EP4117306A1 - Electro-acoustic method using an lms algorithm - Google Patents
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- EP4117306A1 EP4117306A1 EP21183695.2A EP21183695A EP4117306A1 EP 4117306 A1 EP4117306 A1 EP 4117306A1 EP 21183695 A EP21183695 A EP 21183695A EP 4117306 A1 EP4117306 A1 EP 4117306A1
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Definitions
- the invention relates to an electro-acoustic method using an LMS algorithm according to the preamble of claim 1.
- LMS algorithms the collective term for algorithms in which the squares of error are minimized (least mean squares) have long been used in electroacoustics, in particular for adaptive filters in numerous variants and for the most diverse areas of application.
- the currently most used variants are known by the following abbreviations: LMS-NLMS, sign-LMS, LMS with variable increment (VSS-LMS), LMS with correlation factor or NLMS and for special applications variants such as filtered-x LMS or filtered-e LMS (please refer International Journal of Electrical and Computer Engineering Vol. 7, No. 5, October 2017, LMS Adaptive Filters for Noise Cancellation: A Review, pp. 2520ff ).
- an equalizer is applied to optimize the playback of a digital acoustic source (e.g. Bluetooth audio).
- the equalizer is controlled by an adaptive filter whose filter coefficients are obtained, for example, by using LMS and then smoothed using linear interpolation and/or the exponential method.
- exponential smoothing it should be said that it uses the same coefficient for the attack and release case and that with adaptive filters, under certain unfavorable conditions, the filter coefficients can converge towards infinitely high values, whereby they are limited by the word length of the processor used ( clipping).
- a typical case is acoustic feedback suppression: if feedback occurs (the microphone records the loudspeaker), this can be heard as a very loud sine wave ("howling").
- an adaptive filter is configured to filter the speaker output and subtract at the microphone. In the best case, it filters the feedback sine exactly and subtracts it from the microphone, ergo the sine is eliminated.
- the adaptive filter tries to eliminate it.
- Microphone 1 shows the schematic structure of feedback suppression.
- Microphone 1 records the output of the driver (loudspeaker 2), creating what is known as acoustic feedback (audible as a very loud sine wave).
- An adaptive filter 3 attempts to estimate the transfer function of the feedback path and subtracts the filtered output from the driver at the microphone input. If the transfer function is estimated correctly, the filter 'clips' the sine and subtracts it from itself at the input, suppressing feedback.
- Block 4 for adapting the filter calculates new filter coefficients from the reference signal (reproduction) and the error signal (result of the subtraction).
- In 1 is entered in the adaptation block LMS / SignLMS / PEAK-LMS.
- LMS / SignLMS / PEAK-LMS are entered in the adaptation block LMS / SignLMS / PEAK-LMS.
- white noise duration 1 second, sampling rate 48kHz
- the attack time is equal to the release time.
- the time constants must be selected as a function of the sampling rate in a manner known to a person skilled in the art from the prior art. For the sampling rate of 48kHz given here, for example, it would be 300ms.
- the learning rate is a factor here by which the adaptation takes place.
- LMS is a gradient method, where the gradient is based on the least squares error. The learning rate thus defines an increment by which the coefficients are adjusted.
- the sensitivity of the learning rate is shown for LMS: For a learning rate of 0.00005, the algorithm produces NAN (Not A Number), for the filter coefficients, for a learning rate of 0.000005, the adaptation is too slow. Sign LMS shows a similar behavior and becomes unstable if the learning rate is too high or adapts too slowly if the learning rate is too low. For this example, 0.00001 is a near-optimal learning rate. PEAK-LMS shows a significantly higher tolerance: for 0.00005 the suppression performance is reduced, but the algorithm remains as it is 2 evident, with stable values for the coefficients.
- a typical problem for feedback cancellation is the case of an 'outer' tone (sine-like).
- the adaptive filter finds sine tones and wants to suppress them because they are considered feedback.
- the problem arises with the adaptive filter that the supposed feedback does not become weaker due to the subtraction at the microphone and the filter gets into an incorrect setting (this effect is called 'entrainment').
- the 3 clearly shows how the filter coefficients always increase.
- the number range -4000 to +2000 may no longer be mappable in a fixed-point processor; the result of the filtering cannot be played under any circumstances (DA converters are limited to a value range +/-1 in acoustics).
- the filter coefficients reach ⁇ ⁇ after a short time and the simulation stops because it can no longer be calculated.
- PEAK LMS will limit ⁇ pos and ⁇ neg , which avoids instabilities.
