CN1859519B - 一种自适应滤波器及回波抵消器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于通信领域，提供了一种自适应滤波器，以及利用该自适应滤波器实现的回波抵消器，所述自适应滤波器用于根据滤波器系数输出模拟回波，对线路回波提供反相补偿，所述滤波器系数通过下式确定：(1)h(n+1)＝h(n)+μ*g(n)*Δh(n)；(2)g(i)＝|h(i)|/∑|h(i)|；其中，i∈(1，n)，n为自适应滤波器的阶数，μ为步长参数，h(n)、Δh(n)分别为采用仿射投影算法获得的滤波器系数和滤波器系数的调整量。利用本发明能够加快自适应滤器的收敛速度，改善回波抵消器性能，同时不增加太大的计算量和实现复杂度，具有可实现性。

Description

一种自适应滤波器及回波抵消器

技术领域

本发明属于通信领域，尤其涉及一种自适应滤波器，以及利用该自适应滤波器实现的回波抵消器。

背景技术

电话系统中，通话质量常常受到回波(Echo)的影响。线路回波(Line Echo)是其中一种主要形式。线路回波产生的原因主要是起二、四线变换作用的混合变换线圈(Hybrid)的阻抗不匹配引起的。理想情况下，混合线圈会把远端用户的信号完全传送到近端用户。但在实际中的情况中，由于阻抗不匹配等原因，从四线侧到二线侧的信号经过混合变换线圈后，部分信号会泄漏返回到四线侧，这部分“泄漏”的信号又传回远端，这样远端用户就听到了自己的声音，这就是线路回波，如图1所示。

通常，混合线圈的泄漏通路是线性的，但频率特性未知。当通话线路较短、延迟较小时，回波并不明显。当线路较长、延迟较大时，回波比较显著，严重时使通话无法正常进行，目前主要采取回波消除的方法来抑制回波，回波抵消器是实现回波抑制的设备。

图2示出了回波抵消器的结构，其核心部件是自适应滤波器201。当远端检测单元202检测到存在远端语音信号时，自适应滤波器201开始进行自适应调整，调整滤波器系数。当近端检测单元203检测到存在近端语音信号时，自适应滤波器201根据滤波器系数产生模拟回波g，输入到抵消器204中与远端信号经过混合线圈100后产生的实际回波G做反相补偿，以抵消远端语音信号经混合线圈100后产生的回波。为了进一步提高回波抵消效果，通过非线性处理单元205对未抵消干净的回波进行非线性处理，同时由舒适噪声发生单元206对非线性处理后的话路插入匹配的感觉较为舒适的噪声。

其中，远端来的信号Rin经过混合线圈100形成回波G，回波G、近端语音信号S和近端背景噪声N经相加点500混合形成近端发往远端的信号Sin，即：

Sin＝G+S+N

远端信号Rin作为自适应滤波器201的输入，通过自适应滤波器201形成模拟回波g，该模拟回波g通过相加点500反相补偿到Sin中，得到要传向远端的信号Sout，即：

Sout＝Sin-g＝G+S+N-g

当自适应滤波器201的单位脉冲响应h能很好地模拟回波通道的传递函数H，即G≈g时，残余回波信号e＝G-g很小，从而有

Sout≈S+N

此时回波G被抵消。

由上可见，回波抵消器的核心是一个自适应数字滤波器，自适应滤波器的核心是自适应滤波算法，通过自适应滤波算法调整滤波器系数。自适应滤波器所选取的自适应算法不同，所实现的回波抵消器的性能和成本也不同。

调整滤波器系数的过程称为收敛。在回波抵消器中，要求自适应滤波器收敛速度快且计算复杂性低，在现有自适应算法中，NLMS(Normalized LMS，归一化最小均方)算法以其算法简单、运算量小而在工程界被广泛应用，是最常用的一种算法。

