CN108111704B - 一种非接触式自适应回声消除装置及回声消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非接触式自适应回声消除装置及回声消除方法，该装置包括自适应辨识滤波器(10)和非接触测量设备(7)，所述非接触测量设备(7)的输出端与自适应辨识滤波器(10)的输入端连接，所述的非接触测量设备(7)向扬声器振膜(6)发射激光或超声波，通过测量激光或超声波的反射信号，获得反映扬声器振膜振动信息的信号作为自适应辨识滤波器(10)的参考信号。基于上述装置，利用本发明的回声消除方法进行回声消除，能够避免扬声器驱动电流信号到声信号传递的非线性变化对自适应辨识滤波器产生的不良影响，提高滤波器收敛性能；同时提高自适应回声消除中回声抑制量，从而提高系统性能。

Description

一种非接触式自适应回声消除装置及回声消除方法
技术领域
本发明涉及自适应回声消除技术领域。特别涉及一种非接触式自适应回声消除装置及回声消除方法。
背景技术
在音视频即时通信过程中，通信双方同时配备有麦克风和扬声器。远端麦克风拾取的声音信号r(n)经过线路(如电话线，互联网)传递到近端，再由近端扬声器播放，此时若不加以控制，近端麦克风将同时拾取到近端语音和回声信号，这里的回声信号是指由近端扬声器播放并传递到近端麦克风的声音信号。近端麦克风信号与远端麦克风信号类似，当声音信号被传递到远端扬声器时，使得远端目标听到自己的回声信号，从而影响音视频即时通信的通话质量。通过利用回声消除技术抑制回声信号，可以提高音视频即时通信系统的性能。
在自适应回声消除技术中，如图1所示，来自远端的数字信号r(n)经过D/A转换驱动扬声器播放声音，并被近端传声器1拾取形成回声。近端传声器1产生的信号经过A/D转换形成期望信号d(n)，在有近端语音时，期望信号d(n)中包含r(n)产生的回声信号以及近端说话人的语音信号s(n)。传统的自适应回声消除算法利用r(n)作为参考信号，d(n)作为期望信号，通过自适应更新滤波器，从d(n)中消除回声信号。由于扬声器的非线性效应，例如：动态范围不足引起的截波非线性，以及高级扬声器配备的动态幅度控制(Dynamic RangeControl,DRC)均会出现非线性，使得期望信号中出现参考信号的非线性部分。而自适应滤波器是一种线性滤波器，因此不能有效地消除期望信号中的非线性信号，使得滤波输出的信号仍具有较大的回声，从而使得算法性能下降。
为解决自适应回声消除算法中参考信号经过扬声器产生非线性造成算法性能下降的问题，以往公开有如下技术：(a)在扬声器驱动电路中设计信号采集电路，采集扬声器工作过程中的电流或电压信号作为自适应回声消除算法的参考信号；(b)在扬声器振膜上贴上加速度传感器采集扬声器工作过程中振膜的加速度信息作为自适应回声消除算法的参考信号。
上述技术(a)采用在扬声器驱动电路中设计信号采集电路的方式，仅能采集扬声器非线性振动反馈回电路系统的信号，而不能实现扬声器非线性振动的直接测量；上述技术(b)采用加速度传感器能够直接采集扬声器振膜的非线性振动信号，但是附加的加速度传感器会影响扬声器振膜的振动，引起新的非线性因素。
发明内容
本发明的目的在于，为解决自适应滤波器在回声消除过程中，不能有效地消除扬声器产生的非线性信号，本发明提供一种非接触式自适应回声消除装置。该装置与通话设备没有任何接触，从而不会对扬声器振膜造成额外非线性效应，能够获得扬声器真实振动信息，从而获得扬声器包括线性以及非线性在内的全部的振动信息。
为实现上述目的，本发明提供的一种非接触式自适应回声消除装置，包括自适应辨识滤波器和非接触测量设备，所述非接触测量设备的输出端与自适应辨识滤波器的输入端连接，所述的非接触测量设备向扬声器振膜发射激光或超声波，通过测量激光或超声波的反射信号，获得反映扬声器振膜振动信息的信号作为自适应辨识滤波器的参考信号；所述的自适应辨识滤波器以参考信号和传声器感应声波声压生成的传声器信号自适应调整滤波器的权值系数，以更新滤波器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的扬声器振膜振动信息包括：振膜振动速度、振膜振动位移和振膜振动加速度。
