回波消除理论进展及其应用

*国家教委跨世纪优秀人才基金、国家自然科学基金、国家教委博士点基金及广东省自然科学基金资助的研究,

收文日期:1997年10月8日(Oct.10,1997)

电路与系统学报JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS 第3卷第3期

1998年9月Vol.3No.3September 1998回波消除理论进展及其应用

*

覃景繁韦岗欧阳景正(华南理工大学电子与通信工程系,广州,510641)

摘要 无论在语音通讯还是在数据通讯中,都存在回波,回波影响了通讯的质量,回波消除器是解决这一问题的有效方法。本文综述了回波消除器的发展现状,评述了它的最新发展(包括模型的建立,算法的选择),指出了这一研究领域存在的有关问题。

关键词 自适应滤波,回波消除,语音通讯,数据传输

The Develo p ment and A pp lications of Echo Cancellation Theor y

Qin Jin g fan Wei Gan g Ou y an g Jin g zhen g

(Electronic and Communication Engineering Departament,South China University of Technology,Guangzhou ,510641)Abstract:The existence of echo in s p eech and data communication de g rades the q ualit y of the comm unication .Echo cancellation is the efficient wa y to handle such p roblem s,In this p a p er the develo p ement and new results of echo cancel lation are reviewed and some associated problem s are presented.

Ke y words:Ada p tive filterin g ;Echo cancellation;S p eech com munication;Data transmission

1引言

回波可以分为电学回波和声学回波,分别是由于通讯网络中的阻抗不匹配和声波的耦合及遇物体反射引起的。回波的存在会影响通讯的质量,严重时造成系统无法正常工作。回波消除器是抵消回波的有效方法。图1、图2显示不同回波情况下的回波消除器。图1中,回波产生于起二线、四线转换作用的混合变换器中,由于阻抗不匹配,输入信号经过混合变换器后泄漏到接收端。由近端混合变换器引起的回波称为近端回波,相应地由远端混合变换器引起的回波称为远端回波。图2是声学回波消除器示意图,图中声学回波是由于声波反射以及麦克风与扬声器间的声学耦合引起的。这种回波影响对话的自然性,严重时会引起啸鸣声。

最早的回波消除技术可以追溯到本世纪六十年代中期,之后,一些协会评价了回波消除器的主观质量。第一个基于超大规模集成电路(VLSI)的回波消除器于1980年诞生[1]。

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图2

声学回波消除器

图1电学回波消除器

覃景繁等:回波消除理论进展及其应用

对单路回波消除的研究,尤其是对电学回波消除的研究,国外已经有30多年的历史,目前已提出多种自适应的回波消除方法[2-22],并有基于高速数字信号处理芯片(Di g ital Si g nal Processor,DSP)的实现方案[7][13] [24]。在国内,有清华大学、北京邮电大学[14-16]、西安电子科技大学、西南交通大学[17]、中科院声学所等单位先后开展了自适应回波消除的研究工作。

国外对声学回波消除的研究是随着电话会议系统和免提电话的实用化后在八十年代兴起的,但在理论和技术上都未及电学回波消除成熟。关于多路回波消除的研究,国外是近几年开始起步,目前主要处于理论研究和计算机仿真阶段[18-23],日本的NEC公司率先于1994年发表了一种基于DSP的立体声回波消除器[24]。在声学回波消除和多路回波消除的研究方面,国内尚未有系统开展研究的报道。

2回波消除理论

回波消除的基本思想是估计回波路径的特征参数,产生一个模拟的回波路径,得出模拟回波信号,从接收信号中减去该信号,实现回波消除。由于回波路径通常是未知的和时变的,所以一般采用自适应滤波器来模拟回波路径。同时人们也发展了一些非线性的回波消除理论。这一节我们首先介绍线性方法中的滤波器结构及自适应算法,然后介绍非线性的回波消除理论。

2.1线性回波消除方法

2.1.1基本滤波器结构

根据具体应用和性能要求的不同,滤波器形式及算法可有多种选择,其主要目的是准确地估计回波路径的特征参数,并尽快地跟踪其变化。

1、FI R(有限长度冲激响应)滤波器

FIR滤波器是目前使用最广泛的滤波器,假定回波路径为有限长度或可近似认为是有限长度,即其冲激响应在有限长度后近似为0,则可用一FIR滤波器来模拟它。滤波器的输入输出关系为:

y(n)=L-1

i=0

w i(n)x(n-i)

通讯线路中产生的回波其长度一般为几十毫秒,用FIR滤波器模拟需要数百个权系数,对于声学回波,一般FI R滤波器的系数要多一个数量级。

2、IIR(无限长度冲激响应)滤波器

若回波路径可以用零极点配置来表示,那么用II R滤波器是比较合适的,关键是要保证极点位于单位园内,以便得到稳定的全局无偏最优估计。IIR滤波器的输入输出关系为:

y(n)=L-1

i=0

w i(n)x(n-i)+

M

i=1

a i(n)y(n-i)

