CN113194385A - 基于步长控制的子带自适应反馈消除方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于步长控制的子带自适应反馈消除方法及系统，本发明的方法包括以下步骤：获取麦克风拾音信号d(n)和扬声器输出延时信号x(n)；分别对信号d(n)和x(n)依次进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换；进行频域滤波处理，得到频域差值信号E(f,k)；对频域滤波器系数进行更新；频域差值信号E(f,k)经IFFT转换到时域后，依次经子带合成滤波处理和信号去加重处理得到时域信号e(n)；时域信号e(n)经移频处理之后得到扬声器输出信号y(n)。本发明采用子带自适应算法，可用最少的滤波器长度达到较高的效果，同时减少大量的计算量，提高处理效率。

Description

基于步长控制的子带自适应反馈消除方法及系统
技术领域
本发明属于音频处理技术领域，具体涉及基于步长控制的子带自适应反馈消除方法及系统。
背景技术
在专业音响工程中从剧场到会议室，从体育场馆到KTV，在这些音响工程中出现声音反馈产生的啸叫问题，是每种类型的扩声系统都会遇到的。
啸叫产生的原因是音响的声音折回到话筒，话筒输出的信号再送到扩声系统放大并再经音箱送出，而后又折回到话筒，如此循环所致。
传统抑制啸叫抑制的方法一是基于物理的，比如采用吸音材料，选用指向型的麦克风来降低环路增益，减少反馈，二是基于DSP的处理，如移频，移相，自动陷波，自适应反馈消除等本地语音和扩音器之间的信号存在很强的相关性，采用自适应方法收敛效率很慢，甚至会发散。
发明内容
为了解决现有自适应反馈消除收敛效果不佳，在扩声技术中传声增益不足，容易产生啸叫的问题，本发明提供了基于步长控制的子带自适应反馈消除方法。本发明通过改进步长控制，即在语音停顿的瞬间，此时没有本地语音，只存在之前语音的混响激励，此时自适应收敛效果好，增加步长；而在本地语音输入时，减小步长。本发明为了减小本地语音和扩音器之间信号的强相关性，在信号输出前增加移频处理。
本发明通过下述技术方案实现：
基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，获取麦克风拾音信号d(n)和扬声器输出延时信号x(n)；
步骤S2，对信号d(n)依次进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域D(f，k)；对信号x(n)依次进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域信号X(f,k)；其中，k＝0,1,2,…,N/2-1，N表示FFT的点数；
步骤S3，采用频域滤波器对频域信号D(f，k)和X(f,k)进行频域滤波处理，得到频域差值信号E(f,k)；
步骤S4，基于信号E(f,k)、D(f，k)和X(f,k)对频域滤波器系数进行更新；
步骤S5，频域差值信号E(f,k)经IFFT转换到时域后，依次经子带合成滤波处理和信号去加重处理得到时域信号e(n)；
步骤S6，时域信号e(n)经移频处理之后得到扬声器输出信号y(n)。
优选的，本发明的步骤S4对频域滤波器系数进行更新的具体过程包括：
步骤S41，分别计算得到信号E(f,k)、D(f，k)和X(f,k)的均值
Figure BDA0002897977620000021
Figure BDA0002897977620000022
和
Figure BDA0002897977620000023
步骤S42，通过下式迭代更新参数λ(f，k)：
λ(f，k)＝beta(f，k)*λ(f，k-1)
式中，beta(f，k)表示迭代系数；λ(f，k)的初始值为1；
步骤S43，基于步骤S42得到的参数λ(f，k)计算得到最新步长α(f，k)；
步骤S44，通过得到的最新步长α(f，k)对频域滤波器系数进行更新。
优选的，本发明的步骤S41通过下式计算频域信号的均值：
Figure BDA0002897977620000024
Figure BDA0002897977620000025
Figure BDA0002897977620000026
其中，alpha为平滑系数。
优选的，本发明的步骤S42中beta(f，k)通过下式计算得到：
Figure BDA0002897977620000031
其中，
Figure BDA0002897977620000032
优选的，本发明的步骤S43通过下式得到最新步长α(f，k)：
Figure BDA0002897977620000033
优选的，本发明的S44通过下式进行滤波器系数更新：
Figure BDA0002897977620000034
G(f,k)＝diag[g0(f,k),g1(f,k),...,gm-1(f,k)]
Figure BDA0002897977620000035
其中，gm(f，k)为第m个子带系数；L为子带长度；M为子带个数；β和ε均为常数；H(f，k)采用更新后的系数估算值；Hm(f，k)为第m个子带更新后的系数估算值；G(f，k)为全频带系数；
Figure BDA0002897977620000036
为更新前的系数估算值，
Figure BDA0002897977620000037
