声学回声消除算法研究

收稿日期:2004-01-06　作者简介:费璐璐(1978—),女,北京人,在读硕士.文章编号:1672-2477(2004)01-0024-04声学回声消除算法研究费璐璐,王华斌(华东师范大学电子系,上海　200062)摘要:在回声消除中,自适应滤波是核心,而滤波器系数的更新又是自适应滤波的核心.在声学回声消除领域,滤波器系数的更新最常使用的算法是LMS 算法,目前针对LMS 算法有两种改进算法,即NLMS 和NBLMS算法.基于TI 公司的DSP 芯片的硬件资源特点来比较NLMS (Normalized LMS )和NBLMS (Normalized BlockUpdate LMS )算法,为消除声学回声提供选择依据.关　键　词:声学回声消除;NLMS 算法;NBLMS 算法;TMS320VC5402;DSK中图分类号:TP301 文献标识码:A在远程会议系统、车载电话和语音IP 技术中(Voice Over IP ),往往出现语音质量较差的情况.其因素是多方面的,但最关键的因素之一是回声的影响,因此回声消除对提高话音传输质量至关重要.随着回声消除技术的发展,当前回声消除研究的重点,已由“电路回声”的消除转向了“声学回声”的消除.TMS320VC5402是TI 公司生产的从属于TMS320C54x 系列的一个工作灵活、高速、具有较高性价比、低功耗的16位定点通用DSP 芯片,目前它在语音处理方面得到广泛应用.本文基于TMS320VC5402的硬件特点,对NLMS 算法和NBLMS 算法进行比较研究,从而为声学回声消除提供选择依据.1　声学回声的产生机理及其消除原理1.1　声学回声产生机理源自接收器(耳机)的声波,通过位于声音路径上的固体物体反射进入手机的麦克风(话筒)中,或扬声器电话中,这就形成了声学回声.如图1所示.图1　声学回声产生机理图2　声学回声消除的功能原理1.2　声学回声消除原理1.2.1　声学回声消除功能原理声学回声消除的功能原理如图2所示,远端的信号s (n )通个一个自适应滤波器之后生成信号e ～(n ),同时经扬声器在近端放出,再经麦克风拾取后产生我们不需要的回声信号e (n ).在只有远端说话的情况下,e ～(n )和e (n )经过一个减法器之后,成为剩余回声信号r (n ),而自适应滤波器就是利用剩余第19卷第1期2004年3月安　徽　工　程　科　技　学　院　学　报Journal of Anhui University of Technology and Science Vol.19.No.1Mar.,2004回声信号采用LMS 算法来调整自适应滤波器的系数,从而消除剩余回声的.1.1.2　声学回声消除算法原理LMS 算法会不断调整自适应滤波器的系数,而滤波器的系数的个数与回声路径有关,例如回声路径达32ms ,采样率为8k ,则滤波器的系数个数为256.滤波器的系数调整算法如下:(1)信号y (n )滤波后得到信号(注意:对公式参数的调整):^e [n ]=∑255i =0h[i ].s[n -i ]　.(1) (2)剩余回声信号:r[n ]=e[n ]-^e [n ]=e[n ]-∑255i =0h[i ].s [n -i ]　.(2) (3)利用剩余回声信号调整滤波器系数.算法推导如下: h n +1[i ]=h n [i ]+μ2-99h n [i ]{(|r |2)}　,其中: 99h[i ]{(|r |2)}=299h[i ](r )r , 99h[i ]{(|r |2)}=299h[i ](e -^e )r , 99h[i ]{(|r |2)}=299h[i ]e -∑N -1i =0(h[i ]s[n -i ])(r )　, 99h[i ]{(|r |2)}=2(-(s [n -i ]))r .最终得到LMS 算法的滤波器系数更新如下:h n +1[i ]=h n [i ]+μrs[n -i ]　,(3)式中h n [i ]是第n 个采样值计算后的滤波器第i 个系数.而在实际的回声消除过程中,对滤波器系数的调整和更新有两种方式,一种是每次输入一个采样值,使滤波器的所有系数更新一次,即NLMS 算法;另一种是将滤波器的系数分为若干块,每次输入一个采样值,滤波器系数只是轮回地更新其中一块,即NBLMS 算法.以下将基于TI 公司的TMS320VC5402,介绍这两种算法并对这两种算法进行比较.2　NL MS 算法和NBL MS 算法2.1　NLMS 算法在该算法下滤波器系数的更新过程是,所有系数在对一个采样值进行计算后,全部被更新.具体算法如下.h n +1[i ]=h n [i ]+μr[n ]s[n -i ]P n　,(4)其中μ为适应梯度值,P n 为信号平均能量.P n =(average (|s[i ]|))2　,h n +1[i ]=h n [i ]+μr[n ]average (|s[i ]|)s [n -i ]average (|s [i ]|)　,(5)式中μr[n ]average (|s [i ]|)是归一化误差和适应梯度值之积,记为n error m u ,s[n -i ]average (|s[i ]|)是归一化采样信号.在TMS320VC5402中采用LMS 指令,(1)和(5)可以在同一个循环中完成,核心算法的汇编语言如下:・52・第1期费璐璐,等:声学回声消除算法研究 ST A ,3filter ptr +;store out coefficient :h (k -1)=A ||MP Y 3n ref ptr +0%,A;coef.increment :A =s (i -k -1)/;average (|y (i )|)3T LMS 3filter ptr ,3ref ptr +0%;new coefficient :A =A +h (k )ν16;convolution :B =B +h (k )3s (i -k )由此可见,完成上述两式计算需要两个指令周期,如果不考虑等待周期,则计算一个采样值需要两倍于滤波器系数个数的指令周期.2.2　NBLMS 算法该算法将滤波器系数分为几块,滤波器系数的更新过程是,所有系数在对一个采样值计算后,轮回地对某一块滤波器系数进行更新.