CN1719744A - 自适应拖音消除器 - Google Patents

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Abstract

一种自适应拖音消除器具有多个自适应滤波器。每一个自适应滤波器利用滤波器系数对延迟器的输出信号进行滤波，以更新间隔周期性地更新所述滤波器系数。设置更新间隔，以使其从第一个到最后一个自适应滤波器连续地减小。设置加法器。每一个加法器从提供自前一个加法器的输出信号中减去对应自适应滤波器的输出信号，由此将输出信号提供到下一个加法器。将来自每一个加法器的输出信号输入到对应的自适应滤波器。将来自麦克风的音频信号输入到第一个加法器，并通过放大器，将来自最后一个加法器的输出信号作为电信号输入到扬声器和延迟器。更新每一个自适应滤波器的滤波器系数，以便根据加法器和延迟器的输出信号来仿真声反馈路径的传递函数。

Description

自适应拖音消除器
技术领域
本发明涉及针对一种自适应拖音消除器，用于防止安装在音乐厅、礼堂等处的声音增强系统中出现的拖音(hauling)。
背景技术
迄今为止，存在通过利用自适应滤波器(自适应数字滤波器)来防止出现拖音的公知自适应拖音消除器。例如，在Inazumi、Imai和Konishi所写的非专利文献“hauling prevention in asound-reinforcement system using the LMS algorithm”，Acoustical Society of Japan，Proceedings第417-418页(1991，3)中公开了这样一种技术。
图12示出了配备有拖音消除器类型的声音增强系统的示意电路图。将麦克风1和扬声器4设置在给定空间中。通过A/D(模拟到数字)转换处理，将通过麦克风1输入的音频信号转换为数字域中的信号y(k)。y(k)表示时间kT(其中T表示音频信号的采样时间间隔)处的信号。通过加法器2将信号y(k)提供到放大器3用于放大。G(z)表示放大器3的传递函数。利用D/A(数字到模拟)转换处理，将从放大器3输出的信号x(k)转换为模拟域中的信号，然后，利用扬声器4将该电信号转换为声信号。
声反馈环路5是从扬声器4到麦克风1的声路径，其具有传递函数H(z)。在输入到麦克风1之前，将通过声反馈环路5反馈回的反馈声信号d(k)与声源信号s(k)相混合，由来自例如叙述者等声源的音频信号构成所述声源信号。麦克风1对来自输入的混合音频信号进行变换，以便输出电信号。
如上所述的声音增强系统可以建立闭环，由从麦克风1通过放大器3到扬声器4、然后通过声反馈环路5到麦克风1的路径构成，导致了由于反馈声信号d(k)的增加而出现展开的拖音。已经提出了自适应拖音消除器，以便防止这种拖音的展开(development)，其包括延迟器6、自适应滤波器7和加法器2。
延迟器6可以输出具有与声反馈环路5中的时延量相对应的时延τ的信号x(k)，并将输出信号x(k-τ)提供给自适应滤波器7。如图13所示，自适应滤波器7包括数字滤波器7a和滤波器系数估计单元7b，将信号x(k-τ)同时输入到数字滤波器7a和滤波器系数估计单元7b。数字滤波器7a根据传递函数F(z)来输出仿真反馈音频信号d(k)的信号do(k)，并且通过加法器2从信号y(k)中减去信号do(k)。可以利用表达式y(k)＝s(k)+d(k)来表示信号y(k)。可以将加法器2的输出信号e(k)表示为表达式e(k)＝y(k)-do(k)＝s(k)+Δ(k){其中Δ(k)＝d(k)-do(k)}。因此，假设Δ(k)足够小，在没有信号d(k)影响的前提下，信号e(k)实质上等于s(k)，从而防止了拖音的出现。在没有延迟器6的情况下，将输入到麦克风1的音频源信号s(k)输入到加法器2，同时还没有延迟地输入到自适应滤波器7。由于自适应滤波器7更新了滤波器系数从而减小了误差信号e(k)，随着滤波器系数的更新处理，通过来自自适应滤波器7的输出信号消除了加法器2中的音频源信号s(k)。因此，延迟器6是不可缺少的，以便利用信号do(k)消除反馈音频信号d(k)，同时防止音频源信号s(k)被消除。
滤波器系数估计单元7b循环地更新数字滤波器7a的滤波器系数，从而通过利用自适应算法并根据信号x(k-τ)和e(k)，使传递函数F(z)与传递函数H(z)匹配或近似。例如，所使用的典型自适应算法包括LMS(最小均方根)算法。当将信号e(k)的均方根值表示为J＝E[e(k)2]时(其中E[*]表示期望值)，通过计算估计使J最小的滤波器系数，以便通过利用如此估计出的滤波器系数来更新数字滤波器7a的滤波器系数。结果，针对信号do(k)，能够得到仿真信号d(k)的信号，防止防止拖音的展开。
