VoIP聲學(xué)回聲消除算法研究

1 聲學(xué)回聲消除技術(shù)的原理
1．1 聲學(xué)回聲產(chǎn)生原理
根據(jù)回聲的產(chǎn)生原因，回聲可以分為聲學(xué)回聲和電學(xué)回聲兩類。電學(xué)回聲是由于電路阻抗不匹配造成的，通常影響比較小。隨著消除回聲技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前回聲消除研究的重點(diǎn)已由“電學(xué)回聲”的消除轉(zhuǎn)向了“聲學(xué)回聲”的消除。聲學(xué)回聲指設(shè)備的一部分聲音信號(hào)回饋到同一設(shè)備的受話器，分為直接回聲和間接回聲。直接回聲指揚(yáng)聲器的聲音未經(jīng)任何反射直接進(jìn)入麥克風(fēng)，這種回聲延遲最短。間接回聲是指揚(yáng)聲器播放的聲音經(jīng)不同的路徑一次或多次反射后進(jìn)入麥克風(fēng)所產(chǎn)生的回聲集合，其主要特點(diǎn)是回聲路徑?jīng)_激響應(yīng)變化范圍大，變化快，沖激響應(yīng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一般在50~300 ms。這使得自適應(yīng)建模濾波器的階數(shù)很高，因而成為語(yǔ)音通信系統(tǒng)回聲的主要難題。
1．2 聲學(xué)回聲消除的原理
自適應(yīng)回聲抵消的基本思想是估計(jì)回聲路徑的特征參數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)模擬的回音路徑，得出模擬回聲信號(hào)，從接收信號(hào)中減去該信號(hào)，實(shí)現(xiàn)回聲抵消。圖1給出了單向傳輸?shù)穆晫W(xué)消回聲器AEC的原理圖。

圖1中，y(n)代表來(lái)自遠(yuǎn)端的信號(hào)；r(n)是經(jīng)過(guò)回聲通道而產(chǎn)生的不期望的回聲；x(n)是近端的語(yǔ)音信號(hào)；D口的近端信號(hào)疊加有不期望的回聲。對(duì)消回聲器來(lái)說(shuō)，接收到的遠(yuǎn)端信號(hào)作為參考信號(hào)，消回聲器根據(jù)由自適應(yīng)濾波器產(chǎn)生回聲估計(jì)值，將r1(n)從近端帶有回聲的語(yǔ)音信號(hào)減去，就得到近端傳送出去的信號(hào)μ(n)=x(n)+r(n)-r1(n)。在理想情況下，經(jīng)過(guò)消回聲處理后，殘留的回聲誤差e(n)=r(n)-r1(n)將為0，從而實(shí)現(xiàn)回音消除。

2 自適應(yīng)回聲消除算法理論
回聲消除理論的難點(diǎn)是估計(jì)回聲與近端輸入信號(hào)之間的同步問(wèn)題以及如何對(duì)雙端講話進(jìn)行處理的問(wèn)題，若這兩個(gè)問(wèn)題處理不好，就會(huì)造成濾波器的發(fā)散，不但不能消除回聲，反而會(huì)引入更煩人的噪聲。
2．1 雙端話音處理與MDF算法結(jié)合
在NLMS算法中，假設(shè)輸入近端背景噪聲與遠(yuǎn)端信號(hào)均為白噪聲，那么兩信號(hào)間為時(shí)間無(wú)關(guān)的，因此可以求得最優(yōu)步長(zhǎng)因子：

式中：r(n)為殘留回聲的方差的估計(jì)值；e(n)為誤差信號(hào)的方差的估計(jì)值。
但是用LMS／NLMS算法來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的聲學(xué)回聲消除時(shí)，兩信號(hào)時(shí)間無(wú)關(guān)的假設(shè)就不完全成立，因此只能借助于頻域處理法。MDF算法相當(dāng)于對(duì)每一個(gè)頻率使用NLMS算法。為了解決雙端講話檢測(cè)這個(gè)難題，文獻(xiàn)[6]提出了一種與MDF相結(jié)合的不需要顯式進(jìn)行雙端話音檢測(cè)的方法，以下是推導(dǎo)。由于信號(hào)在頻域的相關(guān)程度比在時(shí)域的相關(guān)程度小得多，而且步長(zhǎng)因子μ也可以變換到頻率域μ(k，l)，即有公式：

式中：k為輸入信號(hào)塊索引號(hào)；l為信號(hào)頻率。假定殘留回聲是泄漏因子η(l)與回聲估計(jì)值的乘積，即：

又因?yàn)椴介L(zhǎng)因子需要在雙端講話發(fā)生時(shí)迅速對(duì)其做出反應(yīng)，故可以有等式：