趙睿+姚宇峰

摘要：本文討論了自適應(yīng)濾波器的原理并說明自適應(yīng)濾波器如何消除回聲的過程，在仿真環(huán)境下進(jìn)行了模擬，結(jié)果驗(yàn)證自適應(yīng)濾波器能夠有效的消除語音信號(hào)通信中的回聲從而提高通信質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)濾波器；回聲消除；LMS；仿真

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）09-0216-02

1 引言

自適應(yīng)濾波器具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力、跟蹤能力、自調(diào)節(jié)能力，并且算法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：通信回波消除、噪聲干擾的抵消，波形編碼的線性預(yù)測(cè)，圖像識(shí)別的自適應(yīng)分割，以及自適應(yīng)參數(shù)系統(tǒng)辨識(shí)等方面[1]。總之，自適應(yīng)濾波能夠根據(jù)系統(tǒng)以前輸出的結(jié)果不斷調(diào)節(jié)當(dāng)前濾波器的參數(shù)去適應(yīng)隨機(jī)信號(hào)隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)濾波性能的最優(yōu)化。

2 自適應(yīng)濾波發(fā)展現(xiàn)狀

最小均方誤差LMS算法以其計(jì)算簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好且易于實(shí)現(xiàn)而得到廣泛應(yīng)用。但收斂速度慢，固定步長(zhǎng)因子會(huì)造成收斂速度與穩(wěn)態(tài)失調(diào)誤差兩個(gè)相互矛盾，不能兼顧。在此基礎(chǔ)上提出了變步長(zhǎng)自適應(yīng)算法，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合采用不同的步長(zhǎng)調(diào)整算法?；谧钚《藴?zhǔn)則RLS算法的收斂速度快并且收斂性能優(yōu)劣與信號(hào)的頻域特性沒有關(guān)系，但缺點(diǎn)是算法復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算量大[2]；強(qiáng)相關(guān)信號(hào)應(yīng)用LMS自適應(yīng)算法時(shí)減少了計(jì)算量但會(huì)影響收斂速度，為了解決這個(gè)問題，Dentino等人提出了頻域自適應(yīng)濾波方法，Narayan等人針對(duì)輸入信號(hào)特征值分散度較大的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了變換域自適應(yīng)濾波的概念：將信號(hào)通過其他正交變換在不同變換域上進(jìn)行自適應(yīng)濾波以獲得更好的收斂特性[3]。

3 回聲產(chǎn)生的原因

通信系統(tǒng)中背景噪聲和回聲總是同時(shí)存在的，這兩個(gè)因素是影響通信系統(tǒng)通話質(zhì)量的重要原因，在對(duì)于通話質(zhì)量要求越來越高的今天研究回聲消除從而探討提高通信系統(tǒng)性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；芈曋饕獊碓从袃蓚€(gè)：（1）電話回聲：在傳統(tǒng)的二線-四線通信系統(tǒng)中由于轉(zhuǎn)換過程里阻抗不匹配的原因造成回聲；在給定的地理區(qū)域，每一電話機(jī)都與中心局通過兩條線相連以便為通話者提供通信服務(wù)。當(dāng)傳輸距離超過35公里在不同的通信方向上需要增加不同線路，通常采用混合交換器裝置完成兩線到四線的轉(zhuǎn)換。當(dāng)橋式電路平衡得不好時(shí)，輸入端口與輸出端口之間就會(huì)存在耦合，從而引起回聲；在地球同步衛(wèi)星用于通信時(shí)，長(zhǎng)距離通信造成了較大的時(shí)間延遲所帶來的回聲會(huì)導(dǎo)致通話質(zhì)量的嚴(yán)重下降；盡管使用光纖通信能夠消除長(zhǎng)距離通信所造成的延遲，但通信網(wǎng)絡(luò)中大量存在的語音編碼以及數(shù)字傳輸打包技術(shù)都增大了語音通信過程中的時(shí)間延遲。而且研究結(jié)果表明：回聲對(duì)通話質(zhì)量的影響程度不僅取決于大小，還與延遲時(shí)間有關(guān)。（2）聲學(xué)回聲：接收端的語音信號(hào)在揚(yáng)聲器里以聲波形式被放出來的時(shí)候由于在房間里多次傳播和反射噪聲的回聲，同時(shí)由于絕大所數(shù)的通信系統(tǒng)都是全雙工機(jī)制，所以接收端的回聲又會(huì)通過麥克風(fēng)傳輸?shù)桨l(fā)送端從而影響通話質(zhì)量。

