非线性声学回音消除技术的研究及DSP实现

摘要

在免提通信系统中，声学回音现象会对通话质量造成严重干扰。为了解决这个问题，目前主要采用的方法是在免提通信系统中加入基于自适应滤波原理的声学回音消除器（AEC）。利用AEC可以产生声学回音的估计值，然后从麦克风的接收信号中减去该估计值就可以达到消除回音的目的。
　　 AEC技术已经有数十年的发展历史，如今，可以通过数字信号处理器（DSP）很方便地实现一个AEC系统。然而，AEC技术中仍然存在着一些未能很好解决的问题。其中的一个主要问题是非线性声学回音路径的辨识。在过去，人们基于声学回音路径是一个完全线性系统的假设，在AEC中使用的都是线性自适应滤波器（比如FIR滤波器）。然而，免提通信系统中所采用的小尺寸及廉价声学器件会表现出明显的非线性特征，并使得声学回音出现非线性失真。在这种情况下，基于线性自适应滤波器的AEC系统的性能会受到很大影响。
　　 在本文的第一部分，针对声学回音路径中的非线性问题进行了研究。为了有效消除非线性声学回音，本文中采用基于Volterra级数模型的非线性自适应滤波器对声学回音路径进行辨识。同时，自适应算法采用改进的比例归一化最小均方算法（IPNLMS）以加快滤波器的收敛速度。在TMS320VC5509ADSP上的测试结果表明，采用自适应Volterra滤波器辨识非线性声学回音路径是可行的，同时，IPNLMS算法的收敛速度也要大大快于AEC中普遍采用的NLMS算法。
　　 要设计出一个有效的AEC系统，不仅仅是未知系统的辨识问题，AEC中的另一个主要问题是自适应滤波器的控制逻辑设计。当语音通信系统两端的用户同时说话时，近端语音会干扰自适应滤波器对声学回音路径的辨识，甚至会导致滤波器发散。因此，AEC中通常设置有双端通话检测器（DTD），当检测到近端语音时，DTD会立即停止滤波器的自适应过程以避免滤波器发散。
　　 在本文非线性AEC系统的设计中，同样针对自适应滤波器的控制逻辑进行了研究。为了准确地检测出近端语音，文中提出了一个计算复杂度低的，基于麦克风信号与误差信号之间归一化互相关的DTD算法。同时，该算法与滤波器系数缓存机制相结合，以进一步提高算法的稳定性。在TMS320VC5509A DSP上的测试结果表明，该算法具有良好的检测性能，可以对双端通话的出现与结束做出快速反应，并能显著提高系统在双端通话情况下的回音消除效果。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 声学回音消除技术原理

1.2 非线性声学回音消除技术的研究背景及意义

1.2.1 非线性声学回音的产生原因

1.2.2 非线性声学回音的影响

1.3 非线性声学回音消除技术的研究现状

1.3.1 非线性预处理技术

1.3.2 非线性自适应滤波技术

1.4 本文的主要工作及组织结构

第2章 声学回音消除的相关技术

2.1 自适应滤波器原理

2.1.1 维纳滤波器

2.1.2 最小均方算法

2.2 声学回音消除中的常用自适应算法

2.2.1 归一化最小均方算法

2.2.2 基于比例归一化的最小均方算法

2.3 自适应滤波器的控制逻辑

2.3.1 双端通话检测器原理

2.3.2 基于能量比较的检测算法

2.3.3 基于互相关比较的检测算法

2.4 本章小结

第3章 非线性声学回音消除系统的设计

3.1 基于Volterra级数模型的非线性系统辨识

3.1.1 Volterra级数展开式

3.1.2 Volterra级数与幂级数的联系

3.1.3 非线性系统的Volterra级数表示

3.2 Volterra滤波器的分析及简化

3.2.1 Volterra滤波器的计算复杂度分析

3.2.2 Volterra滤波器的简化

3.3 Volterra滤波器的自适应算法设计

3.3.1 Volterra滤波器的线性特征

3.3.2 IPNLMS算法在Volterra滤波器中的推广

3.3.3 IPNLMS算法的简化

3.4 双端通话检测器的设计

3.4.1 计算复杂度低的双端通话检测算法

3.4.2 滤波器系数的缓存机制设计

3.5 本章小结

第4章 非线性声学回音消除系统的DSP实现

4.1 DSP开发流程及系统分析

4.1.1 DSP的性能特点

4.1.2 基于DSP的系统开发流程

4.1.3 系统分析及DSP芯片选型

4.2 系统的硬件设计

4.2.1 存储空间的配置

4.2.2 时钟频率的设置

4.3 系统的软件实现及优化

4.3.1 非线性声学回音消除系统结构及算法流程

4.3.2 利用双MAC单元实现高效滤波运算

4.3.3 扩展精度的数据计算

4.4 本章小结

第5章 系统的性能测试及分析

5.1 自适应算法的性能测试

5.2 非线性声学回音消除系统的性能测试

5.3 双端通话检测器的性能测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