基于上述非接触式自适应回声消除装置，本发明还提出利用激光、超声波等非接触式测量方法直接测量扬声器振膜振动的位移、速度以及加速度信息，在自适应回声消除算法中作为参考信号，参与自适应滤波器的更新。所述的方法具体包括：
步骤1)利用非接触测量设备向扬声器振膜发射激光或超声波，通过测量激光或超声波的反射信号，获得反映扬声器振膜振动信息的信号作为自适应辨识滤波器的参考信号；
步骤2)通过自适应辨识滤波器以参考信号和传声器感应声波声压生成的传声器信号自适应调整滤波器的权值系数，以更新滤波器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤1)具体包括：在测量振膜振动位移过程中，利用激光器发射一束脉冲激光聚焦在扬声器振膜表面，测量脉冲激光经过扬声器振膜的反射激光，激光器内部通过计时器计算输出脉冲与接收脉冲的时间差Δt后，经过换算得到激光器与振膜之间距离l(tn)＝cΔt/2，将载有距离l(tn)信息的模拟信号转换成数字信号后，传递给自适应辨识滤波器作为参考信号rp(n)参与滤波器更新；在测量振膜振动速度过程中，利用激光器发射一束频率为f0的连续激光聚焦在扬声器振膜表面，测量激光经过扬声器振膜的反射激光与入射激光之间产生的多普勒频移Δf，通过公式Δf＝(c-v(t))f0/(c+v(t))计算获得振膜振动速度v(t)，并将载有振膜振动速度v(t)信息的模拟信号转换成数字信号后，传递给自适应辨识滤波器作为参考信号rp(n)参与滤波器更新；在测量振膜振动加速度过程中，将测量获得的振膜振动速度进行差分运算得到振膜振动加速度a(t)，并将载有振膜振动加速度a(t)信息的模拟信号转换成数字信号后，传递给自适应辨识滤波器作为参考信号rp(n)参与滤波器更新；其中，l(tn)为n时刻激光器与振膜之间的距离，c为光速。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤2)具体包括：
步骤201)设定自适应辨识滤波器的各权值系数初始值均为0，即fn(m)|n＝0＝0,m＞＝0，其中，fn(m)表示n时刻自适应辨识滤波器中第m个系数值；
步骤202)将步骤1)中获得的各参考信号rp(n)输入至自适应辨识滤波器中，通过下述公式运算获得滤波器输出信号：
其中，表示滤波器输出信号，rp(n)表示非接触式测量获得的参考信号，f(n)表示自适应辨识滤波器权值系数，fn(k)表示n时刻滤波器第k个系数权值，rp(n-k)表示输入参考信号的k点延时。
步骤203)将传声器感应声波声压生成的传声器信号d(n)与滤波器输出信号通过下述公式运算获得辨识误差信号：
其中，e(n)表示辨识误差信号；
步骤204)利用辨识误差信号e(n)与参考信号rp(n)采用自适应更新算法调整滤波器系数值fn(m)，如果fn(m)在收敛后与实际的反馈路径脉冲响应相同，则停止更新操作后执行步骤205)，否则继续执行步骤202)；
步骤205)将更新后的自适应辨识滤波器输出信号作为回声信号从传声器信号d(n)中减除，以消除该回声信号。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的自适应更新算法采用最小均方误差更新公式有：
fn(m)＝fn-1(m)+μe(n)rp(n-m)
其中，μ为更新步长，rp(n-m)表示输入参考信号的m点延时。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的自适应更新算法采用频域更新公式有：
其中，Fn(k)为n时刻自适应辨识滤波器权值系数的傅里叶变换，E(k)为辨识误差信号e(n)的傅里叶变换，Rp(k)为参考信号rp(n)的傅里叶变换，‘*’为共轭。