IIR滤波器可比系数个数相同的FIR滤波器获得更好的性能。一个具有足够阶数的自适应IIR滤波器可以准确地描述了一个未知的零极点系统,而自适应FIR滤波器只能近似这样的系统,为了得到同一性能,IIR 滤波器只需要使用比FIR滤波器少得到多的系数。虽然IIR滤波器展现了良好的前景,但对IIR滤波器的研究还很不成熟,存在稳定性问题。

2.1.2自适应算法

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覃景繁等:回波消除理论进展及其应用

对自适应算法的研究是当今最为活跃的课题之一。用于回波消除的自适应算法主要有两类:一类是最小二乘算法,一类是最小均方误差法。

引入符号X(n)=[x(n),x(n-1),!,x(n-L+1)]T表示时刻k的输入信号矢量,由最后L个信号采样值构成。W(n)=[w0(n),w1(n),w2(n),!w L-1(n)]T是时刻n自适应滤波器的权系数。L是滤波器的长度。d(n)是期望输出值,e(n)是误差, 是控制稳定性和收敛速度的参量,称之为步长因子。

1、最小均方误差法(Least Mean S q uare,简称LMS)

LMS算法的基本方程为:

y(n)=X T(n)W(n)

e(n)=d(n)-y(n)

W(n+1)=W(n)+2 e(n)X(n)

LMS算法收敛的条件为:

0< < max

这里 max为输入信号自相关矩阵的最大特征值。

从方程看,LMS算法的优点是运算简便,但它只有一个可调整参数,即步长因子 ,可以用来控制收敛速率,由于 的选择受系统稳定性的限制,因此,算法的收敛速度受到很大限制。为了加快收敛速度人们提出许多改进的LMS算法,早期的有符号LMS算法、能量归一化LMS算法。针对 值,人们研究了许多变步长LMS算法[3][27-28]。为进一步减小计算负担,人们研究了时域和频域中的分组LMS算法[30-31]。

对于强相关的信号,如语音信号,LMS算法收敛性能差。因为LMS算法的性能取决于输入信号自相关矩阵的特征值分散程度,通过正交或近似正交变换方法[26],可以改善输入信号自相关矩阵的特征值分散程度,提高LMS算法的性能,通常称为变换域LMS算法。常用的正交或近似正交变换有:离散付里叶变换DFT、离散余弦变换DCT、离散Hartley变换DHT、W alsh-Hadamard变换等。

研究表明,利用格型滤波器可实现解相关。格型滤波器与直接形式的FIR滤波器可以互相转换,其格型参数称为反射系数,它与直接形式的FIR滤波器的系数有关。格型滤波器的预测误差序列与输入时间序列之间相互正交,同时预测误差之间也相互正交,即格型滤器具有正交变换功能,它可以把输入序列转换为相互正交的序列。应用这一特性,可以通过结合格型滤波器来提高LMS算法的性能。

尽管各种改进的LMS算法一定程度上提高了系统的收敛速度,但要有本质上的提高,应该考虑多参数的算法,于是人们提出了RLS算法。

2、递归最小二乘法(Recursive Least Square,简称RLS)

RLS算法的基本方法为:

y(n)=X T(n)W(n-1)

e(n)=d(n)-y(n)

k(n)=

P(n-1)X*(n)

+X T(n)P(n-1)X*(n)

P(n)=1

[P(n-1)-K(n)X T P(n-1)]

W(n)=W(n-1)+K(n)e(n)

K(n)称为Kalman增益向量, 是一个加权因子,其取值范围0< <1,该算法的初始化一般令W(-1)=0

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及P(-1)=1/I,其中是小的正数。

RLS算法的收敛速度明显优于LMS算法,但在运算上却比LMS算法复杂得多,为了减小计算复杂度,并保留RLS的收敛性能,人们提出了一些改进的RLS算法。如RLS格型算法,快速RLS算法,梯度格型算法,快速横向滤波器算法等。总的来看,这些以收敛法都是算速度换取运算复杂性。

即使是快速RLS算法也是LMS算法的计算量的近四倍,于是人们研究介于两者之间的一种算法,如共轭梯度法,自仿射投影算法(Affine Projection Algorithm)等。共轭梯度法不需要RLS中的矩阵运算,也没有某些快速RLS算法存在的不稳定问题,它的缺点是稳态误调比较大。文献[32]提出一种改进的共轭梯度法,它有计算量小和稳态误调较小的特点,而比LMS算法具有更好的收敛性能。

