CN1112317A

CN1112317A - 自适应噪声滤波器

Info

Publication number: CN1112317A
Application number: CN 93112585
Authority: CN
Inventors: 王幼华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-03-07
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1995-11-22

Abstract

本发明涉及一种自适应噪声滤波器，其特征在于，采用主、副两个滤波器及比较器、检测器组成，由副滤波器实现主滤波器仅在非信号区间调整，主、副滤波器分别由NLMS方法及快速RLS算法调节，并根据输出均方误差与预设定阈值进行比较而切换，本发明具有收敛与跟踪速度快，调整误差小，计算量适中，运算稳定等优点，更为重要的是无需要求信号源与噪声源互不相关的假设，故可广泛应用于声音信号的识别及噪声消除，通信系统中回声消除等。

Description

本发明涉及一种能够消除声音信号噪声、电话回声。以及车载电话系统回声、噪声的自适音噪声滤波器。

现有的自适应噪声滤波器，均采用一个滤波器的系统，其系统基本算法有以下三种：

1、LMS算法、计算量小、基本稳定，收敛速度慢;

2、RLS算法，收敛速度快，跟踪速度快，基本稳定，计算量大;

3、快速RLS算法，收敛速度快，跟踪速度快，计算量适中，稳定性差。

现有技术在自适应噪声消除领域中存在面大问题，一是难以克服快速收敛与调整误差小的矛盾，二是噪声源与信号源必须为非相关，采用上述算法LMS、RLS及快速RLS均不能解决以上两个问题。

本发明的目的是克服现有技术缺点，提供一种能消除声音信号中的噪声以及通信系统中回声的自适应噪声滤波器。

本发明的技术方案是基于组合算法及采用两个滤波器，它由主、副两个滤波器、比较器和检测器组成，由副滤波器实现主滤波器仅在非信号区间调整，主滤波器由NLMS方法调节，副滤波器由快速RLS算法调节，两种算法根据输出的均方误差的差分与预先设定的阈值进行比较而切换，当均方误差差分大于设定值θ时，快速RLS方法工作，反之NLMS算法工作。

快速RLS算法，利用周期性初始化的方法可提供快速收敛及快速跟踪，并可克服初始非稳定性问题，由周期性初始化所造成的间断误差，可由NLMS算法予以补偿。主滤波器仅在非信号区间调整解决了二大问题，一是采用相同步长的状况下，本方案可获得比采用单个滤波器，单种算法高得多的输出信号噪比，二是噪声源与信号源可以相关。实现主滤波器仅在非信号区间调整由副滤波器完成，其特征在于，采用了快速RLS算法，一可减轻运算量，二可在非信号区间内，具有快速收敛及跟踪能力，并可随时检出信号分量，从而停止主滤波器在信号区间的调整，使主滤波器始终工作在最佳噪声消除状态。

本发明具有以下的特点：

1、快速RLS的迭代周期只需3M左右，（M为自适应滤波器中加权系数的个数），此周期既可保证快速RLS算法收敛，又可保证快速RLS算法稳定。

2、解决了自适应噪声滤波器中所要求的快速收敛与调整误差小的矛盾，原因简述如下，根据自适应噪声消除原理，NLMS算法的均方误差为：

其中NLMS算法中的步长假设为μ（M）＝

11u（n）11²为欧几里德规一化参数，

为信号的方差，从方程（1）可知，当

²为一定值时，为了获取较小的均方误差，

必须选得很小，这又导致收敛速度降低。在本发明中，主滤波器的调整始终在非信号区间，在此区间有

≈0，因此若选择同一，本发明的均方误差远小于采用单一滤波器的现有方法。

3、本发明不要求信号源与噪声源不相关的假设。根据图1，主滤波器输出的均方值为：

e²＝S²+2S（v-y）+（v-y）²（2）

对（2）式两进求数学期望得：

E｜e²｜＝E｜S²｜+2E｜S（v-y）｜+E｜（v-y）²｜（3）

现有的自适应滤波器需假设信号源与噪声源互不相关，此时方程（2）右边第二项2E｜S（v-y）｜为零，因为E｜S²｜＝

为一定值，故求输出e（n）的最小均方值就等同于求E｜（v-y）²｜的最小均方值，换言之，即是求最大输出信噪比，若噪声源与信号源相关，则2E|S（v-y）｜不为零。因此输出e（n）的最小均方值并非一定能求得，本发明避免了主滤波器在有信号区间的调整，故有：E｜e²｜＝E｜（v-y）²｜