为更新后的系数估算值。
优选的，本发明的扬声器输出延时信号x(n)是输出信号y(n)经过一帧数据的延时得到。
优选的，本发明的步骤S2中的预加重传递函数为：
H(z)＝1-az-1
式中，a为预加重系数。
另一方面，本发明还提出了基于步长控制的子带自适应反馈消除系统，该系统包括信号采集模块、信号预加重处理模块、信号子带滤波模块、FFT模块、频域滤波模块、更新模块、IFFT模块、子带合成滤波模块、信号去加重模块和移频模块；
所述信号采集模块用于获取麦克风拾音信号d(n)和扬声器输出延时信号 x(n)；
所述信号d(n)依次通过所述信号预加重处理模块、所述信号子带滤波模块和 FFT模块进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域D(f，k)；所述信号x(n)依次通过所述信号预加重处理模块、所述信号子带滤波模块和FFT 模块进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域信号X(f,k)；其中， k＝0,1,2,…,N/2-1，N表示FFT的点数；
所述频域滤波模块采用频域滤波器对频域信号D(f，k)和X(f,k)进行频域滤波处理，得到频域差值信号E(f,k)；
所述更新模块基于信号E(f,k)、D(f，k)和X(f,k)对所述频域滤波器系数进行更新；
所述IFFT转换模块将频域差值信号E(f,k)转换到时域信号，所述IFFT转换模块输出的时域信号依次经所述子带合成滤波模块和所述信号去加重模块处理得到时域信号e(n)；
所述移频模块用于对时域信号e(n)进行移频处理之后得到输出信号y(n)，所述输出信号y(n)经功放通过扬声器播放输出。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明采用子带自适应算法，可用最少的滤波器长度达到较高的效果，同时减少大量的计算量，提高处理效率。
2、本发明采用了步长控制，本地语音过程中减小步长，而在本地语音停止的瞬间，在短暂的混响周期内会加大步长，让自适应达到一个很好的收敛效果。
3、本发明采用了移频后输出，降低了本地语音和扩音器之间信号的强相关性，提高了处理性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的系统原理框图。
图3为本发明的具体应用实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
相较于现有的自适应反馈消除技术，本实施例提出了一种基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，通过改进补偿控制，实现在本地语音过程中会减小步长，而在本地语音停止的瞬间，在短暂的混响周期内会加大步长，提高自适应的收敛性能。
具体如图1所示，本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一，获取麦克风拾音信号d(n)和扬声器输出延时信号x(n)。
本实施例中通过将麦克风采集到的信号转换为数字音频信号，即为麦克风拾音信号d(n)，d(n)＝s(n)+r(n)。其中，s(n)为本地语言，r(n)为反馈信号。
本实施例中将扬声器输出信号y(n)经过一帧数据的延时得到扬声器输出延时信号x(n)。
步骤二，对信号d(n)依次进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域D(f，k)；对信号x(n)依次进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域信号X(f,k)；其中，k＝0,1,2,…,N/2-1，N表示FFT的点数。
本实施例的预加重传递函数为：
H(z)＝1-az-1
式中，a为预加重系数。
步骤三，采用频域滤波器对频域信号D(f，k)和X(f,k)进行频域滤波处理，得到频域差值信号E(f,k)：
Figure BDA0002897977620000061
步骤四，基于信号E(f,k)、D(f，k)和X(f,k)对频域滤波器系数进行更新。本实施例的具体更新过程如下：
步骤4.1，通过下式分别计算得到信号E(f,k)、D(f，k)和X(f,k)的均值
Figure BDA0002897977620000062
Figure BDA0002897977620000063
和
Figure BDA0002897977620000064
Figure BDA0002897977620000065
Figure BDA0002897977620000066
Figure BDA0002897977620000067
其中，alpha为平滑系数。
步骤4.2，通过下式迭代更新参数λ(f，k)：
λ(f，k)＝beta(f，k)*λ(f，k-1)
式中，beta(f，k)表示迭代系数；λ(f，k)的初始值为1；
本实施例中，beta(f，k)通过下式计算得到：
Figure BDA0002897977620000068
其中，
Figure BDA0002897977620000069
步骤4.3，通过下式计算得到最新步长α(f，k)：
Figure BDA0002897977620000071
步骤4.4，通过下式对频域滤波器系数进行更新：