- PEAK LMS shows according to 4 a stable behavior: The range of values ⁇ 1 can be easily represented in conventional fixed-point processors for audio (eg 24-bit).
- PEAK-LMS prevents the coefficients from increasing too much. In the extreme case, the algorithm would limit at 1, but here it generally prevents an incorrect setting.
- One application is controlling an amplifier based on estimating the gain of a transfer function, as in figure 5 shown.
- ANC Active Noise Canceling
- the gain of a transfer function must be controlled in real time. Real-time means with the lowest possible latency and time-invariant. The processing cannot therefore take place independently of the temporal signal. For example, the processing of an audio file that has already been recorded would not be real-time, since a calculation is theoretically not subject to any time pressure.
- incoming microphone data must be processed as soon as possible.
- the amplification of the primary route (outer microphone) and/or the amplification of the secondary route (inner microphone) must be adapted in order to optimize the performance of the ANC system.
- an LMS algorithm that does not have the disadvantages mentioned and can be used not only in ANC systems, but wherever adaptive filters are used, for example in echo suppression, feedback suppression, System estimation (detection of an unknown transfer function), channel equalization (also applies to HF technology), adaptive inverse control, hum suppression (50Hz hum of the power supply filter for e.g. ECG sensors), vector voltmeter, separation of signals with different correlations, interference suppression in audiological measurement systems (e.g. measurement of otoacoustic emissions) and many others.
- adaptive filters for example in echo suppression, feedback suppression, System estimation (detection of an unknown transfer function), channel equalization (also applies to HF technology), adaptive inverse control, hum suppression (50Hz hum of the power supply filter for e.g. ECG sensors), vector voltmeter, separation of signals with different correlations, interference suppression in audiological measurement systems (e.g. measurement of otoacoustic emissions) and many others.
- x(n) is the element of the vector x(n) at time n.
- c ( n +1) stand for the result of the nth adaptation of c , c ( n ) for the value of c obtained in the n-1th step; ⁇ (also mu) for the adaptation rate; e ( n ) for the error signal at step n, x ( n ) for the nth input value, and y ( n ) for the output of the filter at the nth step.
- the sequence is shown optically in the form of a circuit diagram (with n for n ), with the input signal x, the adaptive filter c ( n ), the difference formation of the obtained value y with the given value x, which leads to e and the LMS block , which determines the necessary adaptations of the filter c ( n ).
- time constants ⁇ and ⁇ stand for the attack and release case and thus determine the rise and fall time of the algorithm.
- ⁇ and ⁇ are purely numerical, their temporal significance depends on the selected sampling rate. Both move in the interval [0;1]. .
- step response of the filter the value to which the filter tends for an input signal that jumps from 0 to 1 and then remains constant, is in 7 shown.
- the influence of the attack time constant can be seen from this.
- the invention now also includes a combination of the sign LMS with the PEAK filter; each individual coefficient is no longer calculated by addition a step size, but via the step response of the PEAK filter.
- the inputs to the algorithm e ( n ) and x(n) could be filtered before being fed to the algorithm.
- This has the advantage of focusing the adaptation on a frequency range.
- the desired frequency range depends on the application and can be defined individually by a person skilled in the art. Due to the exponential function of the PEAK filter, the LMS method can no longer converge to infinity, even if, for example, constant + increment ⁇ is calculated for a coefficient due to an incorrect setting (see feedback cancellation example above).
- the embodiment given in formula IV sets the attack and release time constants equal, namely with C ( ⁇ , ⁇ ) , which means that the algorithm (example rectangular pulse) converges in both directions at the same speed; this is in 8 shown.
- the factor ⁇ is fundamentally freely definable and application-related. For audio, however, the interval [0,1] makes sense.
- the adaptation of the filter can be handled extremely flexibly, while the advantages of the sign-LMS over other variants, as well as the NLMS, are retained, no divisions are required during the calculation process, which is implementation on a fixed-point DSP is advantageous.
- An example implementation of the above is adaptive gain control.
- An amplification should regulate adaptively in the range of ⁇ 6 dB FS.
- the PEAK-LMS algorithm automatically regulates ⁇ 6 dB without the need for additional calculations, such as converting linear values to decibels and vice versa. The elegance of the solution is thus evident.
- the interval -/+6dB here is application-related for an adaptive gain control in an ANC receiver.
- Other areas of application include feedback suppression, ANC, echo cancellation, adaptive beamforming, adaptive gain control and similar applications.
- the range of the gain control depends on the respective product and the calculated ANC filters. In any case, the sensible interval range is +/- 10dB.