NLMS算法是从LMS(最小均方)算法发展而来。LMS算法应用了梯度下降的思想，是最速下降法(Steepest Descent)的近似。假设x(n)为滤波器的输入；h(n)为滤波器系数；d(n)为期望信号；而g(n)为滤波器的实际输出信号，也称为d(n)估计值；误差为e(n)＝d(n)-g(n)。自适应算法的目的就是不断调节h(n)，使输出误差的平方均值(反映信号的功率)J(n)＝E[e2(n)]最小。由梯度的定义可知，梯度方向是函数值上升最快的方向。因此，如果选择J(n)的负梯度方向作为调节量，J(n)将快速地下降，并最终达到最小值而稳定下来，实现期望的自适应调节的目的。实际中，往往并没有x(n)、d(n)的先验知识，只能作某种程度的近似。LMS算法便是在最速下降法中用瞬时值代替期望值而得到的一种简单而实用的算法。

针对经典的LMS算法收敛时间依赖输入信号功率的问题，将自适应滤波器系数h的调整量用输入信号的功率进行归一化，这样的算法即为归一化的最小均方(NLMS)算法。算法具体过程如下：

(1)初始化p(0)＝0，h(n)＝0；

(2)对每一次迭代，进行如下计算：

$p\left(n\right)=p(n-1)+x^2\left(n\right)-x^2(n-N)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x(n-i);$

e(n)＝d(n)-h^T(n)x(n)；

$\mathrm{\Δh}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\μ}}{p\left(n\right)}e\left(n\right)x\left(n\right)=\frac{\mathrm{\μe}\left(n\right)x\left(n\right)}{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x(n-i)};$

h(n+1)＝h(n)+Δh(n)；

NLMS算法的缺点是对语音信号，尤其是相关性较强的信号的收敛速度较慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应滤波器，旨在解决现有技术中自适应滤波器对于相关性较强的信号收敛速度较慢的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种回波抵消器。

为实现上述目的，本发明提供了一种自适应滤波器，用于根据滤波器系数输出模拟回波，对线路回波提供反相补偿，所述滤波器系数通过下式确定：

(1)h(n+1)＝h(n)+μ*g(n)*Δh(n)；

(2)g(i)＝|h(i)|/∑|h(i)|；

其中，i＝0，1，2...，L-1，L为自适应滤波器的阶数，μ为步长参数，h(n)、Δh(n)分别为采用仿射投影算法获得的滤波器系数和滤波器系数的调整量，n＝0，1，2...，L-1。

所述自适应滤波器的阶数为3阶。

所述自适应滤波器为横向抽头滤波器。

为实现上述目的，本发明还提供了一种回波抵消器，包括检测远端语音信号的远端检测单元以及检测近端语音信号的近端检测单元，所述回波抵消器进一步包括：

跟随线路变化调整滤波器系数，并利用所述滤波器系数产生匹配的模拟回波的主自适应滤波器；

将所述主自适应滤波器产生的模拟回波与远端语音信号产生的实际回波进行抵消的第一抵消器；

备份所述主自适应滤波器收敛好的滤波器系数，并利用所述滤波器系数产生模拟回波的备份自适应滤波器；

将远端语音信号产生的实际回波与所述备份自适应滤波器产生的模拟回波进行回波抵消的第二抵消器；以及

比较所述第一抵消器和第二抵消器的回波抵消效果，在所述第一抵消器的回波抵消效果优于所述第二抵消器时，将所述滤波器系数备份到所述备份滤波器的监控单元；

所述滤波器系数通过下式确定：

(1)h(n+1)＝h(n)+μ*g(n)*Δh(n)；

(2)g(i)＝|h(i)|/∑|h(i)|；

其中，i＝0，1，2...，L-1，L为自适应滤波器的阶数，μ为步长参数，h(n)、Δh(n)分别为采用仿射投影算法获得的滤波器系数和滤波器系数的调整量，n＝0，1，2...，L-1。