本发明的一种非接触式自适应回声消除装置及回声消除方法优点在于：
利用本发明的非接触式自适应回声消除装置及回声消除方法，能够避免扬声器驱动电流信号到声信号传递的非线性变化对自适应辨识滤波器产生的不良影响，同时提高滤波器收敛性能；能够提高自适应回声消除中回声抑制量，从而提高系统性能。
附图说明
图1是现有的通话设备结构示意图。
图2是利用本发明的装置进行自适应回声消除参考信号的示意图。
附图标记
1、近端传声器 2、近端扬声器 3、远端扬声器
4、远端传声器 5、扬声器 6、扬声器振膜
7、非接触式测量设备 8、传声器 9、回声传递路径
10、自适应辨识滤波器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种非接触式自适应回声消除装置及回声消除方法进行详细说明。
传统的自适应回声消除算法假设远端麦克风信号r(n)经过D/A转化，变为模拟电信号，以驱动近端扬声器振动形成声信号，声信号在经过传声器拾取转化为模拟电信号，最后经过A/D转化后传递给远端扬声器，此时可以利用线性滤波器估计传递函数，从而估计回声信号并抑制回声。
自适应回声消除算法利用参考信号以及期望信号，自适应调整估计滤波器系数，在算法收敛时，估计滤波器系数与实际的反馈路径传递函数相等，回声信号为0，滤波器系数停止更新。所述的反馈路径传递函数是扬声器5到传声器8之间的脉冲冲击响应。
而在远端麦克风信号r(n)经过近端扬声器转化为近端麦克风回声信号过程中，不可避免会出现非线性效应，比如扬声器驱动信号过大发生的截波、高级扬声器采用的动态幅度调整等均会出现非线性。此时，采用的线性回声消除滤波器不能有效的估计传递函数，导致回声消除算法性能下降。
为此，本发明提供一种非接触式的自适应回声消除装置。
如图2所示，所述的非接触式自适应回声消除装置包括：非接触式测量设备7以及自适应辨识滤波器10。所述非接触测量设备7的输出端与自适应辨识滤波器10的输入端连接，所述的非接触测量设备7向扬声器振膜6发射激光或超声波，通过测量激光或超声波的反射信号，获得反映扬声器振膜振动信息的信号作为自适应辨识滤波器10的参考信号；所述的自适应辨识滤波器10以参考信号和传声器感应声波声压生成的传声器信号自适应调整滤波器的权值系数，以更新滤波器。采用上述非接触式测量装置不会对扬声器振膜添加质量负载造成额外非线性效应，能够获得扬声器真实振动信息，从而获得扬声器全部的(包括线性以及非线性)振动信息。
基于上述结构的装置，本发明可利用激光、超声波直接测量扬声器振膜振动的位移、速度以及加速度信息，在自适应回声消除算法中作为参考信号，参与自适应辨识滤波器的更新。
另外，可以通过激光测距仪、激光测速仪、激光测加速度仪、超声波测距仪、超声波测速仪等非接触式测量装置实现反射激光或回波的测量。
非接触式测量设备的输出信号与传声器信号需要同步，传声器以及非接触测量设备输出信号均为模拟信号，同步方式是利用相同的时钟信号驱动AD采样芯片进行采样实现同步。
基于上述非接触式自适应回声消除装置，本发明还提供了一种回声消除方法，该方法具体包括：
步骤1)利用非接触测量设备向扬声器振膜发射激光或超声波，通过测量激光或超声波的反射信号，获得反映扬声器振膜振动信息的信号作为自适应辨识滤波器的参考信号；
步骤2)通过自适应辨识滤波器以参考信号和传声器感应声波声压生成的传声器信号自适应调整滤波器的权值系数，以更新滤波器。