- the volume of the pressure chamber created by the auditory canal and the in-ear headphones varies depending on the wearing situation, e.g. This in turn must be taken into account and compensated for by an adaptive ANC system.
- the sign-LMS has a residual error of convergence, the size of which depends on the step size ⁇ , also called mu: Larger mu leads to fast convergence, but with a larger residual error; smaller mu leads to slower convergence with smaller residual error.
- the variant used according to the invention shows a behavior similar to that shown in FIG Figure 9a shows, this represents the adaptation speed and the residual error with a time constant of the PEAK filter of 0.001, the Figure 9b at a time constant of 0.0025.
- the invention is not limited to the example and its variants, but can be used wherever LMS algorithms are used and there is a risk of instability due to the external conditions or a rapid reaction is desired.
- step response and “step response” are used synonymously in this application.
Abstract
Elektro-akustisches Verfahren unter Verwendung eines LMS-Algorithmus. Dieser kann unter anderem verwendet werden bei der Rückkopplungsunterdrückung, der Echo-Unterdrückung, der Feedback-Unterdrückung, der Brumm-Unterdrückung sowie vielen anderen Bereichen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass gemäß einem gegebenen Gleichungssystem ein sign-LMS mit einem PEAK-Filter kombiniert wird.Electro-acoustic method using an LMS algorithm. This can be used, among other things, for feedback suppression, echo suppression, feedback suppression, hum suppression and many other areas. The method is characterized in that a sign LMS is combined with a PEAK filter according to a given system of equations.
Description
Die Erfindung betrifft ein elektro-akustisches Verfahren unter Verwendung eines LMS-Algorithmus entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an electro-acoustic method using an LMS algorithm according to the preamble of claim 1.
LMS-Algorithmen, die Sammelbezeichnung für Algorithmen, bei denen die Fehlerquadrate minimiert werden (least mean squares) werden in der Elektroakustik insbesondere für adaptive Filter in zahlreichen Varianten und für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete seit Langem verwendet. Die derzeit meist verwendeten Varianten sind unter den folgenden Kurzbezeichnungen bekannt: LMS-NLMS, sign-LMS, LMS mit variabler Schrittweite (VSS-LMS), LMS mit Korrelationsfaktor oder NLMS und für spezielle Anwendungsformen Varianten wie filtered-x LMS oder filtered-e LMS (siehe
Als Beispiel für die Verwendung sei nur die
Zur exponentiellen Glättung ist zu sagen, dass diese für den Attack und Release-Fall denselben Koeffizienten nutzt und dass bei adaptiven Filter unter gewissen, ungünstigen, Bedingungen die Filterkoeffizienten gegen unendlich hohe Werte konvergierten können, wobei sie durch die Wortbreite des verwendeten Prozessors limitiert werden (clipping). Ein typischer Fall ist eine akustische Rückkopplungs-unterdrückung: Entsteht eine Rückkopplung (das Mikrophon zeichnet den Lautsprecher auf), ist diese als sehr lauter Sinus wahrnehmbar ("Heulen"). In diesem Fall wird ein adaptives Filter so konfiguriert, dass es die Ausgabe des Lautsprechers filtert und beim Mikrophon abzieht. Im optimalen Fall filtert es exakt den Rückkopplungs-Sinus und zieht ihn am Mikrophon ab, ergo wird der Sinus ausgelöscht. Wird das System allerdings mit einem Sinus-artigen Ton von einer externen Quelle konfrontiert (z.B. Musik) versucht das adaptive Filter diesen auszulöschen. Da er trotz Subtraktion nicht schwächer wird (die Quelle ist ja nicht mehr der Lautsprecher sondern extern) schwellen die Filterkoeffizienten gegen Unendlich an. Das Ergebnis ist ein verzerrter Klang. Es ist im Stand der Technik zur Vermeidung dieses fehlerhaften Konvergierens auch bekannt, die Koeffizienten durch einen externen Algorithmus zu überwachen und bei einem bestimmten Schwellenwert zu limitieren, was vom Ergebnis her günstig ist, aber höheren Aufwand hinsichtlich Komplexität und Rechenleistung mit sich bringt.Regarding exponential smoothing, it should be said that it uses the same coefficient for the attack and release case and that with adaptive filters, under certain unfavorable conditions, the filter coefficients can converge towards infinitely high values, whereby they are limited by the word length of the processor used ( clipping). A typical case is acoustic feedback suppression: if feedback occurs (the microphone records the loudspeaker), this can be heard as a very loud sine wave ("howling"). In this case, an adaptive filter is configured to filter the speaker output and subtract at the microphone. In the best case, it filters the feedback sine exactly and subtracts it from the microphone, ergo the sine is eliminated. However, if the system is confronted with a sine-like tone from an external source (e.g music) the adaptive filter tries to eliminate it. Since it does not get weaker despite subtraction (the source is no longer the loudspeaker but external), the filter coefficients swell towards infinity. The result is a distorted sound. In order to avoid this erroneous convergence, it is also known in the prior art to monitor the coefficients using an external algorithm and to limit them at a specific threshold value, which is favorable in terms of the result, but entails greater outlay in terms of complexity and computing power.
