一种用于消除声学回声的自适应滤波器及滤波方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于声学回声消除的频域自适应滤波器步长控制方法。
【背景技术】
[0002] 作为自适应滤波的一个重要应用，声学回声消除在语音通信和识别等领域都起着 举足重轻的作用，而如何保持回声消除器在双讲情况下的性能是声学回声消除技术的一个 重点。针对这一问题，已经存在一些利用双讲检测或者变步长控制技术的算法。一方面， Benesty和Sugiyama利用互相关分别提出频域和时域的双讲检测方法（Benestyetal.A newclassofdoubletalkdetectorsbasedoncross-correlation,IEEETrans.Speech andAudioProcessing, 2000;Sugiyamaetal.Noise-robustdouble-talkdetection basedonnormalizedcrosscorrelationandanoiseoffset，ICASSP，2005)，但是算 法的准确性分别受到环境噪声和自适应滤波器性能的影响。另一方面，Paleologu和Vega 提出对双讲比较鲁棒的变步长控制方法（Paleologuetal.Variablestep-sizeNLMS algorithmforunder-modelingacousticechocancellation,IEEESignalProcessing Letters, 2008;Vegaetal.Anewrobustvariablestep-sizeNLMSalgorithm,IEEE Trans.SignalProcessing, 2008)，使得滤波器即使在近端语音存在情况下也能独立于双 讲检测器正常收敛，但是初始收敛速度和稳态误差性能都有待进一步改善。由于双讲检测 存在固有的延迟问题，因而鲁棒性声学回声消除更多地通过可变步长控制方法实现。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于，为克服已有的变步长控制方法的不足，本发明提出一种用于 消除声学回声的自适应滤波器及滤波方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供一种用于消除声学回声的自适应滤波器，所述自适 应滤波器采用基于以下目标函数的自适应滤波算法：
[0005]
[0006] 其中，m表示频率点，S(k，m)和是滤波器系数限制参数，k表示数据块 数，arg表示定义域，EP()表示频域后验误差，|EP(k，m) |2表示第k块第m频点的后验误差， Z表示复空间，s.t.表示"需满足条件";W(k，m)表示更新前滤波器权值，W(k+l，m)表示更 新后滤波器权值；X(k，m)表示频域参考信号；队为整数，且满丨
fs表示声卡 采样率且单位为Hz，[]表示取整数运算。
[0007] 上述自适应滤波器每迭代R次时才S(k，m)进行一次更新，更新公式为：
[0008]
[0009] 其中，R为大于1的自然数，S^表示初始化值，k表示数据块数，Cm〇表示频率加 权系数。
[0010] 可选的，上述频率加权系数Cm(k)的计算公式如下：
_1] ,"、，…
[0012] 其中，Pm(k)表示第k块第m个频点滤波器权值的模，_表示第k块各频点滤波 器权值模的均值。
[0013] 进一步可选的，上述R取值为2或3。
[0014] 此外，本发明还提供一种用于消除声学回声的自适应滤波方法，所述方法包含：
[0015]步骤1:远端麦克风采集到的信号x(n)，并将采集的信号经过傅里叶变换后得到 X(k)，将X(k)输入自适应滤波器的参考输入信号；
[0016] 步骤2:对输入的参考信号X(k)进行自适应滤波，且进行自适应滤波时采用以下 目标函数的自适应滤波算法：
[0017]
[0018] 其中，m表示频率点，S(k，m)和是滤波器系数限制参数，k表示数据块 数，arg表示定义域，EP()表示频域后验误差，|EP(k，m) |2表示第k块第m频点的后验误差， Z表示复空间，s.t.表示"需满足条件";W(k，m)表示更新前滤波器权值，W(k+l，m)表示更 新后滤波器权值；X(k，m)表示频域参考信号；队为整数，且满万
，fs表示声卡 采样率且单位为Hz，[]表示取整数运算；
[0019]步骤3:将自适应滤波器的输出信号经过逆傅里叶变换之后得到y(n)，即估计的 回声信号；
[0020] 从近端麦克风采集的信号d(n)中减去y(n)，得到的残差信号e(n)即回声消除后 的信号。
[0021] 上述自适应滤波器每迭代R次时才S(k，m)进行一次更新，更新公式为：
[0022]
[0023] 其中，R为大于1的自然数，S^表示初始化值，k表示数据块数，Cm〇表示频率加 权系数。
[0024] 可选的，上述频率加权系数cm(k)的计算公式如下：
[0025]
[0026]其中，Pm(k)表示第k块第m个频点滤波器权值的模，^表示第k块各频点滤波 器权值模的均值。
[0027] 所述的声学回声来自于远程会议、语音人机交互、免持电话或蓝牙耳机式送受话 器语音通信终端。
[0028] 本发明优点：自适应滤波算法在频域实现，计算量较小，离散傅里叶变换（DFT)固 有的去相关特性能够提高滤波器在非白信号输入情况下的收敛速度，而在频域对滤波器系 数更新加以限制，能够提高自适应算法对双讲的鲁棒性。
【附图说明】
[0029] 图1是时域自适应滤波器的基本结构图；
[0030] 图2是频域自适应滤波示意图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。
[0032] 本发明提供的技术方案收敛性能较好、稳态误差小且对双讲情况鲁棒的步长控制 方法。该方法基于频域滤波器实现，通过对每次迭代过程中滤波器系数更新进行约束，获得 较小的稳态误差和较好的双讲鲁棒性能，同时在频域对约束条件进行更新，提高了滤波器 的收敛速度和跟踪速度。具体描述如下：
[0033] (1)如图1所示，远端信号x(n)由扬声器播放，经过空间传播后，和本地环境声音 v(n)-起，被近端麦克风采集得到信号d(n)，声学回声消除利用x(n)作为参考信号，通过 自适应滤波方法对传播路径h(n)进行系统估计，并利用估计的系统参数w(n)对参考信号 进行滤波，进而消除d(n)中包含的回声。
[0034] (2)时域自适应滤波方法计算量很大，因而实际中多采用频域自适应滤波方法。如 图2所示，将远端信号x(n)经过FFT变换到频域得到信号X(k)，频域滤波器系数为W(k)， 滤波后的结果经IFFT反变换到时域得到信号y(n)，这里y(n)即为估计的回声信号。
[0035] (3)从麦克风信号d(n)中减去估计的回声信号，得到残差信号e(n)。一方面，e(n) 作为滤波结果直接输出，另一方面，e(n)经过FFT变换后得到E(k)对滤波器系数W(k)迭 代进行控制。
[0036] (4)滤波器系数W(k)的更新由约束条件限制。
[0037] 实施例
[0038] 图1是时域自适应滤波器的基本结构，利用x(n)作为参考信号，通过自适应滤波 方法对传播路径h(n)进行系统估计，并利用估计的系统参数w(n)对参考信号进行滤波，进 而消除d(n)中包含的回声。时域自适应滤波方法计算量很大，因而实际中多采用频域自适 应滤波方法。
[0039] 与图1等价的频域自适应滤波器结构如图2所示。自适应滤波器长度记为N，频域 自适应滤波将数据按块处理，定义输入信号向量和滤波器系数向量如下式：
[0040]Xk=[x(kN_N)，x(kN-N+1)，…，x(kN+N-1)]T
[0041]wk = [wk；0,wk；1, . . . ,wk；N_J
[0042] 定义麦克风输入信号向量和残差向量（即输出信号向量）如下式所示：
[