根据上述现有技术，当使用与传递函数H(z)相比较短(具有较少数目的抽头)的自适应滤波器7时，可能出现的问题在于严重地影响了声音质量。本发明的发明人已经利用图12所示的声音增强系统进行了拖音防止的实验仿真。
图11示出了实验仿真的结果。在图11中，当将纵坐标中的e2(k)读作e(k)时，图11示出了信号e(k)的变更时间。在实验中，传递函数H(z)具有48000个抽头集合，而自适应滤波器7分别具有256个抽头。在图11中，不存在幅度的发散，表示已经防止了拖音的展开。然而，相对于具有总共48000个抽头的传递函数H(z)，由于自适应滤波器7只仿真了头部的256个抽头，传递函数H(z)的仿真是不充分的，因此信号e(k)具有较高的电平，并且显著地影响了声音质量。
为了减小对声音质量的影响，充分的是，使自适应滤波器7的数目近似于传递函数H(z)的整个长度。然而，由于LMS算法对于每一个采样来更新滤波器系数，则更新间隔显然很短(计算新滤波器系数的时间很短)，同时，更新滤波器系数所需的每单位时间的计算量(以下简称为“计算量”)与抽头的数目成比例地增大。因此，在传递函数H(z)分别较长的空间中(即，混响时间相对较长)，则计算量限制了抽头的数目，并且即使试图增加抽头数目以便使其接近于传递函数H(z)的长度，也不能增加抽头数目。因此，严重地影响了声音质量，并且不可避免地降低了声音质量。
另一方面，对于自适应算法，存在具有更长更新间隔的公知技术，以便在每数千个采样到数万个采样内更新滤波器系数，例如STFT-CS(短时傅立叶变换和交叉谱)，并且能够设想利用这种算法之一来更新自适应滤波器7的滤波器系数。在这种情况下，即使当自适应滤波器的抽头数目增加时，也能够利用较少的计算量来更新滤波器系数，因此对于具有较长传递函数的空间(即，较长的混响时间)，能够充分地仿真传递函数，同时能够较少地影响声音质量。然而，如果拖音比滤波器系数的更新周期更快地展开，当与拖音的展开相比时，可能延迟了滤波器系数的更新，可能会瞬间展开一些拖音。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖的自适应拖音消除器，能够在具有较长混响时间的空间中，完全地防止了拖音的展开。
提供了一种根据本发明的第一自适应拖音消除器，用于在声音增强系统中使用，所述声音增强系统包括：安装在给定空间中的麦克风，用于采集音频信号；安装在空间中的扬声器，以便形成从扬声器到麦克风的反馈路径；以及连接在麦克风的输出和扬声器的输入之间的放大器，用于放大从麦克风提供的音频信号，以便向扬声器提供电信号。本发明的自适应拖音消除器用于抑制从扬声器通过具有给定时延的声反馈路径来反馈到麦克风的音频信号的反馈分量。本发明的自适应拖音消除器包括：延迟部分，用于将与声反馈路径的时延相对应的时延添加到由放大器提供的电信号，由此将添加了时延的电信号作为输出信号输出；第一自适应滤波器，其具有用于接收从延迟部分提供的输出信号的输入，并且利用第一滤波器系数对延迟部分的输出信号进行滤波，在更新间隔处周期性地更新所述第一滤波器系数；第二自适应滤波器，其具有用于接收从延迟部分提供的输出信号的输入，并且利用第二滤波器系数对延迟部分的输出信号进行滤波，在设置的短于第一滤波器系数的更新间隔的其它更新间隔处周期性地更新所述第二滤波器系数；第一加法器部分，其具有用于接收从第一自适应滤波器提供的输出信号的输入，并且从提供自麦克风的音频信号中减去第一自适应滤波器的输出信号，由此提供作为相减结果的输出信号；以及第二加法器部分，其具有用于接收从第二自适应滤波器提供的输出信号的输入，并且从第一加法器部分的输出信号中减去第二自适应滤波器的输出信号，由此提供作为相减结果的输出信号。在本发明的自适应拖音消除器中，将来自第一加法器部分的输出信号输入到第一自适应滤波器，并将来自第二加法器部分的输出信号输入到第二自适应滤波器。此外，通过放大器，将来自第二加法器部分的输出信号作为电信号输入到扬声器和延迟部分。此外，通过第一自适应滤波器来更新第一滤波器系数，以便根据第一加法器部分和延迟部分的输出信号来仿真声反馈路径的传递函数，并且通过第二自适应滤波器来更新第二滤波器系数，以便根据第二加法器部分和延迟部分的输出信号来仿真声反馈路径的传递函数。