Dies soll an einem Beispiel verdeutlicht werden:
Gegeben sei ein typischer Fall von Rückkopplungs-Unterdrückung, wie er in ANC-Kopfhörern oder Hörgeräten auftritt.This should be clarified with an example:
Consider a typical case of feedback cancellation, such as that found in ANC headphones or hearing aids.
Dabei zeigt bzw. zeigen.
- die
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Rückkopplungs-Unterdrückung, - die
Fig. 2 stabile Werte für die Koeffizienten des Filters, - die
Fig. 3 stetig wachsende Filterkoeffizienten im Problemfall, - die
Fig. 4 ein stabiles Verhalten für das gewählte Verfahren, - die
Fig. 5 die Anwendung der Erfindung auf die Regelung eines Verstärkers, - die
Fig. 6 die Abfolge optisch, in Form eines Schaltbildes, - die
Fig. 7 die Schrittantwort des Filters, - die
Fig. 8 in einer Variante, - die
Figs 9a und 9b in zwei weiteren Varianten und - die
Fig. 10 in einer bevorzugten Variante.
- the
1 the schematic structure of a feedback suppression, - the
2 stable values for the coefficients of the filter, - the
3 constantly increasing filter coefficients in case of problems, - the
4 a stable behavior for the selected method, - the
figure 5 the application of the invention to the control of an amplifier, - the
6 the sequence visually, in the form of a circuit diagram, - the
7 the step response of the filter, - the
8 in a variant, - the
Figures 9a and 9b in two other variants and - the
10 in a preferred variant.
Der Block 4 zur Adaption des Filters errechnet aus dem Referenz-Signal (Wiedergabe) und dem Fehlersignal (Ergebnis der Subtraktion) neue Filterkoeffizienten. In
In einer Simulation wird zunächst weißes Rauschen (Dauer 1 Sekunde, Abtastrate 48kHz) dem Mikrophon zugeführt. Für die drei Algorithmen wird stets dieselbe Lernrate verwendet. Für PEAK-LMS werden die einzelnen Koeffizienten durch µpos = 1 und µneg = -1 beschränkt. Die Attackzeit ist für diesen Anwendungsfall gleich der Releasezeit. Die Zeitkonstanten müssen dabei in einer der Fachperson aus dem Stand der Technik bekannten Weise in Abhängigkeit von der Abtastrate gewählt werden. Für die hier angegebene Abtastrate von 48kHz wären es beispielsweise 300ms.Block 4 for adapting the filter calculates new filter coefficients from the reference signal (reproduction) and the error signal (result of the subtraction). In
In a simulation, white noise (duration 1 second, sampling rate 48kHz) is fed to the microphone. The same learning rate is always used for the three algorithms. For PEAK-LMS, the individual coefficients are limited by µ pos = 1 and µ neg = -1. For this use case, the attack time is equal to the release time. In this case, the time constants must be selected as a function of the sampling rate in a manner known to a person skilled in the art from the prior art. For the sampling rate of 48kHz given here, for example, it would be 300ms.