即输出e（n）的最小均方值始终能求得。

4、本发明具有极快的收敛速度与跟踪速度，这是因为当噪声通路发生变化并导致误差增大时，副滤波器开始工作，其加权系数的调整因为采用快速RLS，故其快速收敛及跟踪特性得到应用。

5、本发明每一迭代周期所需最大乘除运算量为8M，与NLMS算法所需的3M运算量相比，虽有所增加，但远比RLS算法所需的2M²运算量为小，故本发明可用一片DSP集成电路加以实现，特别适用于实时处理。

6、本发明可直接用于通信系统中的回声消除，与现有滤波系统相比，本发明无需双向通话检测器，所达到的收敛和跟踪速度及误调整参数与采用单一滤波器单一算法的方式相比有很大的改善。

本发明实施例结合附图作一说明。

图1为自适应噪声滤波原理方框图。

图2为滤波器工作流程图。

图3为声音信号的噪声消除原理框图。

由图1所示，它主要由主自适应滤波器（Fn）简称主滤波器）4、副自适应滤波器（Ff）（简称副滤波器）5、比较器（Cp）10、检测器（Pt）12组成，主滤波器Fn，其加权系数由NLMS算法6调节，其输出与混入的噪声的信号d（n）减后作为噪声消除的输出，主滤波器的加权系数仅在非信号区间调整，以防调乱，副滤波器Ff，其加权系数由快速RLS算法调节，其用途为：一是当噪声网络发生变化时实现快速跟踪，二是当有用信号出现时，停止主滤波器的调整，主滤波器与副滤波器的加权系数可互为传递，当主滤波器工作时，其加权系数每迭代一次，其更新值便传递给副滤波器，反过来，当副滤波器工作时，其加权系数传递给主滤波器需满足下列两个条件，一是检测器D_t检测得到的均方误差 ef(n)小于预先规定的阈值θ，二是副滤波器产生的均方误差 ef(n)小于主滤波器产生的均方误差 en(n)。

自适应噪声滤波器的区间运行见表一，图2为滤波器的工作流程图。在初始化区间，副滤波器工作提供快速收敛，当收敛以后，输出误差e_f（n）＜θ，副滤波器的加权系数传递给主滤波器，主滤波器开始工作，当有用信号出现时，其误差 △ef(n)增大并经检测器Dt检测出为超过阈值θ，于是NLMS算法切换到快速RLS算法，即主滤波器的加权系数调整停止而副滤波器的加权系数调整开始，在有信号出现区间，若噪声通路参数未发生变化，则主滤波器提供收敛后的理想的噪声消除输出，若噪声通路的参数发生变化，则在下一个无信号区间，由快速RLS算法提供快速跟踪，并将再次收敛的加权系数传递给主滤波器，当噪声通路发生缓慢变化时，NLMS算法能跟踪这种变化，当噪声回路发生突变或快速变化时，快速跟踪可由周期性运行快速RLS算法来实现。

用于声音信号噪声消除的实施例，其组成结构如图3所示，在图1中所表示的除了信号源1和噪声源2外的其余部分均可在一片名为DSP的集成电路15上实现，图3中的信号源为受到噪声污染的声音信号，噪声源可为与声音信号中噪声相关的任意噪声，如白噪声，有色噪声，或另一声音信号，信号源及噪声源经话筒13通过A/O转换器14作为OSP输入，噪声消除后的输出通过D/A转换器16传至喇叭17。在本实施例中，声音信号为实时采样获得，采用频率为10KHZ，超声通路设为一个2阶低通IIR滤波器，自适应滤波器加权系数的个数设定为20，假设所要求的输出信号比为30dB，则可算单用NLMS算法的步长

＝0.002，收敛时间为3秒，即约为30000个采样周期采用本发明的结果，收敛时间约为6毫秒，即约为60个采样周期，输出信噪比约为50dB。

本发明与现有的自适应噪声滤波器相比具有收敛与跟踪速度快，调整误差小，计算量适中，运算稳定等优点，更为重要的是本发明无需要求信号源与噪声源互不相关的假设，故可广泛应用于声音信号的积别及噪声消除，通信系统中的回声消除等。

表1 区间运行表

M：自适应滤波器中加权系数的个数

3M：快速RLS算法运行周期

Claims

1、一种自适应噪声滤波器，其特征在于：

A、采用主、副两个滤波器Fn、F_f以及比较器CP和检测器Dt组成，由副滤波器实现主滤波器仅在非信号区间调整；

B、主滤波器Fn由WLKS方法调节，副滤波器F由快速RLS算法调节，两种算法根据输出均方误差的差分与预先设定的阈值进行比较而切换。