CN107578782A - 一种变核宽度的最大熵子带回声消除方法 - Google Patents

一种变核宽度的最大熵子带回声消除方法 Download PDF

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一种变核宽度的最大熵子带回声消除方法,其步骤是:A、信号的采样与处理,远端信号构成当前时刻n分析滤波器一的输入向量U(n),输入向量U(n)经分析滤波器一分割成I个远端子带向量Ui(n),将远端信号滤波输入向量U(n)经分析滤波器分割成子带信号Ui(n);信号的抽取,将Ui(n)经抽取器进行N抽取,得到抽取后的输入信号Ui(k);B、滤波器的输出,将远端输入子带抽取向量Ui(k)通过自适应回声消除滤波器中的子带滤波器得到输出子带信号yi(k);C、回声抵消,将近端子带抽取信号di(k)与输出子带信号yi(k)相减得到误差信号ei(k),D、权系数向量的更新;E、令n=n+1,重复A、B、C、D的步骤,直至通话结束。该方法收敛速度快、稳态误差低,回声消除效果明显。

Description

一种变核宽度的最大熵子带回声消除方法
技术领域
本发明属于语音通信的自适应回声消除技术领域。
背景技术
在通信系统中,噪声和回声的干扰一直不能被忽略掉。其中,最主要影响语音通话质量的是声学回声。声学回声是指用户在通信过程中能够反复听到自己的声音。回声时延短是察觉不到的,可理解为频谱失真的一种形式。反之,时延超过几十毫秒,回声就可单独觉察到。由于人耳对回声极其敏感,因此对消除声学回声方法的研究仍是一个热门的课题。
在自适应回声消除方法中,被广泛用到的方法主要有传统最小均方(LMS)算法和仿射投影(APA)算法等。但是在回声信道中,大多数都是稀疏信道,这种稀疏系统的脉冲响值只有极少数不为零其余均为零或接近零。而在这种系统中LMS和APA算法的稳态误差就会变大、收敛速度变慢。子带滤波器算法,根据不同频率子带的信号变化不同,而采取不同的处理,能很大的提高相关信号的处理能力,从而提高收敛速度,也能进一步缓解滤波器在收敛速度和稳态误差上的固有矛盾。
目前,在系统辨识中较成熟的收敛性较好的子带回声消除方法有如下所示:文献1“Two Improved Normalized Subband Adaptive Filter Algorithms with GoodRobustness Against Impulsive Interferences”(Yu,Y.,&Zhao,H.,Circuits SystSignal Process(2016)35:4607–4619)该方法能够很好的解决带边效应限制,但该算法基于去冲激干扰的误差信号(误差信号在当前时间段的加权最小值)进行信号跟踪,能够提高收敛速度并减少稳态误差。但由于对去冲激干扰的误差信号使用了固定的核宽度进行限制,核宽度大时,收敛速度快,稳态误差大;核宽度小时,则收敛速度慢,稳态误差小;而不能动态的调整核宽度,导致其不能更好的解决收敛速度和稳态误差之间的矛盾。
发明内容
本发明的目的就是提出一种变核宽度的最大熵子带回声消除方法,该方法进行回声消除,能获得更快的收敛速度和更低的稳态误差。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是,一种变核宽度的最大熵子带回声消除方法,其步骤如下:
A、信号的采样与处理
将当前时刻n到时刻n-L+1之间的采样远端信号u(n),u(n-1),...,u(n-L+1),构成当前时刻n分析滤波器一的输入向量U(n),U(n)=[u(n),u(n-1),...,u(n-L+1)]T;L=512是滤波器抽头数,上标T表示转置运算;
分析滤波器一将输入向量U(n)按频带分割成I个远端子带向量Ui(n),Ui(n)=[ui(n),ui(n-1),...,ui(n-L+1)]T
同时,分析滤波器二将近端麦克风拾取到的当前时刻n的带回声的近端信号d(n)按频带分割分割成I个近端子带信号di(n);
其中,i为远端子带向量或近端子带信号的序号,i=1,2,...,I,I为远端子带向量和近端子带信号的总个数,其取值为2、4、6、8;
B、信号抽取
将远端子带向量Ui(n)经抽取器进行I抽取,即将n=k=KI时刻的远端输入子带向量Ui(n)抽出,得到抽取时刻k的远端子带抽取向量Ui(k),Ui(k)=[ui(k),ui(k-1),...,ui(k-L+1)]T;其中,K为抽取的序号;
对近端子带信号di(n)也经抽取器进行I抽取,即将n=k=KI时刻的近端子带信号di(n)抽出,得到抽取时刻k的近端子带抽取信号di(k),di(k)=di(KI);
C、滤波器的输出
将抽取时刻k的远端子带抽取向量Ui(k)通过自适应回声消除滤波器中的子带滤波器得到抽取时刻k的输出子带信号yi(k),其中W(k)为子带滤波器在抽取时刻k的权系数向量,W(k)=[w1(k),w2(k),..wl(k).,wL(k)]T;wl(k)为权系数向量W(k)中的第l个权系数,l=1,2,...,L为权系数wl(k)的序号;W(k)的初始值为零,即W(1)=0;
D、回声抵消
将抽取时刻k的近端子带抽取信号di(k)与抽取时刻k的输出子带信号yi(k)相减得到抽取时刻k的子带误差信号ei(k),即抽取时刻k消除回声后的子带回送信号ei(k),ei(k)=di(k)-yi(k),并将抽取时刻k的子带误差信号ei(k)送回给远端;
E、权系数向量的更新
E1、计算去冲激干扰的近端信号
根据抽取时刻k的误差信号ei(k)算出抽取时刻k的去冲激干扰的误差信号
其中τ1表示误差信号估计量的平滑参数,取值为0.2;min(·)表示取最小值运算;的初始值为零,即Nw为误差信号平方平滑估计的平滑窗口的大小,取值为10~20;