Die Lernrate ist hier ein Faktor um den die Adaption erfolgt. LMS ist ein Gradientenverfahren, wo dem Gradienten das Fehlerquadrat zu Grunde liegt. Die Lernrate definiert somit eine Schrittweite um welche die Koeffizienten angepasst werden. Für LMS zeigt sich die Empfindlichkeit der Lernrate: Für eine Lernrate von 0.00005 produziert der Algorithmus NAN (Not A Number), für die Filterkoeffizienten, für eine Lernrate von 0.000005 ist die Adaption zu langsam. Sign LMS zeigt ein ähnliches Verhalten und wird instabil für eine zu hohe Lernrate bzw. adaptiert zu langsam für eine zu geringe Lernrate. Für dieses Beispiel ist 0.00001 eine Lernrate nahe dem Optimum. PEAK-LMS zeigt eine deutlich höhere Toleranz: Für 0.00005 ist die Unterdrückungsleistung zwar reduziert, aber der Algorithmus bleibt, wie aus
Eine typische Problemstellung für Rückkopplungs-Unterdrückung ist der Fall eines 'äußeren' Tons (Sinus-artig). Das adaptive Filter findet Sinus-Töne und möchte diese Unterdrücken, da diese als Rückkopplung betrachtet werden. Für einen Ton, dessen Quelle keine Rückkopplung ist sondern z.B. Musik, entsteht beim adaptiven Filter die Problematik, dass durch die Subtraktion beim Mikrophon die vermeintliche Rückkopplung nicht schwächer wird und das Filter in eine Fehleinstellung gerät (dieser Effekt wird ,Entrainment' genannt).A typical problem for feedback cancellation is the case of an 'outer' tone (sine-like). The adaptive filter finds sine tones and wants to suppress them because they are considered feedback. For a sound whose source is not feedback but e.g. music, the problem arises with the adaptive filter that the supposed feedback does not become weaker due to the subtraction at the microphone and the filter gets into an incorrect setting (this effect is called 'entrainment').
Für LMS zeigt sich, dass die Filterkoeffizienten gegen die Unendlichkeit tendieren, da der Gradient - bedingt durch den konstanten Fehler - stets gleich bleibt.For LMS it can be seen that the filter coefficients tend towards infinity since the gradient - due to the constant error - always remains the same.
Die
PEAK LMS hingegen wird bei µpos und µneg limitieren, wodurch Instabilitäten vermieden werden. Unter identischen Bedingungen wie oben zeigt PEAK LMS gemäß
Der Wertebereich ± 1 ist in üblichen Festkomma-Prozessoren für Audio (z.B. 24bit) ohne weiteres darstellbar. PEAK-LMS verhindert hier, dass die Koeffizienten zu weit ansteigen. Im Extremem Fall würde der Algorithmus bei 1 limitieren, hier aber verhindert er generell eine Fehleinstellung.PEAK LMS, on the other hand, will limit µ pos and µ neg , which avoids instabilities. Under identical conditions as above, PEAK LMS shows according to
The range of values ±1 can be easily represented in conventional fixed-point processors for audio (eg 24-bit). Here, PEAK-LMS prevents the coefficients from increasing too much. In the extreme case, the algorithm would limit at 1, but here it generally prevents an incorrect setting.
Eine Anwendung ist die Regelung eines Verstärkers basierend auf der Schätzung der Verstärkung einer Übertragungsfunktion, wie in
Die Verstärkung einer Übertragungsfunktion muss im Falle eines In-Ear ANC (Active Noise Canceling) Hörers in Echtzeit geregelt werden. Echtzeit bedeutet mit möglichst geringer Latenz und zeit-invariant. Die Verarbeitung kann also nicht unabhängig vom zeitlichen Signal erfolgen. So wäre die Verarbeitung einer bereits aufgezeichneten Audio-Datei nicht Echtzeit, da eine Berechnung theoretisch keinem Zeitdruck unterliegt. Für ANC hingegen müssen eingehende Mikrofondaten ehestmöglich verarbeitet werden. Je nach Tragesituation (Einstecktiefe; individuelle Form des Gehörgangs) muss die Verstärkung der primären Strecke (äußeres Mikrophon) und/oder die Verstärkung der sekundären Strecke (inneres Mikrophon) adaptiert werden um die Leistung des ANC-Systems zu optimieren.In the case of an in-ear ANC (Active Noise Canceling) headphone, the gain of a transfer function must be controlled in real time. Real-time means with the lowest possible latency and time-invariant. The processing cannot therefore take place independently of the temporal signal. For example, the processing of an audio file that has already been recorded would not be real-time, since a calculation is theoretically not subject to any time pressure. For ANC, on the other hand, incoming microphone data must be processed as soon as possible. Depending on the wearing situation (insertion depth; individual shape of the auditory canal), the amplification of the primary route (outer microphone) and/or the amplification of the secondary route (inner microphone) must be adapted in order to optimize the performance of the ANC system.