根据上述第一本发明自适应拖音消除器，第一自适应滤波器具有设置为较长的滤波器系数的更新间隔，而第二自适应滤波器具有设置为较短的滤波器系数的更新间隔。在第一自适应滤波器中，抽头的数目可以是千到万的数量级，并且滤波器系数的更新间隔可以是每数千到数万采样。例如，适于该准则的自适应算法包括STFT-CS方法。如果滤波器具有大量抽头，STFT-CS方法的自适应算法具有更新滤波器系数所需的减少计算量，以及更高的传递函数估计精度。在第一自适应滤波器中，如果声反馈路径的传递函数较长(混响时间较长)，通过增大抽头数目能够充分地仿真较长的传递函数，以便减小对声音质量的影响。
在第二自适应滤波器中，抽头的数目可以是数十到数百的数量级，并且滤波器系数的更新间隔可以是每一到数百采样一次。例如，适于该准则的自适应算法包括LMS算法和RLS(递归最小平方)算法。由于这种类型的算法能够非常快速地更新滤波器系数，随着滤波器抽头数目的增大，计算量明显增大。然而，第一本发明自适应拖音消除器在第一自适应滤波器中具有大量抽头，而在第二自适应滤波器中具有较少抽头，以便能够抑制第二自适应滤波器中的计算量。因此，第二自适应滤波器的特征在于，改进了对于拖音的响应速度，以便完全地抑制在例如以下情况下可能突然展开的拖音：声反馈路径中的传递函数本能地变化。
因此，根据第一本发明的自适应拖音消除器，能够最小化对声音质量的影响，同时能够完全地防止拖音的展开，以及即使在具有较长传递函数(较长混响时间)的空间中，也能够抑制计算量。
提供了一种根据本发明的第二自适应拖音消除器，用于在声音增强系统中使用，所述声音增强系统包括：安装在给定空间中的麦克风，用于采集音频信号；安装在空间中的扬声器，以便形成从扬声器到麦克风的反馈路径；以及连接在麦克风的输出和扬声器的输入之间的放大器，用于放大从麦克风提供的音频信号，以便向扬声器提供电信号。本发明的自适应拖音消除器用于抑制从扬声器通过具有给定时延的声反馈路径来反馈到麦克风的音频信号的反馈分量。本发明的自适应拖音消除器包括：延迟部分，用于将与声反馈路径的时延相对应的时延添加到由放大器提供的电信号，由此将添加了时延的电信号作为输出信号输出；按照三个或更多数目彼此并联设置的多个自适应滤波器，每一个自适应滤波器具有用于接收从延迟部分提供的输出信号的输入，并且利用滤波器系数对延迟部分的输出信号进行滤波，在更新间隔处周期性地更新所述滤波器系数，设置每一个自适应滤波器的更新间隔，以使其从第一个自适应滤波器到最后一个自适应滤波器连续地减小；以及对应于所述多个自适应滤波器设置的多个加法器部分，将第一个加法器部分到最后一个加法器部分串联在麦克风和放大器之间，每一个加法器部分具有用于接收从对应自适应滤波器提供的输出信号的输入，并且从提供自前一个加法器部分的输出信号中减去对应自适应滤波器的输出信号，由此将作为相减结果的输出信号提供到下一个加法器部分。在本发明的自适应拖音消除器中，将来自每一个加法器部分的输出信号输入到对应的自适应滤波器。将来自麦克风的音频信号输入到第一个加法器部分，并通过放大器，将来自最后一个加法器部分的输出信号作为电信号输入到扬声器和延迟部分。此外，通过每一个自适应滤波器来更新每一个自适应滤波器的滤波器系数，以便根据对应加法器部分和延迟部分的输出信号来仿真声反馈路径的传递函数。
上述第二本发明自适应拖音消除器最少包括三个自适应滤波器。在这种情况下，第二本发明自适应消除器等同于上述第一本发明自适应拖音消除器的变体，所述第二本发明自适应消除器具有按照与第二自适应滤波器和第二加法器部分的集合类似设置的第三自适应滤波器和第三加法器部分的附加集合，与第二自适应滤波器和第二加法器部分集合并联，并且将第三自适应滤波器中滤波器系数的更新间隔设为小于第二自适应滤波器。可以具有按照类似方式的四个或更多自适应滤波器和加法器部分的附加集合。
根据第二本发明自适应拖音消除器，能够得到与第一本发明自适应拖音消除器类似的效果，具体地，其优点在于促进了在例如大礼堂等空旷空间中使用的音频设施中，防止拖音的展开。
在上述第一和第二本发明自适应拖音消除器中，可以设想添加混合器部分，用于将第一自适应滤波器的输出信号与要输入到第二自适应滤波器的延迟部分的输出信号相混合。在这种情况下，第二自适应滤波器能够根据混合器部分的输出信号和第二加法器部分的输出信号来估计适当的滤波器系数。
