立体声声学回声消除算法研究

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在电话会议等多媒体通信系统中,可以通过使用自适应回声消除技术来消除源于扬声器和麦克风之间的耦合回声、保证实时全双工通信的质量。在多人参会的情况下,多通道的声学回声消除系统能够为用户提供十分良好的空间定位效果,给参会者带来身临其境的体验。立体声回声消除技术并非简单的单声道模型的扩展,其理论与实践还需要更深入的研究与探索;另外,随着用户对声音质量要求的提高及硬件技术的发展,立体声回声消除算法(SAEC)将是多媒体通信领域重要的研究方向之一。与单声道回声消除的情况相比,立体声算法除了需要更多的自适应滤波器之外,还会存在自适应滤波器系数收敛慢、失调大等问题。后者主要是因为两个远端参考信号是由同一个声源产生的,因此具有高度的相关性,使得自相关矩阵条件数很大,进而影响自适应滤波器系数的收敛。如果采用最小均方(LMS)这类高度依赖协方差矩阵条件数的自适应滤波算法,那么可以通过去相关算法尽量减弱两个远端信号的相关性来改善算法性能,但是使用去相关算法势必会对立体声的音质造成影响。因此,选择去相关算法时既要考虑去相关的效果,又要考虑对立体声音质的影响。如果采用递归最小二乘算法(RLS)或者仿射投影算法(AP),虽然二者对协方差矩阵的条件数不敏感,但是计算量太大影响了它们在实时声学系统中的应用,即使使用快速算法,也会存在数值不稳定等问题。本文主要围绕立体声声学回声消除算法做了深入的研究与分析,针对立体声回声消除技术存在的问题提出了若干算法。本文的主要内容及创新性从以下几个方面阐述:(1)以LMS类自适应算法为模型,对去相关算法的研究现状进行了深入的调研,并就不同的去相关算法在立体声回声消除应用中的效果做了对比与分析;研究了其它性能受协方差矩阵条件数影响较小的自适应算法,如递归最小二乘(RLS)和仿射投影(AP)等算法的原理及应用于SAEC中的可能性。(2)研究了立体声回声消除算法存在的自适应解收敛慢、失调大等问题。建立了两个远端参考信号之间的相关性与相应协方差矩阵条件数之间的关系,并阐述了这个关系是如何影响频域自适应算法自适应解的失调。(3)以分段块频域自适应算法(PBFDAF)为基础,提出了一种对立体声音质影响很小的去相关算法。该去相关算法在高频部分使用时变的全通滤波器,在低频部分使用了基于基频缺失的理论。首先,使用时变全通滤波器改变高频信号的相位不会对听感造成很大的影响;其次,人脑具有处理泛音中存在的信息以计算“缺失”基波的能力,因此,可以对音调也即基频进行自适应跟踪和消除,从而在不影响立体声感知的情况下削弱低频信号的相关性。(4)提出了一种利用通道之间相干性的频域块立体声回声消除算法,它是RLS算法的一种近似。与RLS算法相比,其计算量得到了大幅度的简化。而且它利用了两个远端参考信号的相关性来更新滤波器系数,因此与LMS算法相比,能够更好地处理相关性很强的语音信号尤其是立体声信号。(5)提出了一种基于简化快速横向滤波器的立体声回声消除算法。它是在快速横向滤波(FTF)算法的基础上演变而来,仅使用输入信号的前向预测误差,并完全丢弃前向和后向预测变量。其计算量与NLMS算法相当,相比RLS算法的计算量得到大幅度的简化。
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