Auch in diesem Beispiel werden herkömmliche LMS-Varianten immer gegen ein theoretisches Optimum konvergieren. Ein Problemfall tritt auf, wenn das Gerät aus dem Ohr genommen wird: Es gibt keine passive Dämpfung mehr und LMS würde versuchen die Verstärkung der ANC-Filter ins Unendliche anzuheben, da ja keinerlei ANC-Leistung mehr vorhanden ist. Somit müssten zusätzliche Sensoren eingesetzt werden um zu detektieren ob das Gerät sich im Ohr befindet oder nicht. PEAK-LMS wird automatisch bei µpos und µneg limitieren und somit ein Clipping und die daraus folgenden Artefakte am Treiber vermeiden.In this example, too, conventional LMS variants will always converge towards a theoretical optimum. A problem arises when the device is removed from the ear: there is no longer any passive damping and LMS would try to increase the gain of the ANC filter to infinity, since there is no longer any ANC power. Thus, additional sensors would have to be used to detect whether the device is in the ear or not. PEAK-LMS will automatically limit at µ pos and µ neg and thus avoid clipping and the resulting artefacts on the driver.
Es besteht somit ein Bedarf an einem LMS-Algorithmus, der die genannten Nachteile nicht aufweist und nicht nur in ANC-Systemen einsetzbar ist, sondern überall dort, wo adaptive Filter verwendet werden zum Beispiel in der Echo-Unterdrückung, der Feedback-Unterdrückung, der System-Schätzung (Erkennung einer unbekannten Übertragungsfunktion), Kanalentzerrung (betrifft auch HF-Technik), adaptive inverse Regelung, Brumm-Unterdrückung (50Hz Brummen des Stromnetzes filtern für z.B. EKG-Sensoren), Vektorvoltmeter, Trennung von Signalen unterschiedlicher Korrelation, Störunterdrückung in audiologischen Messsystemen (z.B. Messung otoakustischer Emissionen) und vielen anderen.There is therefore a need for an LMS algorithm that does not have the disadvantages mentioned and can be used not only in ANC systems, but wherever adaptive filters are used, for example in echo suppression, feedback suppression, System estimation (detection of an unknown transfer function), channel equalization (also applies to HF technology), adaptive inverse control, hum suppression (50Hz hum of the power supply filter for e.g. ECG sensors), vector voltmeter, separation of signals with different correlations, interference suppression in audiological measurement systems (e.g. measurement of otoacoustic emissions) and many others.
Erfindungsgemäß werden diese Probleme durch Verwendung eines LMS-Algorithmus gelöst, der die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale aufweist, mit andern Worten, bei dem für Attack- und Release unterschiedliche Koeffizienten verwendet werden. In einer Ausgestaltung sind, im Verfahren/Algorithmus selbst, obere und untere Limits für die Koeffizienten gesetzt, sodass die Gefahr des Konvergierens nach oben intrinsisch ausgeschlossen ist, wodurch auch das aufwendige, externe Monitoring entfällt.According to the invention , these problems are solved by using an LMS algorithm which has the features specified in the characterizing part of claim 1 in other words, where different coefficients are used for attack and release. In one embodiment, upper and lower limits are set for the coefficients in the method/algorithm itself, so that the risk of upward convergence is intrinsically excluded, which also eliminates the need for complex, external monitoring.
Der LMS-Algorithmus in seiner bekannten Form lautet (Formeln I):
Dabei sind die Vektoren fett gedruckt, die Skalare normal. x(n) ist das Element des Vektors x(n) zum Zeitpunkt n.The vectors are printed in bold, the scalars in normal. x(n) is the element of the vector x(n) at time n.
Im Einzelnen stehen c (n + 1) für das Ergebnis der n-ten Adaption von c, c(n) für den im n-1-ten Schritt erhaltenen Werte von c ; µ (auch mu) für die Adaptionsrate; e(n) für das Fehlersignal im Schritt n, x (n) für den n-ten Eingangswert und y(n) für die Ausgabe des Filters im n-ten Schritt.Specifically, c ( n +1) stand for the result of the nth adaptation of c , c ( n ) for the value of c obtained in the n-1th step; µ (also mu) for the adaptation rate; e ( n ) for the error signal at step n, x ( n ) for the nth input value, and y ( n ) for the output of the filter at the nth step.
In
Die in
Wie direkt ersichtlich ist, wird zu einem Koeffizienten ein kleiner Schritt (µ) addiert oder subtrahiert, bei einer Fehleinstellung (wie oben anhand der Rückkopplungs-unterdrückung erläutert, können Filterkoeffizienten unter ungünstigen Bedingungen in die Unendlichkeit konvergieren) kann es theoretisch bis in die Unendlichkeit zu dieser Änderung kommen, was durch den sogenannten PEAK-Algorithmus verhindert wird, der auch als Exponential-Fenster-Methode (Formeln III) bekannt ist:
Die Zeitkonstanten α und β stehen für den Attack- und Release-Fall und bestimmen somit die Anstiegs- und Abfallzeit des Algorithmus. α und β sind rein numerisch, ihre zeitliche Bedeutung hängt von der gewählten Abtastrate ab. Beide bewegen sich im Intevall [0;1] aus .The time constants α and β stand for the attack and release case and thus determine the rise and fall time of the algorithm. α and β are purely numerical, their temporal significance depends on the selected sampling rate. Both move in the interval [0;1]. .