E2、抽取时刻的核宽度计算:
抽取时刻k的核宽度σi(k),按以下方法得出:
如果则σi(k)=σ0
如果
其中kσ为限定常数,取值为20,σ0为初始核宽度,取值为5~20;
E3、权系数向量的更新
按下式更新得到下一个抽取时刻k+1的权系数向量W(k+1),
其中,μ表示步长参数,取值为0.1;exp[·]表示指数运算;
F、重复
令n=n+1,重复A、B、C、D、E的步骤,直至通话结束。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明的核宽度σi(k)的值是根据噪声环境的状态而变化的,当去冲激干扰的误差信号(误差信号在当前时间段的加权最小值)大于设定阈值时,判定存在冲击噪声时,核宽度σi(k)的值等于其上限值;权系数向量W(k+1)
新公式中的更新项接近于0,算法不更新。因此算法具有抗冲击噪声的能力,稳态误差小。
当去冲激干扰的误差信号(误差信号在当前时间段的加权最小值)小于设定阈值时,判定不存在冲击噪声,核宽度σi(k)的值等于去冲激干扰的误差信号与设定常数的乘积权系数向量W(k+1)更新公式中的更新项不接近于0,权系数向量W(k+1)更新与输入和和近端信号有关,算法类似于NLMS。因此算法可以得到很快的收敛速度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明
附图说明
图1是本发明仿真实验的信道图。
图2是文献1(MCC-SSAF)方法和本发明在真实语音信号为输入信号时,仿真实验的归一化稳态失调曲线。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是:一种变核宽度的最大熵子带回声消除方法,其步骤如下:
A、信号的采样与处理
将当前时刻n到时刻n-L+1之间的采样远端信号u(n),u(n-1),...,u(n-L+1),构成当前时刻n分析滤波器一的输入向量U(n),U(n)=[u(n),u(n-1),...,u(n-L+1)]T;L=512是滤波器抽头数,上标T表示转置运算;
分析滤波器一将输入向量U(n)按频带分割成I个远端子带向量Ui(n),Ui(n)=[ui(n),ui(n-1),...,ui(n-L+1)]T
同时,分析滤波器二将近端麦克风拾取到的当前时刻n的带回声的近端信号d(n)按频带分割分割成I个近端子带信号di(n);
其中,i为远端子带向量或近端子带信号的序号,i=1,2,...,I,I为远端子带向量和近端子带信号的总个数,其取值为2、4、6、8;
B、信号抽取
将远端子带向量Ui(n)经抽取器进行I抽取,即将n=k=KI时刻的远端输入子带向量Ui(n)抽出,得到抽取时刻k的远端子带抽取向量Ui(k),Ui(k)=[ui(k),ui(k-1),...,ui(k-L+1)]T;其中,K为抽取的序号;
对近端子带信号di(n)也经抽取器进行I抽取,即将n=k=KI时刻的近端子带信号di(n)抽出,得到抽取时刻k的近端子带抽取信号di(k),di(k)=di(KI);
C、滤波器的输出
将抽取时刻k的远端子带抽取向量Ui(k)通过自适应回声消除滤波器中的子带滤波器得到抽取时刻k的输出子带信号yi(k),其中W(k)为子带滤波器在抽取时刻k的权系数向量,W(k)=[w1(k),w2(k),..wl(k).,wL(k)]T;wl(k)为权系数向量W(k)中的第l个权系数,l=1,2,...,L为权系数wl(k)的序号;W(k)的初始值为零,即W(1)=0;
D、回声抵消
将抽取时刻k的近端子带抽取信号di(k)与抽取时刻k的输出子带信号yi(k)相减得到抽取时刻k的子带误差信号ei(k),即抽取时刻k消除回声后的子带回送信号ei(k),ei(k)=di(k)-yi(k),并将抽取时刻k的子带误差信号ei(k)送回给远端;
E、权系数向量的更新
E1、计算去冲激干扰的近端信号
根据抽取时刻k的误差信号ei(k)算出抽取时刻k的去冲激干扰的误差信号
其中τ1表示误差信号估计量的平滑参数,取值为0.2;min(·)表示取最小值运算;的初始值为零,即Nw为误差信号平方平滑估计的平滑窗口的大小,取值为10~20;
E2、抽取时刻的核宽度计算:
抽取时刻k的核宽度σi(k),按以下方法得出:
如果则σi(k)=σ0
如果
其中kσ为限定常数,取值为20,σ0为初始核宽度,取值为5~20;
E3、权系数向量的更新
按下式更新得到下一个抽取时刻k+1的权系数向量W(k+1),
其中,μ表示步长参数,取值为0.1;exp[·]表示指数运算;
F、重复
令n=n+1,重复A、B、C、D、E的步骤,直至通话结束。
仿真实验
为了验证本发明的有效性,进行了仿真实验,并与现有的文献1的方法进行了对比。
仿真实验的采样频率为8KHz。背景噪声是30dB信噪比的零均值高斯白噪声。回声信道脉冲响应在长6.25m,宽3.75m,高2.5m,温度20℃,湿度50%的安静密闭房间内获得,脉冲响应长度即滤波器的抽头数L=512。
按照以上实验条件,用本发明方法与现有的文献一方法进行回声消除实验。各种方法的实验最优参数取值如表1。
表1各方法的实验最优参数取值
文献一(MCC-SAF) κ=0;ε=0.0001;δ=0.01;N=4
本发明 fl(0)=0.001;δ=0.01;N=4;σ0=20;k0=20
图1是实验用的安静密闭房间构成的通信系统的信道图。
图2是文献一(MCC-SSAF)的方法和本发明方法,在真实语音信号为输入信号时,仿真实验得到的归一化稳态失调曲线。
从图2可以看出:本发明在约1000个采样时刻(0.8s)收敛,稳态误差约在-36dB;而文献1则在约10000个采样时刻(2.5s)收敛,稳态误差约在-25dB;本发明比文献1的稳态误差减小了近两倍,收敛时间仅为文献1的1/3。