所述主自适应滤波器的阶数为3阶。

所述回波抵消器进一步包括：

检测传真信号的单音信号检测器；以及

在所述单音信号检测器检测到传真信号时，对回波抵消进行旁路处理的旁路单元。

所述回波抵消器进一步包括：

对所述第二抵消器输出的残余回波进行非线性处理的非线性处理单元。

所述主自适应滤波器为横向抽头滤波器。

本发明通过对自适应滤波算法进行优化，能够加快自适应滤波器的收敛速度，改善回波抵消器性能，同时不增加太大的计算量和实现复杂度，具有可实现性。

附图说明

图1是线路回波的产生原理图；

图2是现有技术中回波抵消器的结构图；

图3是本发明实现的基于PAP算法采用横向滤波器实现的自适应滤波器结构图；

图4是本发明提供的回波抵消器的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为了进一步提高回波抵消器算法的性能，又不增加太多的计算量，提出了一种通过PAP(Proportionate Affine Projection，比例仿射投影)算法实现的数字自适应滤波器，以及采用该滤波器实现的回波抵消器。

PAP算法是对AP(Affine Projection，仿射投影)算法的优化，以下先对AP算法进行说明：

设自适应滤波器输入向量x(n)为x(n)＝[x(n)，x(n-1)，Λ，x(n-L+1)]^T，滤波器的系数h为h＝[h(0)，h(1)，Λ，h(L-1)]^T，滤波器系数h的调整量Δh为Δh＝[Δh(0)Δh(1)ΛΔh(L-1)]^T，自适应滤波器的阶数为L，仿射投影的阶数为P。则每次系数h的调整量Δh应满足如下P个方程，

$\left\{\begin{array}{c}y\left(n\right)=x^T\left(n\right)[h\left(n\right)+\mathrm{\Δh}\left(n\right)]\\ y(n-1)=x^T(n-1)[h\left(n\right)+\mathrm{\Δh}\left(n\right)]\\ M\\ y(n-p+1)=x^T(n-p+1)[h\left(n\right)+\mathrm{\Δh}\left(n\right)]\end{array}\right.$

将上式写成矩阵形式，则为，

Y＝X^T[h+Δh]    (1)；

其中，向量Y＝[y(n)y(n-1)Λy(n-P+1)]^T，矩阵X＝[x(n)x(n-1)Λx(n-P+1)]

由上式可得，

X^TΔh＝Y-X^Th＝E

其中误差向量E＝[e(n)e(n-1)Λe(n-P+1)]^T，这里e(n)为，

e(n)＝y(n)-x^T(n)h(n)    (2)；

通常P＜L，因此方程(2)是欠定方程，其最小范数解为Δh＝(X^T)⁺E，

其中，(·)+表示求矩阵的伪逆。从而有，

Δh＝X(X^TX)^-1E。

适当地选取仿射投影的阶数P，很容易在运算量和性能之间进行折衷。通过观察AP算法的推导过程，易知NLMS算法相当于P＝1的AP算法，而通常的递推最小二乘(RLS)算法相当于P＝L的AP算法。AP算法收敛速度较快，特别适用于处理信号为有色信号如语音信号等的情况。

为减少仿射投影算法的运算量，本发明选择P＝3。尽管如此，AP算法的收敛速度仍比NLMS算法快。一般来说，若自适应滤波器系数长度为L，则NLMS算法收敛速度约为12L，而AP算法收敛速度约为(3～4)L。

P＝3时，X^TX为，

$\left[\begin{array}{cccc}x\left(n\right)& x(n-1)& \mathrm{\Λ}& x(n-L+1)\\ x(n-1)& x(n-2)& \mathrm{\Λ}& x(n-L)\\ x(n-2)& x(n-3)& \mathrm{\Λ}& x(n-L-1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}x\left(n\right)& x(n-1)& x(n-2)\\ x(n-1)& x(n-2)& x(n-3)\\ M& M& M\\ x(n-L+1)& x(n-L)& x(n-L-1)\end{array}\right]$