Figure BDA0002897977620000072
G(f,k)＝diag[g0(f,k),g1(f,k),...,gm-1(f,k)]
Figure BDA0002897977620000073
其中，gm(f，k)为第m个子带系数；L为子带长度，本实施例中L取值为 256；M为子带个数，本实施例中M取值为4；β取值为0.5；ε取值为1e-8；H(f，k)采用更新后的系数估算值
Figure BDA0002897977620000074
Hm(f，k)为第m个子带更新后的系数估算值 (通过将更新后的系数估算值分到M个子带获得)；G(f，k)为全频带系数(由m 个子带系数合成)；
Figure BDA0002897977620000075
为更新前的系数估算值，
Figure BDA0002897977620000076
为更新后的系数估算值。
步骤五，频域差值信号E(f,k)经IFFT转换到时域后，依次经子带合成滤波处理和信号去加重处理得到时域信号e(n)；
步骤六，时域信号e(n)经移频处理之后得到扬声器输出信号y(n)。
实施例2
本实施例提出了一种基于步长控制的子带自适应反馈消除系统，具体如图2 所示，本实施例的系统包括信号采集模块、信号预加重处理模块、信号子带滤波模块、FFT模块、频域滤波模块、更新模块、IFFT模块、子带合成滤波模块、信号去加重模块和移频模块；
信号采集模块用于获取麦克风拾音信号d(n)和扬声器输出延时信号x(n)；具体处理过程与上述实施例1相同。
信号d(n)依次通过信号预加重处理模块、信号子带滤波模块和FFT模块进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域D(f，k)；信号x(n)依次通过信号预加重处理模块、信号子带滤波模块和FFT模块进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域信号X(f,k)；其中，k＝0,1,2,…,N/2-1，N 表示FFT的点数；具体处理过程与上述实施例1相同。
频域滤波模块采用频域滤波器对频域信号D(f，k)和X(f,k)进行频域滤波处理，得到频域差值信号E(f,k)；具体处理过程与上述实施例1相同。
更新模块基于信号E(f,k)、D(f，k)和X(f,k)对频域滤波器系数进行更新；具体更新过程与上述实施例1相同。
IFFT转换模块将频域差值信号E(f,k)转换到时域信号，IFFT转换模块输出的时域信号依次经子带合成滤波模块和信号去加重模块处理得到时域信号e(n)；具体处理过程与上述实施例1相同。
移频模块用于对时域信号e(n)进行移频处理之后得到输出信号y(n)，输出信号y(n)经功放通过扬声器播放输出。
实施例3
本实施例为实施例1和实施例2的具体应用，其硬件系统由一个麦克风，一个扬声器，一块DSP音频处理板，根据附图3说明，系统在一个房间内，扬声器通过房间反射到麦克风，形成环路。
麦克风拾取本地语音，经AD电路转换成数字信号，得到d(n)，扬声器输出信号y(n)经过延时得到x(n)。
音频系统48K采样，然后软件降采样到16K处理算法，一帧数据缓冲点数为64点，FFT变换点数为256点，拖尾处理以256ms处理，系统分成4个子带计算。
具体实施过程如下：
一，将x(n)和d(n)分别进行预加重处理，预加重传函为：H(z)＝1-az-1；本实施例中a取值为0.9。
二，预加重处理后，进行子带滤波处理和FFT转换分别得到X(f,k)，D(f,k)， k＝0,1,2,...N/2-1，其中N为FFT的点数；
三，对X(f,k)，D(f,k)进行频域滤波处理得到E(f,k)，并计算三个信号的均值；
Figure BDA0002897977620000091
Figure BDA0002897977620000092
Figure BDA0002897977620000093
其中，alpha的值取0.98。
四，对频域滤波器系数进行更新。
五，频域滤波后得到的信号E(f,k)，经IFFT转换到时域，经子带合成滤波后得到时域信号e(n)，移频处理后得到y(n)发送到扬声器。
重复一到五，实现反馈消除,提升扩声系统增益。
系统先不启用本发明反馈消除，增加增益，直到系统开始出现啸叫，记录此时的增益为G1，然后开避本发明，增加增益，到开如出现啸叫，记录此时的增益为G2，系统提升增益为G＝G1-G2；启用本发明系统增益可提升10-15dB, 传统的移频法，自动陷波法提升增益在4-6dB。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和 /或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/ 或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，获取麦克风拾音信号d(n)和扬声器输出延时信号x(n)；
步骤S2，对信号d(n)依次进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域D(f，k)；对信号x(n)依次进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域信号X(f，k)；其中，k＝0，1，2，...，N/2-1，N表示FFT的点数；