Claims (1)

1.一种变核宽度的最大熵子带回声消除方法,其步骤如下:
A、信号的采样与处理
将当前时刻n到时刻n-L+1之间的采样远端信号u(n),u(n-1),...,u(n-L+1),构成当前时刻n分析滤波器一的输入向量U(n),U(n)=[u(n),u(n-1),...,u(n-L+1)]T;L=512是滤波器抽头数,上标T表示转置运算;
分析滤波器一将输入向量U(n)按频带分割成I个远端子带向量Ui(n),Ui(n)=[ui(n),ui(n-1),...,ui(n-L+1)]T
同时,分析滤波器二将近端麦克风拾取到的当前时刻n的带回声的近端信号d(n)按频带分割分割成I个近端子带信号di(n);
其中,i为远端子带向量或近端子带信号的序号,i=1,2,...,I,I为远端子带向量和近端子带信号的总个数,其取值为2、4、6、8;
B、信号抽取
将远端子带向量Ui(n)经抽取器进行I抽取,即将n=k=KI时刻的远端输入子带向量Ui(n)抽出,得到抽取时刻k的远端子带抽取向量Ui(k),Ui(k)=[ui(k),ui(k-1),...,ui(k-L+1)]T;其中,K为抽取的序号;
对近端子带信号di(n)也经抽取器进行I抽取,即将n=k=KI时刻的近端子带信号di(n)抽出,得到抽取时刻k的近端子带抽取信号di(k),di(k)=di(KI);
C、滤波器的输出
将抽取时刻k的远端子带抽取向量Ui(k)通过自适应回声消除滤波器中的子带滤波器得到抽取时刻k的输出子带信号yi(k),其中W(k)为子带滤波器在抽取时刻k的权系数向量,W(k)=[w1(k),w2(k),..wl(k).,wL(k)]T;wl(k)为权系数向量W(k)中的第l个权系数,l=1,2,...,L为权系数wl(k)的序号;W(k)的初始值为零,即W(1)=0;
D、回声抵消
将抽取时刻k的近端子带抽取信号di(k)与抽取时刻k的输出子带信号yi(k)相减得到抽取时刻k的子带误差信号ei(k),即抽取时刻k消除回声后的子带回送信号ei(k),ei(k)=di(k)-yi(k),并将抽取时刻k的子带误差信号ei(k)送回给远端;
E、权系数向量的更新
E1、计算去冲激干扰的近端信号
根据抽取时刻k的误差信号ei(k)算出抽取时刻k的去冲激干扰的误差信号
<mrow> <msub> <mover> <mi>e</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mover> <mi>e</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>min</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>N</mi> <mi>w</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>)</mo> </mrow>
其中τ1表示误差信号估计量的平滑参数,取值为0.2;min(·)表示取最小值运算;的初始值为零,即Nw为误差信号平方平滑估计的平滑窗口的大小,取值为10~20;
E2、抽取时刻的核宽度计算:
抽取时刻k的核宽度σi(k),按以下方法得出:
如果则σi(k)=σ0
如果
其中kσ为限定常数,取值为20,σ0为初始核宽度,取值为5~20;
E3、权系数向量的更新
按下式更新得到下一个抽取时刻k+1的权系数向量W(k+1),
<mrow> <mi>W</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>W</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>I</mi> </munderover> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>e</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>i</mi> <mi>T</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>e</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>i</mi> <mi>T</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中,μ表示步长参数,取值为0.1;exp[·]表示指数运算;
F、重复
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