在上述第一和第二本发明的自适应拖音消除器的优选形式中，当第一自适应滤波器更新第一自适应滤波器系数时，第二自适应滤波器将第二滤波器系数复位为初始值。利用这种方式，在第二自适应滤波器中能够抑制由于之前的滤波器系数导致的混响。在这种情况下，在第一自适应滤波器复位第二滤波器系数之前，第一自适应滤波器可以参考第二自适应滤波器的第二滤波器系数，估计用于更新第一滤波器系数的第一滤波器系数的新值。通过这样做，第一自适应滤波器通过考虑到第二自适应滤波器的滤波器系数，可以估计适当的滤波器系数。
根据本发明，在自适应拖音消除器中，提供了具有较长滤波器系数更新间隔的第一自适应滤波器和具有较短滤波器系数更新间隔的第二自适应滤波器，以便在每一个自适应滤波器中抑制反馈音频信号，从而得到能够在较长混响时间的空间中完全地防止拖音展开的效果，同时缓解了声音质量的恶化。
附图说明
图1是包含了根据本发明第一优选实施例的自适应拖音消除器的声音增强系统的示意电路图。
图2是包含了根据本发明第二优选实施例的自适应拖音消除器的声音增强系统的示意电路图。
图3是包含了根据本发明第三优选实施例的自适应拖音消除器的声音增强系统的示意电路图。
图4是在用于验证本发明效果的实验中使用的声音增强系统的示意电路图。
图5是示出了图4所示的声音增强系统中，信号e2(k)根据时间变化的波形图。
图6是根据本发明第一比较实施例的声音增强系统的示意电路图。
图7是示出了图6所示的声音增强系统中，信号e2(k)根据时间变化的波形图。
图8是根据本发明第二比较实施例的声音增强系统的示意电路图。
图9是示出了图8所示的声音增强系统中，信号e2(k)根据时间变化的波形图。
图10是根据本发明第三比较实施例的声音增强系统的示意电路图。
图11是示出了图10所示的声音增强系统中，信号e2(k)根据时间变化的波形图。
图12是包含了现有技术的自适应拖音消除器的声音增强系统的示意电路图。
图13是示出了图12所示的自适应滤波器的细节的示意电路图。
具体实施方式
图1是包含了根据本发明第一优选实施例的自适应拖音消除器的声音增强系统的示意电路图。在例如音乐厅或礼堂的给定空间中，设置了麦克风12和扬声器14。通过A/D转换处理，将通过麦克风12输入的音频信号变换为数字形式的信号y(k)。通过加法器单元14(1)、14(2)，将信号y(k)提供到放大器单元16用于放大。除了放大功能以外，放大器单元16可以具有或不具有滤波器功能(频率分量改变功能)。G(z)表示放大器单元16的传递函数。将从放大器单元16输出的信号x(k)D/A转换为模拟形式的信号，然后，利用扬声器18将该信号变换为声信号。这里，r(k)表示噪声分量，接收r(k)的加法器的符号表示渗透了一些噪声。
声反馈路径20是从扬声器18到麦克风12的声路径，其具有传递函数H(z)。在与音频源信号s(k)混合之后，将通过声反馈路径20反馈的反馈声信号d(k)输入到麦克风12，由来自例如叙述者等声源的音频信号构成所述声源信号。麦克风12将混合的音频信号转换为电信号，以便输出。
自适应拖音消除器包括延迟单元22、自适应滤波器24(1)、24(2)和加法器单元14(1)、14(2)。延迟单元22通过与声反馈路径20中的时延相对应的时延τ添加到信号x(k)上进行输出，并将其输出信号x(k-τ)分别提供到自适应滤波器24(1)和24(2)。自适应滤波器24(1)和24(2)处于与参考图13所述相类似的设置，其输出信号d1(k)和d2(k)仿真与其各自传递函数H1(z)和H2(z)相一致地反馈音频信号d(k)。
将信号d1(k)提供到加法器单元14(1)，以便从输入信号y(k)中减去其。加法器单元14(1)输出信号e1(k)＝y(k)-d1(k)＝s(k)+d(k)-d1(k)，并将输出信号e1(k)提供到下一个加法器单元14(2)和相应的自适应滤波器24(1)。将信号d2(k)提供到加法器单元14(2)，以便从信号e1(k)中减去其。加法器单元14(2)输出信号e2(k)＝e1(k)-d2(k)＝s(k)+d(k)-d1(k)-d2(k)，并将输出信号e2(k)提供到相应的自适应滤波器24(2)和放大器单元16。假设Δk12＝d(k)-d1(k)-d2(k)，则可以将信号e2(k)表达为等式e2(k)＝s(k)+Δk12。当消除器足以使Δk12最小时，信号e2(k)实质上等于没有信号d(k)影响的s(k)，由此实现了拖音展开的防止。