具体算法是:h n (i +M +1)=h n [i ]+μr[n ]average (|s [i ]|)∑M -1m =0r (i +M -m )average (|s [i ]|)s (i +M -m -k )　. 假定滤波器系数个数为TAPS ,滤波器系数共分成BLOC KSIZE 块,则每计算一个采样值,只是TAPS/BLOC KSIZE 个系数值得到更新.在程序设计时可采用两个嵌套的循环.其中内部循环用于计算系数增量,要进行BLOC KSIZE 个循环,需要BLOC KSIZE 个指令周期;外部循环进行系数导入、更新和存储,每一个循环需要8个指令周期.这样加上管理内部循环的指令周期,每计算一个采样值,大约需要的指令周期数为:(10+BLOC KSIZE )3TAPS/BLOC KSIZE.3　NL MS 算法与NBL MS 算法的比较由于回声消除的效果除了与算法有关外,还与滤波器系数的个数、采样率、削波处理、近端语音信号检测等因素相关,因此对两个算法进行比较时,这些因素都取相同值.3.1　两种算法在代码大小和所需指令周期上的比较两种算法在代码大小和所需指令周期上的比较见表1.由此可见:两种算法在性能上的差异与滤波器系数的个数N 和滤波器系数块大小有关.表1　两种算法在代码大小和所需指令周期上的比较算 法代码大小指令周期NLMS6023N +70NBLMS 6023M +N /M (M +10)+153.2　两种算法在TI 公司提供的DSK 板上的运行比较此时语音数据从PC 机上存储好的文件进行读取,两个语音文件的采样率为8k ,如图3所示.图3　两个语音文件数据在运行处理过程中滤波器系数的个数为512,经两种算法运行处理后,剩余回声的幅值随时间的变化・62・安　徽　工　程　科　技　学　院　学　报2004年情况如图4所示.显而易见,NLMS 算法在滤波器系数个数为512,回声延迟时间为64ms 时,其幅值收敛速度比NBLMS 算法幅值收敛速度快.图4　两种算法处理后剩余回声的幅值4　结 论由于在声学回声消除的算法中,是以LMS 算法为核心对滤波器的系数进行更新的,而对滤波器系数的更新有两种方式,一种方式是每计算一个采样值更新所有滤波器系数,即NLMS 算法;另一种方式是将滤波器系数分为若干块,每计算一个采样值轮回地更新其中一块滤波器系数,即NBLMS 算法.我们基于TI 公司的DSP 芯片TMS320VC5402比较这两种方式,发现NLMS 算法总体上比NBLMS 算法好.特别是由于LMS 指令使得NLMS 算法更适合于TMS320VC5402.参考文献:[1]　TMS320VC5402data sheet [Z].SPRS079E ,1998.[2]　Steven W.Smith ,Ph.D.The Scientist and Engineer ’s Guide to Digital Signal Processing[M ].California :Technical Pub 2lishing ,1997.[3]　TI 公司技术支持部.自动无线系统声学回声消去算法核[DB/OL ].TI 公司网站,1997.(Acoustic -Echo CancellationS oftware for Hands -free Wireless system SPRA1621997)[4]　张勇.给予TMS320C5000系列的c/c ++语言硬件程序设计[M ].西安:电子科技大学出版社,2003.[5]　苏涛,蔺丽华.DSP 实用技术[M ].西安:电子科技大学出版社,2002.The research of acoustics echo canceling algorithmFEI Lu 2lu ,WAN G Hua 2bin(Dept.of Elec.Tech.,East China Normal University ,Shanghai 200062,China )Abstract :In acoustic echo -canceling procedure ,adaptive filter is the key point.And the updating of filter co 2efficient plays the most important role in adaptive filter.In the area of acoustic echo canceling ,the traditional way used in updating of filter coefficient is LMS algorithm.There are two improved algorithms from LMS ———NLMS and NBLMS.This article compares the two algorithms from the perspective of hardware characteristics of DSP produced by TI ,it will supply a selection gist for acoustics echo canceling.Key words :acoustic echo canceling ;NLMS algorithm ;NBLMS algorithm ;TMS320VC5402;DSK・72・第1期费璐璐,等:声学回声消除算法研究。