基于上述方法，以非接触测量装置利用激光测量扬声器振膜振动信号为例，在利用激光测量扬声器振膜振动过程中，首先发射一束激光聚焦在扬声器振膜上，振膜振动会对振膜反射的激光进行调制，对反射激光进行解调便可以获取振膜振动信息。振膜振动信息的具体测量步骤包括：在测量振膜振动位移过程中，激光器首先发射一束脉冲激光，脉冲激光经过振膜反射被激光器再次拾取，激光器内部通过计时器计算输出脉冲与接收脉冲的时间差Δt，经过换算得到激光器与振膜之间的距离l(tn)＝cΔt/2，其中l(tn)为n时刻激光器与振膜之间的距离，c为光速，将载有距离l(tn)信息的模拟信号转换成数字信号后，传递给自适应辨识滤波器作为参考信号rp(n)参与滤波器更新；在测量振膜振动速度过程中，激光器发射频率为f0的连续激光，振膜在振动过程中反射的激光会产生多普勒效应，使得反射激光与入射激光之间产生多普勒频移Δf，Δf与振膜振动速度v(t)满足关系式Δf＝(c-v(t))f0/(c+v(t))，通过测量得到多普勒频移Δf后可以换算成振膜振动速度v(t)，对载有振膜振动速度信息的模拟信号进行离散采样得到数字信号后，传递给自适应辨识滤波器作为参考信号rp(n)参与滤波器更新；在测量振膜振动加速度过程中，首先测量振膜振动速度信息，并进行差分运算得到振膜振动加速度a(t)，并对载有振膜振动加速度信息的模拟信号进行离散采样得到数字信号后，传递给自适应辨识滤波器作为参考信号rp(n)参与滤波器更新。超声波测量方式与上述激光测量振动信息的原理相同。
在本实施例中，所述的步骤2)具体包括：
步骤201)设定自适应辨识滤波器的各权值系数初始值均为0，即fn(m)|n＝0＝0,m＞＝0。其中，fn(m)表示n时刻自适应辨识滤波器中第m个系数值。
步骤202)将步骤1)中获得的各参考信号rp(n)输入至自适应辨识滤波器中，滤波器输出信号为表达式为：
其中，表示滤波器输出信号，rp(n)表示非接触式测量获得的参考信号，f(n)表示自适应辨识滤波器权值系数，fn(k)表示n时刻滤波器第k个系数权值，rp(n-k)表示输入参考信号的k点延时。
步骤203)将传声器信号d(n)与滤波器输出信号做差值处理得到滤波器的辨识误差信号e(n)，其计算公式表示为：
扬声器以及近端声源通过发出不同声压幅度的声波传递不同的声信息，传声器利用声压传感器对声波声压变化的感应，并经过AD转化变成传声器信号d(n)。
步骤204)利用辨识误差信号e(n)以及滤波器输入的参考信号rp(n)采用自适应更新算法调整滤波器权值fn(m)，如果fn(m)在收敛后与实际的回声反馈路径9相同，则停止更新操作后执行步骤205)，否则继续执行步骤202)。
步骤205)在停止更新后，自适应辨识滤波器权值系数fn(m)可以认为与实际的声反路径f(m)相同，此时滤波器输出信号就与实际的回声信号v(n)相同，在从传声器信号中减去滤波器输出信号就可以实现回声信号的消除。
在自适应算法更新过程中，本发明的自适应辨识滤波器结构更新方面参考信号选用的是非接触测量设备拾取的扬声器振膜振动信号(包括振动位移、速度、加速度信息)，而不是直接驱动扬声器的电信号。
所述的自适应更新算法可采用最小均方误差(LMS)更新公式有：
fn(m)＝fn-1(m)+μe(n)rp(n-m)
其中，fn(m)为n时刻自适应辨识滤波器中第m个系数值；μ为更新步长；rp(n)为参考信号，rp(n-m)表示输入参考信号的m点延时。
所述的自适应更新算法也可以在频域进行，频域更新算法有：
其中，Fn(k)为n时刻自适应辨识滤波器权值系数的傅里叶变换，E(k)为辨识误差信号e(n)的傅里叶变换，Rp(k)为参考信号rp(n)的傅里叶变换，‘*’为共轭。
综上所述，本发明提供的非接触式自适应回声消除装置及其算法可以应用在现有的视频电话系统和即时通信软件聊天系统，在出现扬声器严重非线性条件下能够有效提高回声消除抑制量，达到工程应用目的。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种非接触式自适应回声消除装置，其特征在于，包括自适应辨识滤波器(10)和非接触测量设备(7)，所述非接触测量设备(7)的输出端与自适应辨识滤波器(10)的输入端连接，所述的非接触测量设备(7)向扬声器振膜(6)发射激光或超声波，通过测量激光或超声波的反射信号，获得反映扬声器振膜振动信息的信号作为自适应辨识滤波器(10)的参考信号；所述的自适应辨识滤波器(10)以参考信号和传声器感应声波声压生成的传声器信号自适应调整滤波器的权值系数，以更新滤波器。