Dabei handelt es sich um ein einpoliges, rekursives Filter, das eine Attack- und eine Release-Zeitkontante besitzt. Wenn das Eingangssignal grösser ist als die Ausgabe des Filters, wird die Attack-Zeitkonstante angewandt, ansonsten die Release-Zeitkonstante.This is a one-pole, recursive filter that has an attack and a release time constant. If the input signal is greater than the filter output, the attack time constant is applied, otherwise the release time constant.
Die sogenannte Schrittantwort des Filters, der Wert, zu dem das Filter bei einem Eingangssignal tendiert, das von 0 auf 1 springt und dann konstant bleibt, ist in
Die Erfindung umfasst nun auch eine Kombination des sign-LMS mit dem PEAK-Filter; die Berechnung jedes einzelnen Koeffizienten erfolgt nicht mehr mittels Addition einer Schrittweite, sondern über die Schrittantwort des PEAK-Filters. Damit ergeben sich die erfindungsgemäßen Formeln IV:
Die Eingänge des Algorithmus e(n) und x(n) könnten gefiltert werden ehe sie an den Algorithmus gespeist werden. Das hat den Vorteil die Adaption auf einen Frequenzbereich zu fokussieren. Der gewünschte Frequenzbereich ist Anwendungsbezogen und kann entsprechend vom Fachmann individuell festgelegt werden. Durch die Exponentialfunktion des PEAK-Filters kann das LMS-Verfahren nicht mehr ins Unendliche konvergieren, selbst wenn für einen Koeffizienten durch eine Fehleinstellung (siehe oben Feedback-Cancelation-Beispiel) beispielsweise konstant + Schrittweite µ gerechnet wird. Die in den Formeln IV angegebene Ausführung setzt die Attack- und die Release-Zeitkonstante gleich, nämlich mit C(α,β), an, was bedeutet, dass der Algorithmus (Beispiel Rechteckimpuls) in beide Richtungen gleich schnell konvergiert; dies ist in
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden für Attack- und Release-Zeitkonstanten unterschiedliche Werte verwendet, womit unterschiedliche Konvergenzzeiten für positive bzw. negative Koeffizienten erhalten werden, Formeln V:
Diese und weitere Modifikationen eröffnen Möglichkeiten und Anwendungsgebiete, die mit den verschiedenen LMS-Varianten des Standes der Technik nicht zugänglich sind.These and other modifications open up possibilities and areas of application that are not accessible with the various LMS variants of the prior art.
Als Beispiel: Der Signum-Operator liefert 1, oder 0, oder -1; durch Einführung eines Faktors µ kann das Limit des Koeffizienten gesteuert werden, wie die Formeln VI zeigen:
Der Faktor µ ist grundsätzlich frei definierbar und Anwendungsbezogen. Für Audio ist jedoch das Intervall [0,1] sinnvoll.The factor µ is fundamentally freely definable and application-related. For audio, however, the interval [0,1] makes sense.
Damit ist es auch möglich, unterschiedliche Limits für die Koeffizienten im negativen und positiven Bereich zu setzen und auch eigene Limits für jeden einzelnen Koeffizienten, Formel VII:
Durch die Verwendung unterschiedlicher Attack- und Release-Zeitkonstanten kann die Adaption des Filters äußerst flexibel gehandhabt werden, dabei bleiben die Vorteile der sign-LMS gegenüber anderen Varianten, wie auch der NLMS weiterhin erhalten, es werden keine Divisionen während des Rechenvorgangs benötigt, was bei der Umsetzung auf einem Festkomma-DSPs vorteilhaft ist.By using different attack and release time constants, the adaptation of the filter can be handled extremely flexibly, while the advantages of the sign-LMS over other variants, as well as the NLMS, are retained, no divisions are required during the calculation process, which is implementation on a fixed-point DSP is advantageous.
