抗输入噪声的最小误差熵自适应回声消除方法与流程

2021-01-28 17:01:04|

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本发明涉及一种语音通信中的自适应回声消除方法。

技术背景

在进行通话(语音通信)时，声音信号经过延时或形变会被反射回信号源形成回声，回声现象会严重的影响到语音通话的质量。例如，在打电话的时候，因为扬声器和麦克风被放在同一个空间内，本地近端麦克风会接收到本地扬声器发出的远端语音并重传回远端，导致远端说话者听到自己的声音，导致通话的质量下降。此外，本地近端麦克风接收到的远端语音信号夹杂的噪声也会导致通话的质量下降。以上两种现象广泛存在于卫星通信、免提电话、电话会议系统等语音通信系统中。需要通过采取有效的措施来抑制回声信号、消除其影响并提高语音通话质量。

自适应回声消除技术，以其成本低，收敛速度快，回声残差小的优势，在语音通信中得到了广泛的应用。语音通信自适应回声消除技术是通过对回声信号进行估计，并在近端信号中减去回声的估计值来达到回声消除的目的。

自适应回声消除的通常作法是，将近端麦克风采样得到带回声的当前时刻的近端信号，将其减去回声信号的估计值，得到当前时刻的误差信号，再将当前时刻的误差信号送回给远端；以滤波器的估计值与近端信号之差(误差)的平方最小，作为代价函数进行迭代计算，进而实现回声的自适应消除。当有冲击噪声时，“误差信号”巨大，滤波器的抽头权向量会产生错误的巨大更新，导致稳态误差增大，收敛速度慢。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种抗输入噪声的最小误差熵自适应回声消除方法，该方法的收敛速度快、稳态误差低，抗输入噪声性能强、回声消除效果好，通话质量好。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种抗输入噪声的自适应回声消除方法，其步骤如下：

a、回声消除

a1、远端信号采集

对远端的主麦克风传来的输入信号进行采样，获得当前时刻n的输入信号离散值u(n)，将当前时刻n到前m-1个时刻的输入信号离散值u(n)、u(n-1),...,u(n-m+1)，组成自适应滤波器的当前时刻n的输入信号向量u(n)；u(n)＝[u(n),u(n-1),...,u(n-m+1)]^t，其中t代表转置运算，m＝64、128、256，代表滤波器的抽头数；

对远端的噪声麦克风传来的输入噪声进行采样，到当前时刻n的输入噪声离散值z(n)，将当前时刻n到前m-1个时刻的噪声信号离散值z(n),z(n-1),...,z(n-m+1)，组成当前时刻n的输入噪声向量z(n)，z(n)＝[z(n),z(n-1),...,z(n-m+1)]^t；

a2、回声信号估计

将当前时刻n的输入信号向量u(n)通过自适应滤波器，得到自适应滤波器当前时刻n的输出信号向量，即当前时刻n的回声信号估计值y(n)，

y(n)＝u^t(n)w(n)

其中，w(n)为自适应滤波器的当前时刻n的抽头权向量，w(n)＝[w1(n),w2(n),...,wm(n),...,wm(n)]^t；wm(n)为自适应滤波器的当前时刻n的第m个抽头权系数，w(n)的初始值为零向量；y(n)＝[y(n),y(n-1),...,y(n-m+1)]^t，y(n)为当前时刻n的回声信号估计离散值；

a3、回声消除

对近端麦克风采样，得到带回声的当前时刻n的近端信号向量d(n)，d(n)＝[d(n),d(n-1),...,d(n-m+1)]^t，d(n)为当前时刻n的近端信号离散值；将近端信号向量d(n)减去当前时刻n的回声信号估计值y(n)，得到当前时刻n的误差信号向量e(n)，e(n)＝d(n)-y(n)＝[e(n),e(n-1),...,e(n-m+1)]^t，e(n)为当前时刻n的误差信号离散值；再将当前时刻n的误差信号向量e(n)送回给远端；

c、抽头权向量更新

b1、误差信号概率密度的估计

将当前时刻n及其前l-1个时刻，构成当前时刻n的时间窗；

估计出当前时刻n的时间窗内的时刻i与时刻j间的误差信号概率密度p(i，j)，

其中，i，j为当前时刻n的时间窗内的任一时刻，i∈[n-l+1，n],j∈[n-l+1，n]；σ为当前时刻n的时间窗内误差信号的标准方差，其取值范围为σ＞1.0；exp(·)表示自然指数运算；l为时间窗的宽度，其取值范围为4～m；

进而得到当前时刻n的时间窗的误差信号概率密度均值

b2、计算误差熵

由当前时刻n的时间窗的误差信号的概念密度估计值p(n)，对当前时刻n的时间窗的抽头权向量w(n)求微分，得到当前时刻n的时间窗的误差熵v(n),

b3、计算输入噪声补偿值

由下式得到当前时刻n的时间窗内i时刻与j时刻间的输入噪声补偿向量

其中，δ表示输入噪声z(n)的标准差，w(i)、w(j)分别为时刻i和时刻j的抽头权向量，z(i)、z(j)分别为时刻i和时刻j的输入噪声；

b4、计算输入偏差补偿

由当前时刻n的时间窗内时刻i与时刻j间的输入噪声补偿向量得到当前时刻n的时间窗内的偏差补偿值b(n)，

b5、滤波器抽头权向量的更新

由下式更新得到下一时刻n+1的滤波器抽头权向量w(n+1)：

w(n+1)＝w(n)+μv(n)+μb(n)

其中，μ表示滤波器的步长，其取值范围为0.001～0.1；

d、重复

令n＝n+1，重复a、b的过程，直至通话结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明权向量更新公式中针对输入回声的调整项v(n)，是输入信号的误差熵，该误差熵是输入信号误差的误差，其展开项是高阶，较之低阶的均方差，对含有大量高阶信号、非线性变化的回声，灵敏度更高，追踪性好。并且，误差熵是基于输入信号向量的短时间的时间窗得出，进一步提高了对高阶非线性回声的敏感，其收敛速度快、稳态误差小，回声消除效果好。

二、由于回声信号与噪声的动态实时特性不同，单纯的回声补偿很难同时实现对回声信号与噪声特性的追踪，其回声的消除效果及通信质量难以提高。本发明不仅仅考虑语音通信中回声对语音通信的影响，还考虑了远端输入环境中的噪声对回声及语音通信质量的影响；增加了对输入环境中噪声的采集及传输，进而计算出了针对输入噪声的噪声补偿和噪声与回声相互作用的偏差的补偿b(n)，从而实现了对输入信号中的回声及噪声的同步综合跟踪，使其抗输入噪声性能好，收敛速度快、稳态误差低，回声消除效果好，通信质量好。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是在仿真实验一得到的对比方法(未进行噪声补偿的方法)与本发明方法，在步长μ＝0.16时的归一化稳态失调曲线。

图2是在仿真实验二得到的对比方法与本发明方法，在步长μ＝0.13时的归一化稳态失调曲线。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施例是，一种抗输入噪声的自适应回声消除方法，其步骤如下：

a、回声消除

a1、远端信号采集

a2、回声信号估计

将当前时刻n的输入信号向量u(n)通过自适应滤波器，得到自适应滤波器当前时刻n的输出信号向量，即当前时刻n的回声信号估计值y(n)，

y(n)＝u^t(n)w(n)