2.根据权利要求1所述的非接触式自适应回声消除装置，其特征在于，所述的扬声器振膜振动信息包括：振膜振动速度、振膜振动位移和振膜振动加速度。
3.基于权利要求1-2之一所述的非接触式自适应回声消除装置的回声消除方法，其特征在于，包括：
步骤1)利用非接触测量设备向扬声器振膜发射激光或超声波，通过测量激光或超声波的反射信号，获得反映扬声器振膜振动信息的信号作为自适应辨识滤波器的参考信号；
步骤2)通过自适应辨识滤波器以参考信号和传声器感应声波声压生成的传声器信号自适应调整滤波器的权值系数，以更新滤波器。
4.根据权利要求3所述的回声消除方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括：在测量振膜振动位移过程中，利用激光器发射一束脉冲激光聚焦在扬声器振膜(6)表面，测量脉冲激光经过扬声器振膜(6)的反射激光，激光器内部通过计时器计算输出脉冲与接收脉冲的时间差Δt后，经过换算得到激光器与振膜之间距离l(tn)＝cΔt/2，将载有距离l(tn)信息的模拟信号转换成数字信号后，传递给自适应辨识滤波器作为参考信号rp(n)参与滤波器更新；在测量振膜振动速度过程中，利用激光器发射一束频率为f0的连续激光聚焦在扬声器振膜(6)表面，测量激光经过扬声器振膜(6)的反射激光与入射激光之间产生的多普勒频移Δf，通过公式Δf＝(c-v(t))f0/(c+v(t))计算获得振膜振动速度v(t)，并将载有振膜振动速度v(t)信息的模拟信号转换成数字信号后，传递给自适应辨识滤波器作为参考信号rp(n)参与滤波器更新；在测量振膜振动加速度过程中，将测量获得的振膜振动速度进行差分运算得到振膜振动加速度a(t)，并将载有振膜振动加速度a(t)信息的模拟信号转换成数字信号后，传递给自适应辨识滤波器作为参考信号rp(n)参与滤波器更新；其中，l(tn)为n时刻激光器与振膜之间的距离，c为光速。
5.根据权利要求4所述的回声消除方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括：
步骤201)设定自适应辨识滤波器的各权值系数初始值均为0，即fn(m)|n＝0＝0,m＞＝0，其中，fn(m)表示n时刻自适应辨识滤波器中第m个系数值；
步骤202)将步骤1)中获得的各参考信号rp(n)输入至自适应辨识滤波器中，通过下述公式运算获得滤波器输出信号：
其中，表示滤波器输出信号，rp(n)表示非接触式测量获得的参考信号，f(n)表示自适应辨识滤波器权值系数，fn(k)表示n时刻滤波器第k个系数权值，rp(n-k)表示输入参考信号的k点延时；
步骤203)将传声器感应声波声压生成的传声器信号d(n)与滤波器输出信号通过下述公式运算获得辨识误差信号：
其中，e(n)表示辨识误差信号；
步骤204)利用辨识误差信号e(n)与参考信号rp(n)采用自适应更新算法调整滤波器系数值fn(m)，如果fn(m)在收敛后与实际的反馈路径脉冲响应相同，则停止更新操作后执行步骤205)，否则继续执行步骤202)；
步骤205)将更新后的自适应辨识滤波器输出信号作为回声信号从传声器信号d(n)中减除，以消除该回声信号。
6.根据权利要求5所述的回声消除方法，其特征在于，所述的自适应更新算法采用最小均方误差更新公式有：
fn(m)＝fn-1(m)+μe(n)rp(n-m)
其中，μ为更新步长，rp(n-m)表示输入参考信号的m点延时。
7.根据权利要求5所述的回声消除方法，其特征在于，所述的自适应更新算法采用频域更新公式有：
其中，Fn(k)为n时刻自适应辨识滤波器权值系数的的傅里叶变换，E(k)为辨识误差信号e(n)的傅里叶变换，Rp(k)为参考信号rp(n)的傅里叶变换，‘*’为共轭。
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