Eine beispielshafte Umsetzung der obigen Ausführungen ist eine adaptive Verstärkungsregelung. Eine Verstärkung soll im Bereich ± 6 dB FS adaptiv regeln. Durch setzen von einer Obergrenze für µ von 2 und einer Untergrenze von 0.5 regelt der PEAK-LMS Algorithmus automatisch ± 6 dB, ohne dass zusätzliche Berechnungen notwendig sind, wie etwa die Umrechnung von linearen Werten in Dezibel und retour. Die Eleganz der Lösung ist somit offensichtlich.An example implementation of the above is adaptive gain control. An amplification should regulate adaptively in the range of ± 6 dB FS. By setting an upper limit for µ of 2 and a lower limit of 0.5, the PEAK-LMS algorithm automatically regulates ± 6 dB without the need for additional calculations, such as converting linear values to decibels and vice versa. The elegance of the solution is thus evident.
Das Intervall -/+6dB ist hier Anwendungsbezogen für eine adaptive Gain-Regelung in einem ANC-Hörer. Andere Anwendungsbereiche sind etwa Feedback-Suppression, ANC, Echo-Cancelation, Adaptive Beamforming, Adaptive Gain Control und vergleichbare Anwendungen. Der Raum der Gain-Regelung ist vom jeweiligen Produkt und den errechneten ANC-Filtern abhängig. Der sinnvolle Intervallbereich liegt aber jedenfalls bei +/- 10dB. Je nach Tragesituation eines z.B. In-Ear ANC-Hörers und Ohrgeometrie des Trägers variieren die Volumina der Druckkammer die durch den Gehörgang und dem In-Ear-Hörer entstehet. Das muss wiederum von einem adaptiven ANC-System beachtet und kompensiert werden.The interval -/+6dB here is application-related for an adaptive gain control in an ANC receiver. Other areas of application include feedback suppression, ANC, echo cancellation, adaptive beamforming, adaptive gain control and similar applications. The range of the gain control depends on the respective product and the calculated ANC filters. In any case, the sensible interval range is +/- 10dB. The volume of the pressure chamber created by the auditory canal and the in-ear headphones varies depending on the wearing situation, e.g. This in turn must be taken into account and compensated for by an adaptive ANC system.
Wie oben kurz angeführt, bleibt bei der sign-LMS ein Restfehler der Konvergenz, dessen Größe von der Schrittweite µ, auch mu genannt, abhängt: Größeres mu führt zur schnellen Konvergenz, aber mit größerem Restfehler; kleineres mu führt zu langsamerer Konvergenz mit kleinerem Restfehler. Die erfindungsgemäß verwendete Variante zeigt ein ähnliches Verhalten, wie aus
Es ist nun bei LMS-Algorithmen im allgemeinen bekannt, eine Verbesserung herbeizuführen, indem die Schrittweite adaptiv in Abhängigkeit von der Fehlergröße gewählt wird, bekannt ist dies im Allgemeinen als variable step-size LMS, wie sie die Formeln VIII angeben:
Dabei kann für µ eine Obergrenze und eine Untergrenze eingeführt werden; die Schrittgröße wird groß gewählt, wenn der Fehler groß ist, und klein gewählt, wenn er klein ist, damit kommt man zu einem Kompromiss zwischen Konvergenzgeschwindigkeit und Restfehler. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann dieses Verfahren auch auf die Adaptionsgeschwindigkeit angewandt werden, was für den Fall gleicher Attack- und Release-Zeitkonstante die Formeln IX liefert:
Die verbesserte Konvergenz ist aus
Ein Hinweis: in diesem Fall gibt es keine vorgegebenen Attack/Release-Zeiten, da die Formel in der untersten Zeile die Zeitkonstanten in jeder Iteration neu berechnet!A note: in this case there are no predetermined attack/release times, since the formula in the bottom line recalculates the time constants in each iteration!
Die Erfindung ist nicht auf das Beispiel und seine Varianten beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo LMS-Algorithmen verwendet werden und durch die äußeren Gegebenheiten die Gefahr der Instabilität besteht oder eine rasche Reaktion erwünscht ist.The invention is not limited to the example and its variants, but can be used wherever LMS algorithms are used and there is a risk of instability due to the external conditions or a rapid reaction is desired.
Die beiden Begriffe "Schrittantwort" und "Sprungantwort" werden im Rahmen dieser Anmeldung synonym verwendet.The two terms "step response" and "step response" are used synonymously in this application.
Der Algorithmus wurde in den angeführten Formeln stets im Zeitbereich definiert. Dem Fachmann ist es ohne Mühe möglich diese über entsprechende Verfahren, beispielsweise die Laplace-Transformation, mit gleichem Ergebnis auch über den Frequenzbereich zu definieren.In the formulas given, the algorithm was always defined in the time domain. A person skilled in the art can easily define this using appropriate methods, for example the Laplace transformation, with the same result over the frequency range.
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