步骤S3，采用频域滤波器对频域信号D(f，k)和X(f，k)进行频域滤波处理，得到频域差值信号E(f，k)；
步骤S4，基于信号E(f，k)、D(f，k)和X(f，k)对频域滤波器系数进行更新；
步骤S5，频域差值信号E(f，k)经IFFT转换到时域后，依次经子带合成滤波处理和信号去加重处理得到时域信号e(n)；
步骤S6，时域信号e(n)经移频处理之后得到扬声器输出信号y(n)。
2.根据权利要求1所述的基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，其特征在于，所述步骤S4对频域滤波器系数进行更新的具体过程包括：
步骤S41，分别计算得到信号E(f，k)、D(f，k)和X(f，k)的均值
Figure FDA0002897977610000011
Figure FDA0002897977610000013
和
Figure FDA0002897977610000012
步骤S42，通过下式迭代更新参数λ(f，k)：
λ(f，k)＝beta(f，k)*λ(f，k-1)
式中，beta(f，k)表示迭代系数；λ(f，k)的初始值为1；
步骤S43，基于步骤S42得到的参数λ(f，k)计算得到最新步长α(f，k)；
步骤S44，通过得到的最新步长α(f，k)对频域滤波器系数进行更新。
3.根据权利要求2所述的基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，其特征在于，所述步骤S41通过下式计算频域信号的均值：
Figure FDA0002897977610000021
Figure FDA0002897977610000022
Figure FDA0002897977610000023
其中，alpha为平滑系数。
4.根据权利要求2所述的基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，其特征在于，所述步骤S42中beta(f，k)通过下式计算得到：
Figure FDA0002897977610000024
其中，
Figure FDA0002897977610000025
5.根据权利要求2所述的基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，其特征在于，所述步骤S43通过下式得到最新步长α(f，k)：
Figure FDA0002897977610000026
6.根据权利要求2所述的基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，其特征在于，所述S44通过下式进行滤波器系数更新：
Figure FDA0002897977610000027
G(f，k)＝diag[g0(f，k)，g1(f，k)，...，gm-1(f，k)]
Figure FDA0002897977610000028
其中，gm(f，k)为第m个子带系数；L为子带长度；M为子带个数；β和ε均为常数；H(f，k)采用更新后的系数估算值；Hm(f，k)为第m个子带更新后的系数估算值；G(f，k)为全频带系数；
Figure FDA00028979776100000211
为更新前的系数估算值，
Figure FDA00028979776100000210
为更新后的系数估算值。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，其特征在于，所述扬声器输出延时信号x(n)是输出信号y(n)经过一帧数据的延时得到。
8.根据权利要求1-6任一项所述的基于步长控制的子带自适应反馈消除方法，其特征在于，所述步骤S2中的预加重传递函数为：
H(z)＝1-az-1
式中，a为预加重系数。
9.基于步长控制的子带自适应反馈消除系统，其特征在于，该系统包括信号采集模块、信号预加重处理模块、信号子带滤波模块、FFT模块、频域滤波模块、更新模块、IFFT模块、子带合成滤波模块、信号去加重模块和移频模块；
所述信号采集模块用于获取麦克风拾音信号d(n)和扬声器输出延时信号x(n)；
所述信号d(n)依次通过所述信号预加重处理模块、所述信号子带滤波模块和FFT模块进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域D(f，k)；所述信号x(n)依次通过所述信号预加重处理模块、所述信号子带滤波模块和FFT模块进行预加重处理、子带滤波处理和FFT转换之后得到频域信号X(f，k)；其中，k＝0，1，2，...，N/2-1，N表示FFT的点数；
所述频域滤波模块采用频域滤波器对频域信号D(f，k)和X(f，k)进行频域滤波处理，得到频域差值信号E(f，k)；
所述更新模块基于信号E(f，k)、D(f，k)和X(f，k)对所述频域滤波器系数进行更新；
所述IFFT转换模块将频域差值信号E(f，k)转换到时域信号，所述IFFT转换模块输出的时域信号依次经所述子带合成滤波模块和所述信号去加重模块处理得到时域信号e(n)；
所述移频模块用于对时域信号e(n)进行移频处理之后得到输出信号y(n)，所述输出信号y(n)经功放通过扬声器播放输出。
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