在自适应滤波器24(1)中，抽头的数目应当较多，例如，数千到数万的数量级；滤波器系数的更新间隔应当较长，例如，每数千到数万个采样一次。作为满足该准则的自适应算法，例如，可以使用STFT-CS方法等。通过利用这种自适应算法并根据信号x(k-τ)和e1(k)，为了以较长的更新间隔来执行滤波器系数更新，以使传递函数H1(z)匹配或近似于传递函数H(Z)，可以获得仿真了信号d(k)的信号d1(k)。
在自适应滤波器24(2)中，抽头的数目应当较少，例如，数十到数百的数量级；滤波器系数的更新间隔应当较短，例如，每一个到数百个采样一次。作为满足该准则的自适应算法，例如，可以使用LMS算法或RLS算法。通过利用这种自适应算法并根据信号x(k-τ)和e2(k)，为了在较短的更新间隔处执行滤波器系数更新，以使传递函数H2(z)匹配或近似于传递函数H(z)，能够获得仿真信号了d(k)的信号d2(k)。
通过如上所述，通过得到信号d1(k)和d2(k)，能够减小前述Δk12，从而防止展开拖音。根据本发明，使用了彼此不同的滤波器系数更新间隔的自适应滤波器24(1)和24(2)，以实现具有较好收敛性能(收敛精度和收敛速度)的自适应拖音消除器，而与源信号无源。
以下表1示出了相对于在自适应滤波器24(1)中使用的、例如STFT-CS等具有较长更新间隔的自适应算法、以及在自适应滤波器24(2)中使用的、例如LMS算法等具有较短更新间隔的其它自适应算法，对拖音的响应速度和更新滤波器系数所需的计算量。O表示优点，X表示缺点。
[表1]
Figure A20051008194400151
根据表1，具有较长更新间隔的自适应算法具有较慢的拖音响应速度，然而，其具有的优点在于，即使抽头的数目增大，用于更新滤波器系数所需的计算量也较小。另一方面，尽管具有较短更新间隔的自适应算法需要用于更新滤波器系数的较大计算量，其优点在于较快的拖音响应速度。
以下表2示出了相对于用作自适应滤波器24(1)中的自适应算法的STFT-CS方法以及用作自适应滤波器24(2)中的自适应算法的LMS算法，更新滤波器系数所需的计算量的数量级，作为自适应滤波器的抽头数目N的函数。
[表2]
  滤波器   自适应算法   计算的数量级
  24(1)   STFT-CS   O(log2N)
  24(2)   LMS   O(N)
  RLS   O(N2)
根据以上表2，可以看出随着抽头数目N的增大，STFT-CS方法示出了计算量的稍微增大，而另一方面，LMS算法示出了与抽头数目N的增大成正比的计算量增加，并且RLS算法与抽头数目N的平方成正比地增加计算量。
对于自适应滤波器24(1)，本发明使用了具有较长更新间隔的自适应算法，例如STFT-CS方法，以便即使当抽头数目增加时，计算量也较小。由于这一点，抽头数量的增加允许以较高的精度估计传递函数H1(z)，以便仿真传递函数H(z)的较长周期。这还能够减小对声音质量的影响。此外，还能够使计算量保持最小。
另一方面，白适应滤波器24(2)使用了具有较短更新间隔的自适应算法，例如LMS算法等，能够保持对于拖音的较快响应，并完全抑制了在例如传递函数H(z)突然变化的情况下快速展开的拖音。此外，即使当空间内的传递函数H(z)较长(混响时间较长)时，自适应滤波器24(2)也能够设置较少数目的抽头，以便节约计算量。自适应滤波器24(1)和24(2)的总计算量将小于以下情况：在图12所示的电路中，只利用LMS算法来更新具有大量抽头的自适应滤波器的滤波器系数。
应当注意，需要连接使用较长更新间隔的自适应算法的自适应滤波器24(1)和使用较短更新间隔的自适应算法的自适应滤波器24(2)，以便不会恶化滤波器系数的估计精度，并且具有拖音展开的防止能力。自适应算法基于以下假设：“在比要应用的时变声系统的时间变化足够短的时间周期内，估计滤波器系数”。这暗示了应当连接具有短于自适应滤波器24(1)的更新间隔的自适应滤波器24(2)(即，滤波器系数的时间变化更快)，从而不干扰应用了自适应滤波器24(1)的系统。另一方面，可以连接具有远慢于自适应滤波器24(2)的滤波器系数变化的自适应滤波器24(1)，从而影响了应用了白适应滤波器24(2)的系统。因此，在图1所示的电路中，应用了自适应滤波器24(2)的系统包含了自适应滤波器24(1)(或，避免自适应滤波器24(2)干扰应用了自适应滤波器24(1)的系统)。