设x(n)的n时刻k延迟自相关系数rx(n，k)为，

$\mathrm{rx}(n,k)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)x(n-k)$

X^TX可由rx(n，k)表示为，

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{rx}(n,0)& \mathrm{rx}(n,1)& \mathrm{rx}(n,2)\\ \mathrm{rx}(n,1)& \mathrm{rx}(n-\mathrm{1,0})& \mathrm{rx}(n-\mathrm{1,1})\\ \mathrm{rx}(n,2)& \mathrm{rx}(n-\mathrm{1,1})& \mathrm{rx}(n-\mathrm{2,0})\end{array}\right]$

由于rx(n，0)≈rx(n-1，0)≈rx(n-2，0)， rx(n，1)≈rx(n-1，1)，令v1＝rx(n，1)/rx(n，0)，v2＝rx(n，2)/rx(n，0)，X^TX可化简为，

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{rx}(n,0)\·1.0& \mathrm{rx}(n,0)\·v1& \mathrm{rx}(n,0)\·v2\\ \mathrm{rx}(n,0)\·v1& \mathrm{rx}(n,0)\·1.0& \mathrm{rx}(n,0)\·v1\\ \mathrm{rx}(n,0)\·v2& \mathrm{rx}(n,0)\·v1& \mathrm{rx}(n,0)\·1.0\end{array}\right]$

相应地，(X^TX)^-1为，

$\frac{1}{\mathrm{rx}(n,0)(1+{2v1}^{2}v2-{v2}^2-{2v1}^2)}\left[\begin{array}{ccc}1-{v1}^2& v2v1-v1& {v1}^2-v2\\ v2v1-v1& 1-{v2}^2& v2v1-v1\\ {v1}^2-v2& v2v1-v1& 1-{v1}^2\end{array}\right]$

AP算法中滤波器系数的调整量Δh为，

$\mathrm{\Δh}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δh}\left(0\right)\\ \mathrm{\Δh}\left(1\right)\\ M\\ \mathrm{\Δh}(L-1)\end{array}\right]$

$=\frac{\left[\begin{array}{ccc}x\left(n\right)& x(n-1)& x(n-2)\\ x(n-1)& x(n-2)& x(n-3)\\ M& M& M\\ x(n-L+1)& x(n-L)& x(n-L-1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1-{v1}^2& v2v1-v1& {v1}^2-v2\\ v2v1-v1& 1-{v2}^2& v2v1-v1\\ {v1}^2-v2& v2v1-v1& 1-{v1}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}e\left(n\right)\\ e(n-1)\\ e(n-2)\end{array}\right]}{\mathrm{rx}(n,0)(1+{2v1}^{2}v2-{v2}^2-{2v1}^2)}$

在n-1时刻调整后，e(n-1)≈0，e(n-2)≈0，这样上式可简化为，

$\mathrm{\Δh}=\frac{\left[\begin{array}{ccc}x\left(n\right)& x(n-1)& x(n-2)\\ x(n-1)& x(n-2)& x(n-3)\\ M& M& M\\ x(n-L+1)& x(n-L)& x(n-L-1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1-{v1}^2& v2v1-v1& {v1}^2-v2\\ v2v1& 1-{v2}^2& v2v1-v1\\ {v1}^2-v2& v2v1-v1& 1-{v1}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}e\left(n\right)\\ 0\\ 0\end{array}\right]}{\mathrm{rx}(n,0)(1+{2v1}^{2}v2-{v2}^2-{2v1}^2)}$

将上式写成标量形式，

$\mathrm{\Δh}\left(k\right)=\frac{e\left(n\right)[x(n-k)(1-{v1}^2)+x(n-k-1)(v2v1-v1)+x(n-k-2)({v1}^2-v2)]}{\mathrm{rx}(n,0)(1+{2v1}^{2}v2-{v2}^2-{2v1}^2)}---\left(3\right);$