2.2非线性回波消除方法

除了上述利用自适应滤波器的线性方法外,人们研究了非线性的回波消除方法:

2.2.1存储方法

这种方法主要应用于数据通讯场合,对相同长度不同组合的数据序列的不同回波都存放在存储器中,以输入序列为地址对应的数据作为回波。该方法对非线性的回波路径同样有效,但存储量与回波路径长度呈指数倍关系,因此当回波路径较长时,该方法对硬件要求太高。

2.2.2神经网络方法

神经网络作为自适应信号处理[33]的方法已经成为一个研究热点,它具有比传统的自适应信号处理方法更强的信号处理能力,它不仅能对多信道信号进行并行分布式的信息处理,而且它有很好的鲁棒性和容错性。[14]研究用神经网络实现二线全双工传输系统中的回波消除表明,神经网络的引入消除了混合变换器及A/D和D/A造成的非线性影响,同时可以方便地为系统提供多级回波消除。[17]研究采用神经网络中的线性组合器来模拟回波产生路径,用输入信号、参考信号作为神经网络的训练数据,利用误差后传算法来调节权值。在声学回波消除中,由于电声、声电转换以及声学耦合中存在的非线性,可以认为采用神经网络法能取得更好的回波消除效果。

2.3多路回波消除

在电话会议这样的Louds p eaker/Micro p hone系统中,随着人们要求的提高,扬声器和麦克风的数目要求增多,以增强身临其境的感觉。未来的电话会议将以8声道为标准[28]。相应地,回波也随着增多,扬声器和麦克风的位置不同,各路回波也不同,如何有效地消除回波,是保证通话质量的一个重要因素。由于输入信号的强相关,因此多回波消除算法应考虑输入信号的这种互相关,以期提高收敛性能。虽然将单路回波消除的LMS算法引入多路的情况是很自然的想法,并且由于其简单而很有吸引力,但是由于未考虑输入信号的互相关,直接由单路回波消除算法扩展而来的LMS算法的性能会严重下降[21]。多路回波消除理论的研究目前主要是在单路回波消除理论基础上的简单扩充[18-24],但效果不能令人满意,原因是各路回波之间有很强的相关性,于是人们尝试研究一些新方法[21]以消除这种相关性,但是仍然没有找到有效的算法。

3回波消除器的实现

3.1电话线路中的回波消除器

由于回波延续时间一般为10-60ms,若采样率为8kHz,则FIR滤滤器的系数不会超500。这时采用时域LMS便能满足要求。在每一步迭代计算中,对每个权系数,计算量为2次乘法和2次加法。因为乘法运算比加

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法运算要费时得多,所以可以用乘法次数来大致估计算法的计算量。考虑权系数个数为500的FI R滤波器,每秒钟计算滤波器输出和更新权系数所需的乘法次数为500?2?8000=8.0?106。若要实时处理,要求硬件实现一次乘法的时间小于1/(8.0?106)s=125ns。而目前一次乘法时间在100ns以下的VLSI已经实用化。

3.2用于语音信道上的全双工数据传输系统的回波消除器

与电话线路相比,对全双工数据传输系统的回波消除器的要求高得多。这种消除器不但要消除近端混合变换器泄漏的回波,还要消除远端混合变换器泄漏的回波。而且还要精心设计消除器以消除自动均衡器引入的干扰。通常采用具有数据调制解调功能的高性能数字信号处理器来实现。

3.3声学回波消除器

由于回波延续时间长,若用FIR滤波器实现,当采样率为8kHz时,如果回波冲激响应时间为500ms,则滤波器权系数多达4000个,这对硬件的存储量的计算速度都提出了很高的要求。一种方法是利用多抽样率子带分解和重构技术把输入信号分解为多个子带,对各个子带分别用FIR滤波器进行回波消除。各子带信号经抽取后,相当于信号采样率降低,则相应的FI R滤波器权系数个数随之减少,同时权系数的更新速率也降低,从而对硬件计算能力的要求也降低了。值得注意的是,由于各相邻频带间信号存在混迭,对回波消除性能会产生不利影响,一般频带划分个数不宜超过8个[34]。

3.4ISDN(综合业务数字网)环路传输中的回波消除

ISDN上的数据存取要求二线用户环路上达到144kb/s的全双工数据传输。ANSITI委员会采纳了一种波特率为80kHz的4级2B1Q编码标准基带传输方案,这种应用的显著特点是数据传输率极高。一般情况下,回波长度在100微秒左右,因此,用FIR滤波器或者存储型消除器都是可行的[35]。