尽管自适应滤波器24(1)中滤波器系数的时间变化足够慢于自适应滤波器24(2)中滤波器系数的时间变化，其没有小到可以完全忽略的程度。因此，优选地，将湮没索引(oblivion index)引入到自适应滤波器24(2)的滤波器系数更新中，或将自适应滤波器24(2)的滤波器系数复位为自适应滤波器24(1)中滤波器系数更新时的初始值(例如零)，以便减小过去的滤波器系数的影响。此外，当自适应滤波器24(1)中滤波器系数更新时，复位自适应滤波器24(2)的滤波器系数时，在复位之前，可以通过参考进行了复位的自适应滤波器24(2)的滤波器索引，更新自适应滤波器24(1)的滤波器系数。
图2示出了包含根据本发明第二优选实施例的自适应拖音消除器的声音增强系统。其类似部分采用了图1中的相同参考数字，并且省略在前一个实施例中已经描述的这些部分的详细说明。
图2所示实施例的特征在于，通过缓冲器26提供延迟单元22的输出信号，并通过缓冲器30将自适应滤波器24(1)的输出信号d1(k)提供到加法器单元28，以及将混合信号a(k)＝x(k-τ)+d1(k)从加法器单元28提供到自适应滤波器24(2)，作为加法器输出。在自适应滤波器24(2)中，使用了混合信号a(k)来代替图1所示的信号x(k-τ)，以根据混合信号a(k)和信号e2(k)来估计滤波器系数。按照该配置，能够获得与图1所示的自适应拖音消除器相似的效果。
图3示出了包含根据本发明第三优选实施例的自适应拖音消除器的声音增强系统。其类似部分采用了图1中的相同参考数字，并且省略在前一个实施例中已经描述的这些部分的详细说明。
图3所示优选实施例的特征在于：设置了分别向其提供了延迟单元22的输出信号x(k-τ)的第一到第m(其中m是大于等于3的整数)自适应滤波器24(1)-24(m)，以及第一到第m加法器单元串联在麦克风12的输出侧。第一到第m自适应滤波器将输出分别根据传递函数H1(z)到Hm(z)仿真了信号d(k)的信号d1(k)到dm(k)，以便将信号d1(k)到dm(k)提供到各个加法器单元14(1)到14(m)。因此，加法器单元14(1)输出通过信号y(k)减去信号d1(k)得到的信号e1(k)，加法器单元14(2)输出通过信号e1(k)减去信号d2(k)得到的信号e2(k)，加法器单元14(3)输出通过信号e2(k)减去信号d3(k)得到的信号e3(k)，依此类推，因此将加法器单元14(1)到14(m)串联，从而将加法器单元14(1)到14(m)的输出信号e1(k)到em(k)分别提供到相应的自适应滤波器24(1)到24(m)。
设置抽头的数目和滤波器系数的更新间隔，以便从第一个自适应滤波器24(1)到最后一个自适应滤波器24(m)，逐渐地减小滤波器系数的更新间隔。作为实例，当m＝3时，则按照数万、数千和数十到数百的数量级来分别设置自适应滤波器24(1)、24(2)和24(3)的抽头数目，并且将自适应滤波器24(1)、24(2)和24(3)的滤波器系数更新间隔分别设置为每数万采样、每数千采样、一到数百采样更新一次。
图3所示的电路图是图1电路图的扩展形式，具有等于或大于3的自适应滤波器和加法器单元的集合，并且能够得到与上述参考图1类似的效果。此外，包含等于或多于3的自适应和加法器单元集合能够促进在大空间的声音增强系统中防止拖音的展开，例如较大的音乐厅。
在图3的电路图中，还设想将混合了信号x(k-τ)的信号d1(k)提供到自适应滤波器24(2)，而不是如上所述与图2相关的信号x(k-τ)。此外，按照类似的方式，还将混合了信号x(k-τ)的信号dm-1(k)提供到自适应滤波器24(m)。
如上所述，根据本发明的第三实施例，按照三个或更多彼此并联的方式设置多个自适应滤波器24。每一个自适应滤波器24具有用于接收从延迟部分22提供的输出信号的输入，并利用以更新间隔周期性更新的滤波器系数，对延迟部分22的输出信号进行滤波。设置每一个自适应滤波器24的更新间隔，使其从第一自适应滤波器24(1)到最后一个自适应滤波器24(m)，连续地减小。与多个自适应滤波器24相对应地设置多个加法器部分14，在麦克风12和放大器16之间，从第一加法器部分14(1)到最后一个加法器部分14(m)进行串联。每一个加法器部分12具有输入，用于接收从相应的自适应滤波器24提供的输出信号，并从提供自前一个加法器部分的输出信号中减去相应的自适应滤波器24的输出信号，由此将输出信号提供到后一个加法器部分，作为相减的结果。将来自每一个加法器部分14的输出信号输入到相应的自适应滤波器24。将来自麦克风12的音频信号输入到第一加法器部分14(1)，而将来自最后一个加法器部分14(m)的输出信号通过放大器16输入到扬声器18和延迟部分22，作为电信号。通过每一个自适应滤波器24来更新每一个自适应滤波器24的滤波器系数，以便根据相应加法器部分14和延迟部分22的输出信号，来仿真声反馈路径20的传输函数。
