自適應濾波器回聲消除仿真分析

趙睿+姚宇峰

摘要：本文討論了自適應濾波器的原理并說明自適應濾波器如何消除回聲的過程，在仿真環境下進行了模擬，結果驗證自適應濾波器能夠有效的消除語音信號通信中的回聲從而提高通信質量。

關鍵詞：自適應濾波器；回聲消除；LMS；仿真

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0216-02

1 引言

自適應濾波器具有很強的學習能力、跟蹤能力、自調節能力，并且算法簡單容易實現，應用領域主要包括：通信回波消除、噪聲干擾的抵消，波形編碼的線性預測，圖像識別的自適應分割，以及自適應參數系統辨識等方面[1]?？傊?，自適應濾波能夠根據系統以前輸出的結果不斷調節當前濾波器的參數去適應隨機信號隨時間變化的統計特性，從而實現濾波性能的最優化。

2 自適應濾波發展現狀

最小均方誤差LMS算法以其計算簡單、穩定性好且易于實現而得到廣泛應用。但收斂速度慢，固定步長因子會造成收斂速度與穩態失調誤差兩個相互矛盾，不能兼顧。在此基礎上提出了變步長自適應算法，根據不同的應用場合采用不同的步長調整算法?；谧钚《藴蕜tRLS算法的收斂速度快并且收斂性能優劣與信號的頻域特性沒有關系，但缺點是算法復雜、計算時間長、計算量大[2]；強相關信號應用LMS自適應算法時減少了計算量但會影響收斂速度，為了解決這個問題，Dentino等人提出了頻域自適應濾波方法，Narayan等人針對輸入信號特征值分散度較大的特點，在此基礎上提出了變換域自適應濾波的概念：將信號通過其他正交變換在不同變換域上進行自適應濾波以獲得更好的收斂特性[3]。

3 回聲產生的原因

通信系統中背景噪聲和回聲總是同時存在的，這兩個因素是影響通信系統通話質量的重要原因，在對于通話質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性能具有重要的現實意義?；芈曋饕獊碓从袃蓚€：（1）電話回聲：在傳統的二線-四線通信系統中由于轉換過程里阻抗不匹配的原因造成回聲；在給定的地理區域，每一電話機都與中心局通過兩條線相連以便為通話者提供通信服務。當傳輸距離超過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換。當橋式電路平衡得不好時，輸入端口與輸出端口之間就會存在耦合，從而引起回聲；在地球同步衛星用于通信時，長距離通信造成了較大的時間延遲所帶來的回聲會導致通話質量的嚴重下降；盡管使用光纖通信能夠消除長距離通信所造成的延遲，但通信網絡中大量存在的語音編碼以及數字傳輸打包技術都增大了語音通信過程中的時間延遲。而且研究結果表明：回聲對通話質量的影響程度不僅取決于大小，還與延遲時間有關。（2）聲學回聲：接收端的語音信號在揚聲器里以聲波形式被放出來的時候由于在房間里多次傳播和反射噪聲的回聲，同時由于絕大所數的通信系統都是全雙工機制，所以接收端的回聲又會通過麥克風傳輸到發送端從而影響通話質量。

4 回聲消除原理

自適應濾波理論在實踐中的重要應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的自相關矩陣的本征值分布的分散程度，如果輸入信號為語音信號，本征值分布比較分散就會造成LMS算法收斂速度波動較大，通過白化語音信號可以抑制這種波動。語音信號的頻譜特性的變化比回聲路徑的變化快，所以在接收端進行信號處理時不僅要對回聲路徑進行自適應，還要對語音信號進行快速的自適應。語音通信中回聲是否能夠被覺察從而影響通話質量或者在接收背景中可區分，主要取決于通信過程中語音與其回聲之間時延的長短。如果時延比較短的話，回聲是不會被覺察的，但可能會影響到信號頻域的特性。反之，語音與其回聲之間的時延較長，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影響通話質量，這與時延有很大關系，使用自適應回聲消除器可以抑制回聲：自適應地合成回聲信號然后從接收端信號中減去從而達到抗干擾的能力。

5 仿真實現

為了更好地說明自適應濾波原理在回聲消除中的應用選取了兩個普通的正弦信號作為初始信號源，頻率分別為1000HZ與600HZ，并將其中的一個信號處理為噪聲加入另一個信號中，將疊加之后的信號作為輸入信號進行仿真，試驗的目標顯然是希望得到原信號，從而驗證達到濾除回聲的效果。

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

6 結語

本文討論了自適應濾波的原理和發展現狀，并對自適應濾波回聲消除的原理進行了討論，在MATLAB仿真環境下對自適應濾波回聲消除進行了實現，仿真結果說明通過自適應濾波能夠有效的消除通信系統中的回聲從而提高語音信號通信質量。

參考文獻

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

[2]蔡衛菊.線性自適應濾波算法綜述[J].科技咨詢，2011，（36）：233.

[3]張曉曄，董微，鄒維嘉.LMS原理及其在回聲消除中的應用分析[J].現代商貿工業，2009，9：279-280.endprint