根据以上分析，完整AP算法的具体步骤如下：

(1)初始化滤波器系数h(i)＝0(i＝0，1，Λ，L-1)；

(2)计算(2)式计算误差向量E；

(3)用式(3)计算滤波器系数h的调整量Δh(n)；

(4)更新自适应滤波器系数：

h(n+1)＝h(n)+μΔh(n)，其中μ为步长系数；

在本发明，对AP算法进一步优化，令g(i)＝|h(i)|/∑|h(i)|，其中i∈(1，n)，n为自适应滤波器的阶数，自适应滤波器系数h进一步更新为：

h(n+1)＝h(n)+μ*g(n)*Δh(n)；

计算出h后，可用横向抽头滤波器对算法进行实现。

图3示出了本发明中采用横向抽头滤波器实现的自适应滤波器，这种滤波器的结构较为简单，易于硬件实现，同时在收敛速度和收敛性能方面能够实现较好的效果。

自适应滤波器由三个基本单元构成：单位延迟单元、乘法器以及加法器。

延迟单元的个数确定了脉冲响应的有限持续时间，延迟单元个数通常称为滤波器的阶数。在图中，每个延迟单元用单位延迟算子Z¹表示，特别的，当对输入u(n)进行Z¹运算时，其输出结果为u(n-1)。

乘法器的作用是用滤波器的系数乘以与其连接的抽头输入，滤波器的系数利用本发明提供的PAP算法进行更新，调整滤波器的收敛速度。加法器的作用是对各个乘法器的输出求和，并产生总的滤波器输出。

在本发明中，滤波器的输入为远端信号的离散采样值x(n)，经滤波器处理后产生实际输出信号g(n)，实际输出信号g(n)与期望信号d(n)进行相减处理后，产生残余回波e(n)。

图4是本发明提供的回波抵消器的结构图，包括主自适应滤波器401，备份自适应滤波器402、远端检测单元406、近端检测单元407、监控单元405、非线性处理单元408、第一抵消器403、第二抵消器404、单音信号检测器409以及旁路单元410，其中：

主自适应滤波器401快速跟随线路变化，产生匹配的模拟回波。作为本发明的优选实施例，主自适应滤波器401采用3阶PAP算法实现。

备份自适应滤波器402对收敛好的滤波器系数h进行备份，保存性能好的滤波器系数，并进行回波抵消，同时保持回波抵消的稳定性。

第一抵消器403利用主自适应滤波器401产生的模拟回波与远端语音信号产生的实际回波进行回波抵消，输出残余回波。

第二抵消器404利用备份自适应滤波器402输出的模拟回波与远端语音信号产生的实际回波进行回波抵消，输出残余回波。

监控单元405用于判断是否对滤波器系数h进行备份，在主自适应滤波器401和备份自适应滤波器402之间进行切换。

远端检测单元406用于检测远端语音信号，近端检测单元407用于检测近端语音信号。非线性处理单元408对未抵消干净的回波进行非线性处理。单音信号检测器409用于检测传真信号，当检测到传真信号的情况下，旁路单元410对回波抵消进行旁路处理。

当远端有语音信号存在时，由于混合线圈的二/四线效应，在近端产生回波。在没有近端语音信号存在时，主自适应滤波器401开始进行自适应调整。当调整到一个较好的回波抵消效果后，将主自适应滤波器401的滤波器系数备份到备份自适应滤波器402。备份自适应滤波器402根据备份的滤波器系数产生模拟回波，与近端输入的回波信号相抵消，消除回波信号，从而起到回波抵消的效果。

以下对回波抵消器的工作过程进行详细说明：

当远端检测单元406检测到存在远端语音信号时，如果此时近端检测单元404检测不存在近端语音信号，主自适应滤波器401开始自适应调整。监控单元405比较主、备自适应滤波器的抵消效果，即第一抵消器403和第二抵消器404输出的残余回波，当主自适应滤波器401调整到比备份自适应滤波器402有更换的抵消效果时，主自适应滤波器系数被备份到备份自适应滤波器402，远端信号经备份自适应滤波器402调整输出后，经第二抵消器404与近端回波信号相抵消，实现回波抵消的功能。通常情况下，回波抵消后还会残留一些回波，通过非线性处理单元408进一步消除回波。