4 回聲消除原理

自適應(yīng)濾波理論在實(shí)踐中的重要應(yīng)用之一就是回聲消除。LMS算法的收斂速度快慢取決于輸入信號(hào)的自相關(guān)矩陣的本征值分布的分散程度，如果輸入信號(hào)為語音信號(hào)，本征值分布比較分散就會(huì)造成LMS算法收斂速度波動(dòng)較大，通過白化語音信號(hào)可以抑制這種波動(dòng)。語音信號(hào)的頻譜特性的變化比回聲路徑的變化快，所以在接收端進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)不僅要對(duì)回聲路徑進(jìn)行自適應(yīng)，還要對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行快速的自適應(yīng)。語音通信中回聲是否能夠被覺察從而影響通話質(zhì)量或者在接收背景中可區(qū)分，主要取決于通信過程中語音與其回聲之間時(shí)延的長(zhǎng)短。如果時(shí)延比較短的話，回聲是不會(huì)被覺察的，但可能會(huì)影響到信號(hào)頻域的特性。反之，語音與其回聲之間的時(shí)延較長(zhǎng)，如果超過幾十毫秒就能覺察到回聲[3]。

通話過程中的回聲如果被察覺到就會(huì)影響通話質(zhì)量，這與時(shí)延有很大關(guān)系，使用自適應(yīng)回聲消除器可以抑制回聲：自適應(yīng)地合成回聲信號(hào)然后從接收端信號(hào)中減去從而達(dá)到抗干擾的能力。

5 仿真實(shí)現(xiàn)

為了更好地說明自適應(yīng)濾波原理在回聲消除中的應(yīng)用選取了兩個(gè)普通的正弦信號(hào)作為初始信號(hào)源，頻率分別為1000HZ與600HZ，并將其中的一個(gè)信號(hào)處理為噪聲加入另一個(gè)信號(hào)中，將疊加之后的信號(hào)作為輸入信號(hào)進(jìn)行仿真，試驗(yàn)的目標(biāo)顯然是希望得到原信號(hào)，從而驗(yàn)證達(dá)到濾除回聲的效果。

如圖1和圖2所示，其中紅色信號(hào)為原信號(hào)，藍(lán)色信號(hào)為輸出信號(hào)，圖1中的兩個(gè)信號(hào)是第一次濾波輸出的原信號(hào)和輸出信號(hào)，可以看出在通信系統(tǒng)背景噪聲和回聲的影響下，輸出信號(hào)和原信號(hào)之間有很大差異；圖2中的兩個(gè)信號(hào)是在自適應(yīng)算法中迭代1000次后所得到濾波后的原信號(hào)和輸出信號(hào)，能夠看出兩個(gè)信號(hào)之間的擬合程度很高，說明經(jīng)過多次迭代之后自適應(yīng)濾波能夠有效的消除通信系統(tǒng)中的噪聲以及回聲從而提高通話質(zhì)量。

6 結(jié)語

本文討論了自適應(yīng)濾波的原理和發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)自適應(yīng)濾波回聲消除的原理進(jìn)行了討論，在MATLAB仿真環(huán)境下對(duì)自適應(yīng)濾波回聲消除進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果說明通過自適應(yīng)濾波能夠有效的消除通信系統(tǒng)中的回聲從而提高語音信號(hào)通信質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]耿妍，張瑞金.自適應(yīng)濾波算法綜述[J].信息與電子工程，2008，8（6）：315-319.

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