有利地，自适应拖音消除器10还可以包括混合器部分，用于将一个自适应滤波器的输出信号与要输入到所述一个自适应滤波器之后的另一个自适应滤波器的延迟部分的输出信号相混合。实际中，当一个自适应滤波器之前的另一个自适应滤波器更新其滤波器系数时，所述一个自适应滤波器将其滤波器系数复位为初始值。在这种情况下，所述另一个自适应滤波器在复位所述一个自适应滤波器的滤波器系数之前，参考所述一个自适应滤波器的滤波器系数，估计所述另一个自适应滤波器的滤波器系数的新值，用于更新所述另一个自适应滤波器的滤波器系数。
本发明的发明人已经进行了实验仿真，以便确认本发明的效果。在该实验中使用了如图4所示的电路配置的声音增强系统。图4所示的电路图具有图1所示电路图的相同配置，除了没有设置用于混合噪声分量r(k)的加法器单元，类似部分采用相同的参考数字，并且省略了已述部分的详细说明。在图4的电路图中，如下设置仿真条件：
-自适应滤波器24(1)
抽头数目：16384
自适应算法：STFT-CS方法
-自适应滤波器24(2)
抽头数目：256
自适应算法：泄漏(leaky)LMS算法
-传递函数H(z)
抽头数目：48000
在图5中，示出了信号e2(k)相对于时间的变化，作为在上述仿真条件下利用图4的电路图进行的实验仿真的结果。
图6示出了根据第一比较实施例的声音增强系统的电路配置。图6中的电路图与图4中的相同，除了去除了自适应拖音消除器之外，并且信号e2(k)由信号y(k)组成，在图7中，示出了信号e2(k)相对于时间的变化，作为在上述仿真条件下利用图6的电路图进行的实验仿真的结果。从图7可以看出，在经过时间2[秒]之前，信号e2(k)立即发散，而展开了拖音。
图8出了根据第二比较实施例的声音增强系统的电路配置。图8的电路图与图4中的相同，除了去除了自适应滤波器24(2)和加法器单元14(2)，信号e2(k)由信号e1(k)构成。在图9中，示出了信号e2(k)相对于时间的变化，作为在上述仿真条件下、利用图8的电路图进行的实验仿真的结果。从图8可以看出，在经过时间2[秒]之前和之后，信号e2(k)趋向于发散，然而，该发散被减小到的较低电平，这表示抑制了拖音的展开，而信号电平瞬间过高，这暗示可能会出现电势饱和。
图10示出了根据第三比较实施例的声音增强系统的电路设置。图10的电路图与图4中的相同，除了去除了自适应滤波器24(1)和加法器单元14(1)、以及将信号y(k)输入到加法器单元14(2)以外。在图11中，示出了信号e2(k)相对于时间的变化，作为在上述仿真条件下利用图10的电路图进行的实验仿真的结果。从图11可以看出，尽管抑制了拖音的展开，信号e2(k)的电平略有上升，这表示显著影响了声音质量。
当与图9和11相比较时，可以看出在图5中，根据本发明，大约在经过时间2[秒]时，相对地减小了信号e2(k)的电平，并且在之后进一步减小。因此，根据本发明，能够完全地防止拖音展开，同时使对于声音质量的影响小得多。

Claims (11)

1.一种在声音增强系统中使用的自适应拖音消除器，所述声音增强系统包括：安装在给定空间中的麦克风，用于采集音频信号；安装在所述空间中的扬声器，以便形成从扬声器到麦克风的反馈路径；以及连接在麦克风的输出和扬声器的输入之间的放大器，用于放大从麦克风提供的音频信号以便向扬声器提供电信号，所述自适应拖音消除器用于抑制从扬声器通过声反馈路径以给定时延反馈到麦克风的音频信号的反馈分量，所述自适应拖音消除器包括：
延迟部分，用于将与声反馈路径的时延相对应的时延添加到从放大器提供的电信号上，由此将添加了时延的电信号作为输出信号输出；
第一自适应滤波器，具有用于接收从延迟部分提供的输出信号的输入，并且利用以更新间隔周期性更新的第一滤波器系数对延迟部分的输出信号进行滤波；
第二自适应滤波器，具有用于接收从延迟部分提供的输出信号的输入，并且利用以短于第一滤波器系数的更新间隔设置的另一更新间隔周期性更新的第二滤波器系数、对延迟部分的输出信号进行滤波；
第一加法器部分，具有用于接收从第一自适应滤波器提供的输出信号的输入，并且从提供自麦克风的音频信号中减去第一自适应滤波器的输出信号，由此提供作为相减结果的输出信号；以及