当近端检测单元404检测到近端存在语音信号，主、备自适应滤波器停止更新和备份，第二抵消器404仍然正常工作。

作为本发明的一个实施例，单音信号检测器409时刻检测接收(Rin-＞Rout)、发送(Sin-＞Sout)通路上是否存在传真信号，如果检测发现传真信号有效，旁路单元409被使能，回波抵消被旁路处理。否则，回波抵消器进行正常的回波抵消处理。

本发明提供的PAP算法与现在通用的NLMS算法相比，可以加快回波抵消器收敛速度，收敛得更加稳定，同时计算量也不太大，可以用硬件ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特定用途集成电路)实现。

在本发明中，选用n(n＞1)阶PAP算法实现回波抵消器，随着阶数的增加，收敛速度越快，但实现复杂度越大，选用三阶PAP算法实现回波抵消器可以较好的平衡回波抵消器的回波抵消性能和实现复杂度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自适应滤波器，用于根据滤波器系数输出模拟回波，对线路回波提供反相补偿，其特征在于，所述滤波器系数通过下式确定：

(1)h(n+1)＝h(n)+μ*g(n)*Δh(n)；

(2)g(i)＝|h(i)|/∑|h(i)|；

其中，i＝0，1，2...，L-1，L为自适应滤波器的阶数，μ为步长参数，h(n)、Δh(n)分别为采用仿射投影算法获得的滤波器系数和滤波器系数的调整量，n＝0，1，2...，L-1。

2.如权利要求1所述的自适应滤波器，其特征在于，所述自适应滤波器的阶数为3阶。

3.如权利要求1所述的自适应滤波器，其特征在于，所述自适应滤波器为横向抽头滤波器。

4.一种回波抵消器，包括检测远端语音信号的远端检测单元以及检测近端语音信号的近端检测单元，其特征在于，所述回波抵消器进一步包括：

跟随线路变化调整滤波器系数，并利用所述滤波器系数产生匹配的模拟回波的主自适应滤波器；

将所述主自适应滤波器产生的模拟回波与远端语音信号产生的实际回波进行抵消的第一抵消器；

备份所述主自适应滤波器收敛好的滤波器系数，并利用所述滤波器系数产生模拟回波的备份自适应滤波器；

将远端语音信号产生的实际回波与所述备份自适应滤波器产生的模拟回波进行回波抵消的第二抵消器；以及

比较所述第一抵消器和第二抵消器的回波抵消效果，在所述第一抵消器的回波抵消效果优于所述第二抵消器时，将所述滤波器系数备份到所述备份滤波器的监控单元；

所述滤波器系数通过下式确定：

(1)h(n+1)＝h(n)+μ*g(n)*Δh(n)；

(2)g(i)＝|h(i)|/∑|h(i)|；

其中，i＝0，1，2...，L-1，L为自适应滤波器的阶数，μ为步长参数，h(n)、Δh(n)分别为采用仿射投影算法获得的滤波器系数和滤波器系数的调整量，n＝0，1，2...，L-1。

5.如权利要求4所述的回波抵消器，其特征在于，所述主自适应滤波器的阶数为3阶。

6.如权利要求4所述的回波抵消器，其特征在于，所述回波抵消器进一步包括：

检测传真信号的单音信号检测器；以及

在所述单音信号检测器检测到传真信号时，对回波抵消进行旁路处理的旁路单元。

7.如权利要求4所述的回波抵消器，其特征在于，所述回波抵消器进一步包括：

对所述第二抵消器输出的残余回波进行非线性处理的非线性处理单元。

8.如权利要求4至7任一权利要求所述的回波抵消器，其特征在于，所述主自适应滤波器为横向抽头滤波器。

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