的稳定时间t内，一直采取滤波器步长μ(n)，定义时间计数器
counter＝t*fs 1.14
稳定时间内每处理一次，时间计数器counter减一，每当收敛性统计参数η(n)高于收敛性统计参数最大阈值max时，双端通话或回声路径改变标志flag置1，重置时间计数器counter；当时间计数器counter减小到零时，表明持续时间结束，双端通话或回声路径改变标志flag置0。
6)进行步长更新；
其中，若判断当前通话状况是处在远端情况下，并且收敛性统计参数期望值expη(n)小于收敛性统计参数最小阈值min时，采取滤波器步长极大值μmax；若双端通话或回声路径改变标志flag为1，在稳定时间内，即时间计数器大于0时，一直选取控制步长公式来控制步长，每处理一次，计数器值减一。所述的控制步长公式是：
δ、ξ均为一常数。
7)后验滤波，将步骤6)得到的控制步长代入下式更新滤波器状态
根据更新后滤波器状态计算出后验误差信号e(n)，即为系统输出。
所述的根据更新后滤波器状态计算出后验误差信号e(n)，是利用更新后滤波器状态估计当前回声信号，并将估计出的当前回声信号从当前近端信号d(n)中滤除，得到后验误差信号e(n)。
下面以语音采样率为16K、滤波器长度为1000阶的系统为例实施本专利所提方案，处理步骤参考图4流程图。
算法参数设置：语音采样频率fs＝16K,滤波器长度L＝1000，滤波器初始状态滤波器初始步长μ(n)＝0，ξ＝1*10-10，滤波器步长极大值和滤波器初始化时间M＝6s,远端信号向量x＝0，先验误差信号ε(n)＝0，后验误差信号e(n)＝0，近端信号、估计回声信号和误差信号的能量期望估计误差信号与近端信号之间的互相关估计γed＝0，收敛性统计参数η(n)＝0，收敛性统计参数期望值expη(n)＝0,收敛性统计参数阈值min＝0.01、max＝0.1，双端通话或回声路径改变标志flag＝0和稳定时间t＝2s，计数器counter＝0。
本算法具体实施步骤如下：
1、读取当前远端信号x(n)和当前近端信号d(n)，将当前远端信号x(n)更新至当前远端信号向量xL(n)中；
2、利用公式1.3和1.4，计算得到当前先验误差信号ε(n)；
3、利用公式1.8-1.10，计算出先验误差信号ε(n)与当前近端信号d(n)之间的互相关估计γed，当前近端信号的能量期望估计当前回声信号的能量期望估计和当前先验误差信号的能量期望估计收敛性统计参数η(n)和收敛性统计参数期望值expη(n)；
4、当n＜M*L时，此时是滤波器初始化阶段，令滤波器步长μ(n)＝μmax，执行第7步骤；否则执行下一步骤；
5、当收敛性统计参数η(n)大于收敛性统计参数最大阈值max时，令双端通话或回声路径改变标志flag＝1，时间计数器counter＝t*fs；否则若双端通话或回声路径改变标志flag＝1,时间计数器counter>0时，令counter＝counter-1；否则若flag＝1,counter＝0时，令flag＝0；否则继续。
6、当收敛性统计参数期望值expη(n)小于收敛性统计参数最小阈值min并且flag等于1时，令滤波器步长μ(n)＝μmax；否则，
7、将计算得到的步长代入式1.6得到然后将代入式1.4和1.3后得到后验误差信号e(n)。若读取语音已全部处理完毕，算法终止；否则跳转回第1步。
后验误差信号e(n)即为系统的最终输出。
Claims (6)
1.一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)确定算法参数；
2)初始化滤波器，在滤波器初始时间M内用滤波器步长极大值μmax更新滤波器，要求M＜L，L为自适应滤波器长度，L<N，N为房间冲击响应长度；
3)先验滤波，所述的先验滤波，包括：去除远端信号向量x中距离n时刻最远的数据x(n-L)，将当前远端信号x(n)更新至远端信号向量x；利用滤波器的前一状态估计当前回声信号，并将估计出的当前回声信号从当前近端信号d(n)中滤除，得到先验误差信号ε(n)；
4)计算算法所需特征值，包括如下步骤：
(1)计算出先验误差信号ε(n)与当前近端信号d(n)之间的互相关估计γed(n)，当前近端信号的能量期望估计当前回声信号的能量期望估计和当前先验误差信号的能量期望估计
(2)将步骤(1)给出的参数，代入如下公式得到收敛性统计参数η(n)，
(3)定义收敛性统计参数期望值expη(n)，计算公式是
expη(n)＝λ*expη(n-1)+(1-λ)*η(n) 1.13
λ是在0～1/1000之间的正常数；
5)判断双端通话或回声路径的改变；
6)进行步长更新；
7)后验滤波，将步骤6)得到的控制步长代入下式更新滤波器状态
其中，μ(n)是滤波器步长，根据更新后滤波器状态计算出后验误差信号e(n)，即为系统输出。
2.根据权利要求1所述的一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，其特征在于，步骤1)所述的算法参数包括：包括语音采样频率fs，滤波器长度L，滤波器状态滤波器步长μ(n)，滤波器步长极大值μmax和滤波器初始时间M，远端信号向量x，当前先验误差信号ε(n)，后验误差信号e(n)，当前近端信号、当前远端信号、当前估计回声信号和当前先验误差信号的能量期望估计和误差信号与近端信号之间的互相关估计γed(n)，收敛性统计参数η(n)，收敛性统计参数期望值expη(n)，收敛性统计参数最小阈值和最大阈值min和max，双端通话或回声路径改变标志flag，以及稳定时间t，算法参数中的n表示当前时刻。
3.根据权利要求1所述的一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，其特征在于，步骤5)包括，设定当收敛性统计参数η(n)高于收敛性统计参数最大阈值max时判断为双端通话或回声路径发生改变，将双端通话或回声路径改变标志flag置1，由于说话会持续一定时间，所以在一定的稳定时间t内，一直采取滤波器步长μ(n)，定义时间计数器
counter＝t*fs 1.14
其中，fs是语音采样频率，收敛性统计参数稳定时间内每处理一次，时间计数器counter减一，每当收敛性统计参数η(n)高于收敛性统计参数最大阈值max时，双端通话或回声路径改变标志flag置1，重置时间计数器counter；当时间计数器counter减小到零时，表明持续时间结束，双端通话或回声路径改变标志flag置0。
4.根据权利要求1所述的一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，其特征在于，步骤6)中，若判断当前通话状况是处在远端情况下，并且收敛性统计参数期望值expη(n)小于收敛性统计参数最小阈值min时，采取滤波器步长极大值μmax；若双端通话或回声路径改变标志flag为1，在稳定时间t内，即时间计数器counter＝t*fs大于0时，一直选取控制步长公式来控制步长，每处理一次，计数器值减一，fs为语音采样频率，收敛性统计参数期望值expη(n)＝λ*expη(n-1)+(1-λ)*η(n)。
5.根据权利要求4所述的一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，其特征在于，所述的控制步长公式是：
δ、ξ均为一常数，xL是长度为L的远端信号向量。
6.根据权利要求1所述的一种无回声残留双端通话鲁棒的声学回声消除方法，其特征在于，步骤7)中所述的根据更新后滤波器状态计算出后验误差信号e(n)，是利用更新后滤波器状态估计当前回声信号，并将估计出的当前回声信号从当前近端信号d(n)中滤除，得到后验误差信号e(n)。
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