第二加法器部分，其具有用于接收从第二自适应滤波器提供的输出信号的输入，并且从第一加法器部分的输出信号中减去第二自适应滤波器的输出信号，由此提供作为相减结果的输出信号，
其中，将来自第一加法器部分的输出信号输入到第一自适应滤波器，并将来自第二加法器部分的输出信号输入到第二自适应滤波器，
其中，通过放大器，将来自第二加法器部分的输出信号作为电信号输入到扬声器和延迟部分，
其中，通过第一自适应滤波器来更新第一滤波器系数，以便根据第一加法器部分和延迟部分的输出信号来仿真声反馈路径的传递函数，并且通过第二自适应滤波器来更新第二滤波器系数，以便根据第二加法器部分和延迟部分的输出信号来仿真声反馈路径的传递函数。
2.根据权利要求1所述的自适应拖音消除器，其特征在于，还包括混合器部分，用于将第一自适应滤波器的输出信号与要输入到第二自适应滤波器的延迟部分的输出信号相混合。
3.根据权利要求1所述的自适应拖音消除器，其特征在于，当第一自适应滤波器更新第一滤波器系数时，第二自适应滤波器将第二滤波器系数复位为初始值
4.根据权利要求3所述的自适应拖音消除器，其特征在于，在第一自适应滤波器复位第二滤波器系数之前，第一自适应滤波器参考第二自适应滤波器的第二滤波器系数，估计用于更新第一滤波器系数的第一滤波器系数的新值。
5.根据权利要求1所述的自适应拖音消除器，其特征在于，第一自适应滤波器具有第一数目的抽头，用于对延迟部分的输出信号进行滤波，以及第二自适应滤波器具有第二数目的抽头，用于对延迟部分的输出信号进行滤波，第一数目被设置为大于第二数目。
6.根据权利要求5所述的自适应拖音消除器，其特征在于，第一自适应滤波器使用短时傅立叶变换和交叉谱算法(STFT-CS算法)，用于更新第一滤波器系数。
7.根据权利要求5所述的自适应拖音消除器，其特征在于，第二自适应滤波器使用最小均方算法(LMS算法)或递归最小平方算法(RLS)，用于更新第二滤波器系数。
8.一种在声音增强系统中使用的自适应拖音消除器，所述声音增强系统包括：安装在给定空间中的麦克风，用于采集音频信号；安装在所述空间中的扬声器，以便形成从扬声器到麦克风的反馈路径；以及连接在麦克风的输出和扬声器的输入之间的放大器，用于放大从麦克风提供的音频信号，以便向扬声器提供电信号，所述自适应拖音消除器用于抑制从扬声器通过声反馈路径以给定时延反馈到麦克风的音频信号的反馈分量，所述自适应拖音消除器包括：
延迟部分，用于将与声反馈路径的时延相对应的时延添加到从放大器提供的电信号，由此将添加了时延的电信号作为输出信号输出；
按照三个或更多数目彼此并联设置的多个自适应滤波器，每一个自适应滤波器具有用于接收从延迟部分提供的输出信号的输入，并且利用以更新间隔周期性更新的滤波器系数对延迟部分的输出信号进行滤波，设置每一个自适应滤波器的更新间隔，以使其从第一个自适应滤波器到最后一个自适应滤波器，持续减小；以及
与所述多个自适应滤波器相对应地设置的多个加法器部分，并且从第一个加法器部分到最后一个加法器部分串联在麦克风和放大器之间，每一个加法器部分具有用于接收从相应自适应滤波器提供的输出信号的输入，并且从提供自前一个加法器部分的输出信号中减去相应自适应滤波器的输出信号，由此将作为相减结果的输出信号提供到下一个加法器部分，
其中，将来自每一个加法器部分的输出信号输入到相应的自适应滤波器，
其中，将来自麦克风的音频信号输入到第一个加法器部分，并通过放大器，将来自最后一个加法器部分的输出信号作为电信号输入到扬声器和延迟部分，
其中，通过每一个自适应滤波器来更新每一个自适应滤波器的滤波器系数，以便根据相应加法器部分和延迟部分的输出信号来仿真声反馈路径的传递函数。
9.根据权利要求8所述的自适应拖音消除器，其特征在于，还包括混合器部分，用于将一个自适应滤波器的输出信号与要输入到所述一个自适应滤波器之后的另一个自适应滤波器的延迟部分的输出信号相混合。
10.根据权利要求8所述的自适应拖音消除器，其特征在于，当一个自适应滤波器之前的另一个自适应滤波器更新其滤波器系数时，所述一个自适应滤波器将其滤波器系数复位为初始值。
11.根据权利要求10所述的自适应拖音消除器，其特征在于，在所述一个自适应滤波器复位所述一个自适应滤波器的滤波器系数之前，所述另一个自适应滤波器参考所述一个自适应滤波器的滤波器系数，估计所述另一个自适应滤波器的滤波器系数的新值，用于更新所述另一个自适应滤波器的滤波器系数。
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