3.5DSL(Di g ital Subsriber Line,数字用户线)中的回波消除

利用现有电话双绞线线路,加上DSL调制解调器,可以提供高速的多媒体服务。这是信息高速公路发展的重要技术,其中的HDSL(High-bit-rate DSL,高比特率数字用户线)在普通双绞线上传输数据的速率为1.544Mb p s(T1)或2.048Mb p s(E1),ADSL(As y mmetric DSL,非对称数字用户线)下行到用户的数据率为32kb p s 到8.192Mbps,用户上行的数据率为32kbps到1.088Mbps。美国国家标准委员会(ANSI)和欧洲的ETSI均对HDSL制定了标准。这种线路的特点是数据传输率比ISDN更高,因此回波长度更短,可以采用和ISDN类似的回波消除方法。

3.6回波消除的辅助措施

要实现实际的回波消除器,还需要一些辅助措施。

#双方对讲检测器(double talk detector):用来避免双方同时讲话时滤波器的误调节。当近端和远端都有信号时,应把滤波器步长因子调得很小,甚至暂时停止滤波器权值的调整,而当近端话者停止谈话时,权值迭代过程应继续进行。通常混合变换器对远端信号的衰减达到6dB,在图2中,当近端话者没有讲话时,点B的信号电平至少比点A的信号电平低6dB;当双方都在讲话时,点B的电平变高,因此最简单的双方对讲检测器是检测点A和点B的电平,若点B的电平比点A低6dB以上,则认为近端话者不在讲话,否则认为近端话者在讲话。当混合变换器的衰减不到6dB近端话者的音量较小时,该检测器容易失灵,因此需要设计更为准确的双方对讲检测器[36]。

#声调禁止器[tone disabler]:为便于语音信道上的全双工数据传输,通常还需要一个声调禁止器,在数据传输前,发出一个声调指示信号来控制回波消除器暂时停止。

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回波源应用例子

混合变换器阻抗不匹配话音通讯

?长距离传输

数据通讯

?话带全双工数据传输

?基带全双工数据传输

?DSL中全双工数据传输

卫星通讯

自动传呼转发

电话电子会议

V.32数据调制解调器

I SDN用户环路

DSL数据调制解调器

声波反射及声学耦合扬声器/麦克风系统电话会议

免提电话

#中心削波:由于回波消除器不能完全消除回波,如线路噪声、编码量化引起的低电平回波信号,回波消除器不能消除这种回波,需要采用中心削波器来消去这些微弱的残余回波。当近端信号存在时,应禁止中心削波。

以上这些功能可以与回波消除器集成在一块芯片上,也可以分别用通用数字信号处理器来实现。

4回波消除器的应用

回波消除的最初应用是消除长距离音频回波,现在该技术已应用到二线全双工数据传输系统和扬声器/麦克风系统中,表1是根据回波产生原因划分的回波消除器的一些应用。

表1、回波消除器应用

回波消除器中的自适应滤波技术可以应用到噪声消除,电视重影的消除和调频多路失真的消除等方面。

5总结与展望

本文概述了回波消除器的原理,结构及其应用,对于电话线路、数据传输以及ISDN数据环路传输中的回波消除器,目前大多已投入使用,主要是采用VLSI技术。对于声学回波和多路回波消除,仍然有许多问题需要解决,如跟踪精度的提高,计算复杂性的降低等。为此,我们认为以下问题的研究是有意义的。

#采用新的正交变换方法,以降低输入信号自相关矩阵的特征值发散度,提高采用FIR滤波器,LMS自适应滤波器算法的回波消除器的性能

#对信号进行预处理后再在通信线路上传输。文献[37]采用混沌方程生成混沌序列,用语音信号对混沌序列进行调制,生成一种近似白噪声的序列,以利于回波消除。

#研究性能介于LMS算法和RLS算法之间的新算法,以求在现有高性能数字信号处理芯片的硬件基础上,算法能得到实际的应用。

#引入并行处理方法,弥补硬件速度缺陷。

#用非线性方法模拟回波产生路径。

#研究多路回波消除中的模型和算法,使其实用化。

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覃景繁1970年生,1992年获西安电子科技大学电子工程系工业自动化专业学士学位,1995年获该校自动控制理论及应用学科硕士学位。现在华南理工大学电子与通信工程系电路与系统专业攻读博士学位,从事自适应信号处理,回波消除,语音识别,计算机应用等方面的研究。目前在深圳华为技术有限公司工作。

韦岗1963年生,84年6月于清华大学获学士学位,87年6月及90年6月于华南理工大学分获硕士及博士学位。现为华南理工大学电子与通信工程系教授,博士生导师,国家自然科学基金委员会电子与信息学科评委; 电子学报编委;

电子科技导报编委;中国电子学会通信分会委员;中国通信学会通信理论委员会委员;中国航空学会通信与导航委员会委员。已出版学术著作4部,发表论文50多篇。